造林对土壤pH值变化及其演变预估研究

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造林能够减缓温室气体二氧化碳的排放,是应对气候变化的一项关键措施。尽管造林在陆地生态系统的生物化学过程中发挥着关键作用,但其对土壤pH值的影响仍不清楚。本研究通过文献检索,收集了166篇1082个实验点建立数据集。利用该数据集解析造林前后土壤pH值的变化特征,并拟合土壤pH变化值与主要影响因子的关系。在此基础上,利用随机森林建立了造林后土壤pH变化值与气候、地形、土壤性质等因子的预估模型,预测了宜林地造林5年、10年、20年后土壤pH变化值的动态空间分布,分析了土壤pH变化值的区域性差异。主要研究结果如下:(1)造林后土壤pH值显著降低了0.23。造林后土壤pH值在寒带和温带中的下降幅度大于热带,土壤pH下降值分别为-0.28、-0.29和-0.08。湿润地区土壤pH值显著下降,干旱地区土壤pH值无明显变化。四种造林类型的土壤pH值均显著下降,且农田转变为次生林时土壤pH值下降最大。土壤初始pH值是影响土壤pH值变化的重要因子。初始pH值范围为6-7时,造林后土壤pH值下降最多,下降了0.45。造林后土壤pH值的下降程度随造林年限的增加而增加,随土层深度的增加而降低。(2)单因子拟合结果表明:年平均温度(MAT)与造林后的土壤pH变化值(ΔpH)正相关,拟合表达式为ΔpH=0.02×MAT-0.19。年平均降雨量(MAP)与ΔpH呈凸性关系,拟合表达式为ΔpH=-3.77×10-7×MAP2+1.06×10-3×MAP-0.55。土壤初始pH值(ipH)与ΔpH呈凹性关系,拟合表达式为ΔpH=0.002×ipH2-0.21×ipH+1.15。土层深度(sd)与ΔpH正相关,拟合表达式为ΔpH=0.006×sd-0.17。林龄(year)与ΔpH负相关,拟合表达式为ΔpH=-0.004×year+0.17。(3)基于随机森林,利用年平均温度、年平均降雨量、坡度、坡向、土壤有机碳、黏粒、土壤初始pH值、土层深度、林龄9个变量,建立造林后土壤pH变化值的预估模型,解释度为71%。影响因子的重要性排序为年平均降雨量>土壤初始pH值>林龄>年平均温度>坡度>土壤有机碳>黏粒>土层深度>坡向。利用预估模型,分别绘制了未来宜林地造林5年、10年和20年后土壤pH变化值的空间分布图。(4)模型预估结果表明,宜林地造林5年、10年和20年后土壤pH值分别下降了0.049,0.082和0.24。宜林地造林后土壤pH变化值在区域间存在显著差异,宜林地造林5年、10年和20年后,欧洲土壤pH值降低最多,下降值分别为-0.054,-0.089,-0.27。其次为北美洲,下降值分别为-0.049,-0.083,-0.25。南美洲下降最少,下降值分别为-0.042,-0.069,-0.20。大洋洲、非洲和亚洲之间没有差异。
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