喀斯特地区土地利用变化背景下土壤碳库变化特征与稳定机制研究

The effect of land use changes on the soil organic carbon (SOC) stock and the relevant stabilization mechanisms still remain unclear in the Karst region of southwest of China. In this project, we review the literature for the influence of land use changes on SOC stocks and summarize the results of a meta analysis of the extracted data from the available publications. Also, we apply this synthesis methods to identify the magnitude and drivers of land use changes (i.e., deforestation and land restoration) on the stocks and vertical distributions of SOC change at the region scale. On the other hand, we investigate the SOC stabilization mechanisms considering the latest soil C saturation theory based on the several typical land use patterns, comprehensively utilizing soil physical fractionation, thermal analysis (thermogravimetry, TG; differential scanning calorimetry, DSC) and nuclear magnetic resonance (nuclear magnetic resonance, NMR) techniques. Several key project tasks are included: 1) to investigate the distribution and physical protection of C associated with different soil structural units (i.e., sand, coarse silt, fine silt and clay fractions); 2) to evaluate the concentration and thermal stability of SOC occulted with various soil fractions under different land use change types using TG and DSC techniques; 3) to characterize the SOC composition within the different fractions by NMR spectroscopy; 4) to effectively manage soil C in this region coupling the soil C Sequestration mechanisms at the field scale and SOC evaluation at the regional scale. Taken together, the results of project will reveal the characteristics and driving factors of soil C stocks due to land use change at the regional scale and enrich the theory of soil C sequestration. Also, we could provide some theoretical basis and technical support for regional soil C management and recovery and reconstruction of fragile ecosystems.

本研究针对我国喀斯特地区土地利用方式转变后土壤有机碳库储量和土壤固碳机理不明确等科学问题，将微观土壤固碳机理与宏观区域土壤碳管理有机耦合。利用整合分析方法，在区域尺度上评估土地利用变化引起的碳库源汇效应和固碳潜力，解析驱动碳库变化的气候、地形和土壤特性等关键因子。在田块尺度上，基于典型土地利用方式（开垦和恢复），综合利用土壤物理分组技术、热分析技术和核磁共振技术，重点研究：1）不同土壤结构单元体（砂粒、粗粉粒、细粉粒和粘粒）中碳库分布特征和物理保护作用；2）不同土壤结构单元体中有机碳的热稳定性，从能量变化和重量损失方面揭示有机碳组分的异质性；3）不同土壤结构单元体有机碳的分子结构特征。预期研究成果将从区域尺度揭示土地利用方式转变引起的土壤碳库特征及其驱动因子，并丰富土壤固碳理论，为区域土壤碳管理、脆弱生态系统的恢复重建提供理论依据与技术支持。

针对我国喀斯特地区土地利用方式转变后土壤有机碳库储量和土壤固碳机理不明确等科学问题，本项目从区域尺度上揭示了土地利用变化对土壤碳库的影响；在田块尺度利用热分析技术探讨了有机碳的热稳定性，阐明该地区典型土地利用方式对土壤有机碳的固持作用和机理。研究认为,森林植被破坏导致土壤有机碳（SOC)和氮（TN)储量的损失；而植被恢复有利于SOC和TN的积累。土壤碳、氮储量的损失或增益还取决于土地利用方式、采样深度和估算方法。一般而言，固定深度法（FD）和等效质量法（ESM）方法的估算结果存在差异，特别是在土壤容重差异较大的土壤表层。这表明采用合适的方法对评估土壤碳、氮储量至关重要。我国目前多数研究集中在研究表层土壤理化性质的响应，加强土地利用变化对深层土壤的研究应重点关注。.研究利用微团聚体分离器分离非保护的颗粒有机质、包被于大团聚体内的微团聚体以及粉粘粒组分，进一步研究了土地利用变化背景下的碳氮稳定机制，结果表明森林植被破坏与农田植被恢复变化中土壤碳、氮含量随着各组分颗粒大小呈现明显的下降趋势。森林植被破坏导致各组分碳氮含量显著减少，农田植被恢复则对促进土壤碳氮的累积具有积极效应。热分析技术研究结果也表明，土地利用变化对土壤有机质（SOM）稳定性产生显著影响，退耕还林还草有利于SOC浓度的恢复，SOM的稳定性的提高，SOC的积累和储存。而将玉米地恢复为桉树林这一人工生态系统后SOM在整土和各粒级中的稳定性没有产生显著变化，说明人为的干扰不利于SOM的积累。