黄土丘陵区退耕植被土壤C、N、P化学计量特征对土壤固碳的调控机制

Soil carbon, nitrogen and phosphorus elements are the core part of the biogeochemical cycle of nutrient elements, where their balance and coupling relationship play a regulation role to the soil carbon sequestration and emission. That realization of the ecological stoichiometry characteristics can provide a new insight for understanding mechanism of soil carbon sequestration in the regoin of returning cropland to forest. This project focused on returning cropland of Loess Hilly Region in Shaan Bei, and the objective was to first study the ecological stoichiometry characteristics and evolution law of soil carbon, nitrogen and phosphorus in the soil of natural recovery and artificial restore under different stand ages, define the interaction and restriction relationship between soil carbon、nitrogen and phosphorus, and to analysis the response of the evolution law of the C:N:P stoichiometry to soil carbon fractions, microbial carbon, nitrogen and phosphorus, enzyme activity, and the input of litter-carbon, nitrogen and phosphorus. The control effects of C:N:P stoichiometry on the changes of carbon pools and related factors will be discussed in different recovery mode. It is important to reveal regulation mechanism of soil carbon sequestration under conversion of cropland to forest and provide theoretical foundation and support for ecosystem restoration, reconstruction and the sustainable development in Loess Hilly Region.

土壤碳、氮、磷是营养元素生物地球化学循环的核心组成部分，三者平衡和耦合关系对土壤碳吸存和排放起着关键的调控作用，认识退耕还林区土壤生态化学计量学特征可为研究退耕林区土壤固碳机制提供新思路。本项目以陕北黄土丘陵区退耕还林地为研究对象，研究不同退耕年限自然恢复和人工恢复土壤C、N、P生态化学计量学特征及其演变规律，以明确两种恢复方式下土壤碳、氮、磷的交互作用和制约关系；并进一步分析土壤C、N、P生态化学计量特征演化与土壤碳组分、微生物碳氮磷、酶活性、凋落物碳氮磷输入的响应关系，探讨土壤C、N、P生态化学计量学特征在不同恢复方式下对土壤碳库变化及相关因素的调控作用，为进一步揭示退耕地植被恢复对土壤碳源汇调节机制提供新依据，可为脆弱生态系统恢复、重建及可持续发展理论提供支撑。

土壤碳、氮、磷是营养元素生物地球化学循环的核心组成部分，三者平衡和耦合关系对土壤碳吸存和排放起着关键的调控作用，认识退耕还林区土壤生态化学计量学特征可为研究退耕还林区土壤固碳机制提供新思路。本项目以陕北黄土丘陵区退耕还林地为研究对象，研究不同退耕年限乔木林、灌木林、撂荒地植被恢复土壤C、N、P生态化学计量学特征及其演变特征，以明确人工植被土壤碳、氮、磷的交互作用和制约关系；并进一步分析土壤C、N、P生态化学计量特征演化与土壤碳组分、微生物碳氮磷、酶活性、凋落物碳氮磷输入的响应关系，探讨土壤C、N、P生态化学计量学特征在不同恢复方式下对土壤碳库变化及相关因素的调控作用。研究结果表明退耕植被恢复后能够显著增加0–200 cm土壤碳、氮和磷储量，特别是12–39年不同退耕恢复年限的乔木林（刺槐）、灌木林（沙棘与柠条林）100cm深土壤碳库分别为1.78和0.67 Mg C ha-1 yr-1，表现出显著的固碳效应，并且两种林地均以矿物结合碳含量增加与全土总有机碳累积量比率为最高，分别达到52 % 和47 %。可见土壤矿物吸附结合碳对总有机碳的贡献率最高，并且其固碳速率也大于其他碳组分，因此该组分是研究区退耕还林土壤固存碳的主要形式。土壤不同养分元素的不平衡增长使得土壤C:P和N:P 比值相比坡耕地显著增加，而C:N比相对减小。冗余分析进一步说明，退耕还林土壤0–200 cm土层C:N比值对颗粒有机碳最为敏感，而C:P和N:P比值分别对活性有机碳和微生物碳影响最为敏感。退耕还林后土壤和微生物的C:P和N:P都增大，并且C:P和N:P与微生物多样性和丰富度、土壤性质、土壤碳库，酶活性有极显著的相关性，其中土壤细菌种群α多样性, 与土壤和微生物C:P和N:P比值有密切的关系，但与土壤C:N比、土壤pH、黏粒含量、容重关系不密切，说明土壤C:P和N:P是影响微生物活性的关键化学计量比。综上分析说明化学计量比在对退耕林土壤生物活性和养分周转过程调控起着重要的作用，特别是P可能是这些过程的重要限制因子。研究结果可为进一步揭示退耕地植被恢复对土壤碳源汇调节机制提供新依据，可为脆弱生态系统恢复、重建及可持续发展理论提供支撑。