草灌细根防蚀拦沙对人工林坡地土壤有机碳矿化的激发效应

人工林地草灌细根防蚀拦沙引起新鲜泥沙有机碳的空间再分布过程，会对土壤有机碳（SOC）矿化产生"激发效应", 但全球陆地碳收支预测模型并没有考虑这一重要生物地球化学过程。本项目拟在黄土丘陵区，选择96年监测的人工刺槐林全山坡景观，采用环境放射性核素示踪、SOC矿化释放CO2通量的原位监测与模拟，土壤碳和根系密度及植被覆盖类型测定，研究土壤碳侵蚀沉积速率与不同径级根系密度和植被类型盖度的关系，定量草灌细根防蚀拦沙引起SOC储存时空变化的速率；建立林地草灌细根减蚀、拦沙驱动的SOC的变化与SOC矿化释放CO2通量时空变化的数学模型，确定有效"激发"林地SOC矿化的细根减少碳流失/拦截泥沙碳的速率；阐明草灌细根防蚀拦沙引起的SOC及其组分时空变化在激发SOC矿化释放CO2通量的重要性和机理。为准确估算我国人工林地草灌植被防蚀拦沙对全球碳收支的贡献、制定温室气体减排增汇的森林管理措施提供科学依据。

人工林地草灌细根防蚀拦沙引起新鲜泥沙有机碳的空间再分布过程，会对土壤有机碳（SOC）矿化产生"激发效应", 但全球陆地碳收支预测模型并没有考虑这一重要生物地球化学过程。本项目在黄土丘陵区，选择1978和1998年退耕的人工刺槐林全山坡景观和未退耕坡地，采用环境核素示踪、土壤呼吸的原位监测与模拟，植被覆盖及根系密度测定，研究了SOC和土壤CO2排放通量的时空变化，定量分析了林地植被细根密度与土壤和有机碳侵蚀再分布速率的关系，研究了植被细根防蚀拦沙对SOC矿化“激发”效应及其影响因素。主要发现总结如下：1）植被<1 mm细根密度大小及其分布的空间格局决定了退耕林植被防蚀拦沙的有效性。土壤和SOC侵蚀速率随植被细根密度的增加而减小，当细根根密度为10-25 g/m2时，土壤侵蚀和SOC侵蚀速率迅速减小；当根密度>25 g/m2时，土壤和SOC侵蚀速率随细根密度的递增减小缓慢。2）退耕前坡地土壤侵蚀过程显著减少了SOC矿化作用。在强度侵蚀过程作用下，SOC储量达到动态平衡，侵蚀的SOC被取代，从坡地输出的SOC通量与植被输入土壤的有机碳处于稳定状态，结果土壤侵蚀导致一个SOC汇的形成，土壤侵蚀的碳汇能力随侵蚀的强度降低而减弱。计算发现：在全山坡尺度，坡耕地土壤侵蚀过程导致土壤CO2净排放减少速率为0.32 ±0.22 t C ha -1yr –1。3）退耕植被细根防蚀拦沙作用显著降低了坡耕地土壤侵蚀过程对SOC矿化的影响。计算发现，径流侵蚀引起退耕林地CO2排放通量减少了0.17 t C ha -1yr –1，泥沙堆积引起的CO2排放通量增加了0.11 t C ha -1yr –1，全山坡尺度原位土壤CO2净排放通量减少速率为0.12 t C ha -1yr –1。4）退耕人工林植被细根防蚀拦沙显著激发了SOC矿化作用。分析退耕前后全山坡侵蚀过程减少土壤CO2净排放的速率，发现植被细根防蚀拦沙使得SOC矿化排放CO2的通量增加了0.2 t C ha -1yr –1，比退耕前提高了63%。本研究结果表明，植被细根防蚀拦沙与径流过程互作是黄土高原退耕植被土壤碳循环研究中不可忽视的重要因素。