亚热带生态所揭示人为干扰对喀斯特生态系统土壤碳氮养分的影响网赌平台哪个信誉好:

土地利用变化是全球环境变化的主要来源和组成部分。不合理的土地利用和人为干扰对土壤质量具有诸多不利影响,如土壤结构破坏、养分流失和土壤侵蚀;减少土壤碳氮固持,加速温室气体排放,并影响土壤微生物活动和生物过程的变化。作为土壤结构的基本单位,土壤团聚体与上述土壤要素和过程的关系非常密切,对土地利用的变化也十分敏感,对土壤养分生物地球化学过程具有重要的调控作用。

“近观明暗相间的河流,远眺神奇秀美的石峰”,谈起喀斯特景观,普通游客的反应该是山青、水秀、洞奇、石美,但对人类生存来说,若不重视它地质背景制约的脆弱生态系统,奇山异水很可能就变成了“穷山恶水”。
近日,科技部根在基层调研团来到广西环江,调研广西地区典型峰丛洼地区域的石漠化治理。“你们看,这是生态修复后村民又复垦的地方,新生的灌草丛又变成了基岩裸露地。”在广西环江古周生态恢复示范区的一块对照地上,中科院环江喀斯特生态系统观测研究站站长王克林指着斑驳的石头说道,“在喀斯特地区,种植玉米对水土保持而言是一种极为负面的效应。人为耕作大大加剧了对土壤的侵蚀。”
如何改善西南喀斯特地区石漠化问题,上演“点石成金”的生态大戏?从“九五”期间开始专门立项研究石漠化问题,到“十三五”期间国家重点研发计划四个专项的接续攻关,20多年间,广西地区石漠化面积由3.21万平方千米下降到1.5万平方千米,生态恢复后的喀斯特峰丛洼地正在显现绿水青山的美貌。
网赌平台哪个信誉好,两万年才形成1厘米厚土壤,水土流失元凶藏于地下
“在这里,溶解30立方米岩石,只能生成1立方米土壤,95%的岩石物质碳酸钙在雨水溶蚀下变成可溶性的碳酸氢钙随水流失。砂页岩红壤地区50年左右就可以形成1厘米厚度的土壤,在喀斯特地貌下可能要5000年到20000年。”王克林表示,区域遥感对比监测表明在碳酸盐岩的特殊地质背景下,中国西南喀斯特地区植被的整体演替速度较慢。
刚开始做喀斯特研究时,研究人员发现喀斯特石漠化主要以缺水少土为特征,但驱动机理并不清楚,初期观测表明地表径流很少,大多在3%左右。“我们把观测方向下沉到地下,发现降水及其驱动的土壤流失主要进入了地下系统。”王克林感慨道,地下水土漏失是主要渠道而非地表的顺坡水土流失。
若做等高梯土或者砌墙保土工程,拦蓄地表水土是否有效?这在黄土高原和红壤丘陵山区是行之有效的措施,但在喀斯特地区作用甚微,因为水土流失过程以地下垂直漏失为主,地表顺坡流失很少。
喀斯特地表土壤少,外加地下水土漏失多,农民进行种植劳作,人为扰动土壤会加剧石漠化过程。王克林说:“在某些土层很厚、石漠化不大的地区,随着人为活动的干扰会加剧土壤漏失。漏失渠道主要在与地下河相连的落水洞、地下管道或裂隙中。”
传统耕种模式人为导致土壤漏失、石漠化加速
喀斯特地区土壤侵蚀是怎样产生的?客观原因来自于地表与地下的二元空间结构——土层浅薄且不连续,地下裂隙发育,水文过程变化迅速。大自然给与的二元结构“缺陷”让喀斯特水土生态系统具有先天脆弱的特征。
从“九五”期间开始,科技部对石漠化立项研究。王克林团队的实验结果显示,喀斯特地区石漠化及水土流失涉及面广泛,初期高强度耕种下人为干扰导致物理结构的破坏、化学过程的加强、微生物种群的改变都会加剧土壤养分的丢失。结论比较简单,“脆弱的喀斯特区域不适合过度的农业开发活动。”王克林说。
然而,在西南喀斯特地区,地表缺水造成的农业种植首选作物就是玉米。成片的玉米种植使土壤被扰动,引起坡地水土流失。物理结构破坏、化学过程加强、微生物改变、有机碳开始丢失……一系列潜藏地下的变化导致的结果就是林草退化、石头裸露。记者在环江县古周生态示范区看到,有些土地上玉米种了20多年后,地表石芽裸露,非常可怕,“这些都是人为高强度扰动下土壤漏失的后果。”王克林表示。
径流观测与土壤养分研究提供生态恢复新思路
“喀斯特峰丛洼地地处西南季风区,六月前后旱涝同现,灾害比较严重,通过观测研究摸清水土过程的机理后,我们对它的利用模式进一步优化,看哪一种方式更有利于涵养水源、提升地力。”中国科学院亚热带农业生态研究所研究员陈洪松告诉记者,研究站十三个大型记录径流小区通过地表与地下同步监测二元空间结构及不同耕种模式对峰丛洼地结构水土过程的影响,包括种植耕种玉米、牧草、经济林、封育等不同利用方式,观测水土效应,再推测出土壤侵蚀的效果,再将认识上升到对喀斯特地区景观与流域尺度的认识,从而形成喀斯特石漠化地区的系统治理方案。
微观方面,植被恢复过程中土壤养分的变化是可持续演替的关键,人为干扰往往导致土壤中氨氧化细菌和纤维素分解菌丰度增加、固氮菌丰度减少,不利于土壤“碳”与“氮”的储存。“退掉玉米地恢复植被比较容易,但土壤理化性质的恢复是个缓慢过程,你看着小小的苔藓,它对土壤养分的固持与水分的涵养有着重要的作用。”王克林指着封育的岩石与保护性种植的牧草地上的一块块苔藓感慨道,“我们将高强度种植变为保护性种植,多年生牧草种能提升土壤肥力,水土保持效果大大高于玉米,但每亩1万多千克生物量要移走喂牛,移走的草是含氮的,这么大生物量的移走,只靠生物结皮、大气沉降还是不够,所以我们考虑通过豆科牧草的引入增加固氮量。”
与之相关的试验初步表明:共生豆科植物通过生物固氮能促进土壤养分提高,为牛羊所喜食,根部发达且有大量根瘤来固氮,土壤蓄水率能提高16%,土壤侵蚀量削减32%。在下塘试验区,大量任豆、合欢等典型适宜性树种已由树苗长成连片山林,显示出林牧农复合生态系统是喀斯特区域生态恢复的有效途径。
中国石漠化治理要做到“一方水土养一方人”
“我国的喀斯特地区治理与欧美国家是不一样的。发达国家对喀斯特注重保护,人口稀少;我国因为人口压力与资源分布问题,农业活动强度大,要努力做到‘一方水土养一方人’。这就需要通过生态适应性的模式、技术提升喀斯特地区生态服务。”王克林强调。
生态服务需要集成与权衡生产、调节、支持、文化等方面,其解决办法就是改变单一的玉米种植模式和种植、养殖二元分割模式,构建牧、农、林耦合的草食畜牧业混合生产模式,科学设计与当地生态条件相适应的种养结构,提升生态系统服务,减缓旱涝灾情的后果。
在石漠化地区将高强度的种植系统变成保护性种养殖系统,可使原本只能维持4年—5年的单一种植系统调整到20年左右的种养结合的复合生态系统,系统持续性得到增加,百姓的收入来源更加多元化,亏损风险也可逐步降低,从生态经济的角度而言就是把石漠化地区变成绿水青山。“下一步我们继续努力,在科技部、中国科学院重大专项支持下进一步提升生态系统服务,构建美丽乡村,把初步恢复的绿水青山变成可持续的金山银山。”王克林说。(记者
何亮 郭科)

我国西南喀斯特地区是世界上最大的喀斯特连片分布区之一,也是我国重要经济带珠江经济带的生态屏障区。上世纪八十年代以来,特殊的地质背景,生态环境的脆弱性,加上人类不合理的土地利用,该地区石漠化现象不断加剧,成为制约西南地区可持续发展最严重的生态环境问题,也影响着珠江下游的生态安全。喀斯特自然生态系统土壤碳氮含量显著高于同纬度红壤,但一旦遭受人为干扰或开垦利用,土壤养分含量显著降低。前期研究发现,在开垦两年后,喀斯特坡地土壤有机质丢失率高达42%,表现出急剧丢失的特征。然而,农业土地利用如何引起土壤结构变化,进而促发了碳氮养分的快速响应?土壤微生物在这一过程中有何协变特征?目前对这些问题还缺乏清晰的认识。针对这一科学问题,中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站研究员王克林团队博士研究生肖霜霜,选取5种喀斯特地区常见的土地利用/干扰方式为研究对象(封育、火烧、砍伐、牧草及玉米地),通过分析不同土地利用/干扰方式下土壤团聚体、团聚体碳氮及其微生物活性特征,探讨了团聚体结构如何影响土壤碳氮及微生物活性对土地利用/干扰的响应,初步揭示了人类干扰导致土壤碳氮变化的作用机制。

研究结果发现,土地利用/干扰对土壤团聚体影响主要作用于大粒级。其中牧草和玉米等扰动土壤的利用方式对土壤各粒级团聚体碳氮影响最为显著,干扰后土壤碳氮的丢失主要来源于大团聚体碳氮贮量的减少。相比封育,其他处理方式土壤团聚体微生物生物量碳降低,团聚体微生物熵增加。土地利用对大粒级团聚体微生物活性的影响程度小于小粒级(0.25-2、0.053-0.25mm)。各方式下微生物生物量碳和微生物熵在中等粒级团聚体中均呈现最高值,这表明该粒级更适合微生物活动,具有相对较高的有机碳氮含量和微生物活性,预示着更活跃的碳氮动态变化。以上结果表明,团聚体结构调控土地利用对土壤碳氮及微生物活性的影响,喀斯特地区农业田间管理应减少对土壤的扰动,调整农业结构,调减玉米种植面积,构建以牧草免耕种植和生态高值经济林果为核心的喀斯特农林牧复合生态系统。

该研究以Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic
carbon, total nitrogen, and microbial activity in a Karst ecosystem

为题发表在《科学报告》(Scientific
Reports
)上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

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