岩溶石漠化区土壤碳氮转化速率及其对治理模式的响应机制研究

At the background of critical zone research and ecological civilization construction in karst rocky desertification area，it is important to study on the ecological evolution mechanism and environmental effects of karst rocky desertification restoration. As a basic process of critical zone in the karst area, the carbon and nitrogen transformation influence directly not only the carbon and nitrogen cycling of carbonate-water-soil-plant, but also the karstification, greenhouse gas emission and ecological restoration of karst rocky desertification. Based on the research platform of Guohua Karst Ecological Research Base and the method of barometric process separation (BaPS), the objectives of this project are: (1) to study the difference of the rate of soil respiration, soil nitrification and denitrification under the different karst rocky desertification restoration patterns, including revegetation, land consolidation and conservation tillage, which began in the year of 2001; (2) to illuminate the temporal-spatial variability and the relationship of the rate of soil respiration, soil nitrification and denitrification; (3) to discriminate the key factor which influence the soil respiration, soil nitrification and denitrification rate; (4) to clarify the mechanism of the soil respiration, soil nitrification and denitrification rate response to the karst rocky desertification restoration pattern. The results of this project could be useful to the study on the ecological evolution mechanism and environmental effects of karst rocky desertification restoration.

土壤碳氮转化作为岩溶区关键带基本过程，不仅直接影响碳酸盐岩—水—土—植被碳氮循环，更对岩溶作用、温室气体排放和石漠化区的生态恢复起着关键作用。本项目以广西果化岩溶生态研究基地为实验平台，基于气压过程分离技术（BaPS技术），研究典型石漠化治理模式（植被恢复、土地整理、保护性耕作，始于2001年）下的土壤碳氮转化速率（土壤呼吸速率、硝化速率、反硝化速率）及其时空变异特征，揭示三者之间的关系；解析岩溶背景下，影响土壤碳氮转化速率的环境因子（岩溶作用、母岩性质、地形、时间、植被类型）和土壤因子（物理、化学和微生物性质），并以主成分、典型相关、典范对应和因子分离分析方法为判别手段，诊断其关键驱动因子；以石漠化治理模式→土壤环境→土壤性质→土壤碳氮转化速率为研究思路，阐明石漠化治理模式对土壤碳氮转化速率的影响机制。项目成果可为岩溶区关键带过程、石漠化治理的生态变化机理及其环境效应研究提供科学依据。

在气候变化与石漠化区“三生”安全需求背景下，石漠化治理模式的生态变化机理、可持续性评价是石漠化区生态、生产持续发展的重要基础。项目立足于评价石漠化治理模式的土壤生态环境效应，以广西果化岩溶生态研究基地为实验平台，选择了该区典型石漠化治理模式（退耕种植人工林、退耕自然恢复草地2种植被恢复模式与火龙果种植保护性耕作模式）为研究对象，并以传统耕作模式（玉米种植、甘蔗种植及洼地水稻种植）为对照，综合分析了各模式间土壤碳氮转化速率、土壤结构、pH、养分、微生物群落特征（细菌、真菌）的差异，评价了治理模式的土壤生态环境效应。主要结论有：（1）治理模式通过优化土壤干/湿筛大团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径与质地、容重和孔隙度等指标，提升了土壤的结构性质。（2）相较于玉米地、甘蔗地种植模式对土壤的酸化作用，治理模式维持了土壤pH的相对中性。（3）治理模式提升了土壤有机质、全氮、全磷含量。（4）土壤细菌与真菌高通量数据发现，耕作模式中土壤细菌、真菌的α多样性指数较高；土地利用与土壤深度没有改变研究区土壤细菌、真菌的优势物种组成，但改变了各物种的相对丰度；耕作模式细菌、真菌群落结构较为一致，但保护性耕作与植被恢复间群落结构差异较小；治理模式与耕作模式均对土壤细菌、真菌功能群落产生明显影响；土壤pH、粒度分布是影响土壤细菌群落结构的关键因子；土壤pH、碳氮比、氮磷比是影响土壤真菌群落结构的关键因子。（5）植被恢复模式较好的土壤结构与养分、微生物环境，显著提高了土壤碳氮转化速率（土壤呼吸速率、土壤总硝化速率）。（6）综上，植被恢复与保护性耕作模式有利于提升土壤理化与微生物环境，具有良好的生态环境效应。需要特别指出的是，保护性耕作与植被恢复模式具有相似的生态环境效应，可有效防止土壤退化，因此，在生态保育与脱贫攻坚背景下，可在中轻度石漠化山地区科学实施保护性耕作模式发展农业生产，减少完全退耕面积。