近日,中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站王克林研究員團(tuán)隊(duì)在喀斯特石灰土耕作擾動(dòng)下土壤養(yǎng)分損失過程機(jī)制方面的研究取得系列進(jìn)展。
西南喀斯特地區(qū)土層淺薄、二元結(jié)構(gòu)發(fā)育、水土資源不匹配,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。近現(xiàn)代以來,由于不合理的土地利用和高強(qiáng)度人為干擾,導(dǎo)致植被破壞后較難恢復(fù),水土流失加劇,土壤養(yǎng)分大量損失,以石漠化為特征的土地退化嚴(yán)重。以往的研究表明,喀斯特自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮養(yǎng)分含量顯著高于同地區(qū)紅壤,然而在開墾利用后呈現(xiàn)急劇損失的特征(原生土壤開墾兩年后SOM損失率達(dá)20%-40%),但目前對(duì)其損失過程和機(jī)制仍缺乏充分認(rèn)知,難以支撐喀斯特土壤退化過程阻控和生態(tài)功能高效提升。
針對(duì)以上問題,基于不同翻耕頻率處理及玉米種植的原位控制試驗(yàn),以土壤團(tuán)聚體和微生物為切入點(diǎn),通過連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤碳氮養(yǎng)分變化及關(guān)鍵過程,初步探明耕作擾動(dòng)下喀斯特土壤碳氮損失過程及機(jī)制,以期為喀斯特地區(qū)生態(tài)保護(hù)和有限土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明:(1)翻耕擾動(dòng)主要破碎5-8mm粒級(jí)大團(tuán)聚體,土壤總氮損失主要源于5-8 mm粒級(jí)團(tuán)聚體閉蓄態(tài)有機(jī)質(zhì)釋放后被微生物迅速礦化利用,土壤硝化過程增強(qiáng),大量硝態(tài)氮淋溶丟失,并伴隨較高的地下水體污染風(fēng)險(xiǎn)。(2)翻耕擾動(dòng)導(dǎo)致土壤活性碳庫(kù)迅速降低(DOC、MBC等),促進(jìn)CO2的排放。夏季高翻耕擾動(dòng)顯著提高CO2排放通量,但是冬季各處理排放無(wú)顯著差異。在夏季減少翻耕頻率或者免耕是緩解CO2排放的有效途徑。(3)玉米種植通過提高微生物代謝活性加速有機(jī)物的分解,進(jìn)而促進(jìn)CO2排放,但是作物生長(zhǎng)過程和作物殘?jiān)拇媪魰?huì)增加碳的輸入,有利于土壤SOC的儲(chǔ)存?？λ固氐貐^(qū)微生物量主要受翻耕擾動(dòng)影響,而微生物代謝功能更多的是受玉米種植的影響。
以上研究成果在王克林研究員、張偉研究員指導(dǎo)下,博士研究生肖霜霜、肖丹分別作為第一作者發(fā)表在Soil & Tillage Research、Geoderma和Journal of Soils and Sediments上。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
圖1 耕作擾動(dòng)下可溶性氮組成變化
圖2 SEM分析翻耕次數(shù)、大團(tuán)聚體及微生物量對(duì)氮素?fù)p失的影響
圖3 CO2排放速率（A）及年累計(jì)排放量（B）的季節(jié)變化
圖4 土壤微生物AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的變化（A）；培養(yǎng)144h時(shí)土壤微生物功能多樣性指數(shù)（B）