近日，中科院環(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)在西南喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)初期土壤氮固定及其影響機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。
氮（N）素是生態(tài)系統(tǒng)的主要限制性元素之一，人為干擾引起土地退化并導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解和N素大量流失。西南喀斯特地區(qū)是受傳統(tǒng)耕作干擾影響的脆弱生態(tài)系統(tǒng)，圍繞喀斯特地區(qū)石漠化治理與生態(tài)恢復(fù)，我國(guó)實(shí)施了退耕還林還草、石漠化綜合治理等一系列生態(tài)恢復(fù)工程。前期研究表明喀斯特生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期主要受N素限制，但此前對(duì)植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤N固定速率、潛力尚缺乏有效評(píng)價(jià)。同時(shí)，喀斯特區(qū)具有基巖廣泛出露、土層淺薄且不連續(xù)的特點(diǎn)，獨(dú)特的土壤環(huán)境因子對(duì)植被恢復(fù)背景下土壤N固定效應(yīng)的影響也缺乏充分認(rèn)識(shí)。
針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，王克林和張偉指導(dǎo)博士生劉欣在西南喀斯特典型小流域固定358個(gè)樣點(diǎn)，歷經(jīng)10年的監(jiān)測(cè)研究。以耕地為對(duì)照，通過(guò)分析不同植被恢復(fù)方式（耕地撂荒自然恢復(fù)、退耕種植牧草、退耕種植人工林、退耕復(fù)合種植人工林+牧草、牧草地撂荒、牧草地轉(zhuǎn)為人工林+牧草復(fù)合種植）下的土壤碳（C）、N變化特征，初步揭示了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)過(guò)程中土壤氮定的趨勢(shì)、速率和環(huán)境影響機(jī)制。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)10年后小流域土壤N含量顯著增加，其中牧草撂荒和牧草轉(zhuǎn)為人工林混種模式顯著提高了土壤N水平，但小流域和不同恢復(fù)模式土壤N儲(chǔ)量均無(wú)顯著變化。通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型分析發(fā)現(xiàn)，裸巖出露通過(guò)影響?zhàn)B分元素（SOC、鈣離子等）的再分布間接影響喀斯特生態(tài)系統(tǒng)土壤N固定?；謴?fù)10年后，土壤C:N比顯著增加，土壤N固定顯著滯后于土壤C固定，說(shuō)明恢復(fù)初期土壤C、N積累存在脫耦現(xiàn)象。而土壤氮儲(chǔ)量的變化與土壤C:N比變化顯著相關(guān)，說(shuō)明植被恢復(fù)初期土壤C和N之間的耦合受制于土壤N固定能力的不足。因此，喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的快速恢復(fù)需要在植被恢復(fù)初期加強(qiáng)豆科植物引種和提高群落多樣性等生態(tài)恢復(fù)措施，提升生態(tài)系統(tǒng)N素有效性和固持能力。
該研究近期以Changes in soil nitrogen stocks following vegetation restoration in a typical karst catchment為題，發(fā)表在Land degradation & Development上。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。
圖1 不同恢復(fù)模式下土壤氮含量（a）和土壤氮儲(chǔ)量（b）的變化
圖2 結(jié)構(gòu)方程模型分析環(huán)境因子對(duì)土壤氮儲(chǔ)量的直接和間接作用