侵蚀退化地植被恢复过程中芒萁对土壤可溶性有机碳的影响

时间:2018-08-17 编辑整理:任寅榜 吕茂奎 江 军 谢锦升 来源:早发表网

摘要:林下植被是生态系统的重要组分。通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳 (DOCDissolred Organie Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系。结果表明:林下植被芒萁覆 盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P<O01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P0)林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶。植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下 裸露地。因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾 松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生 物碳源的利用率.对土壤有机碳的积累起着重要的作用。

关键词:生态恢复;芒萁;可溶性有机碳;碳利用效率

土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤活性有机碳的重要组成部分,在整个土壤形成过程和生物地球化学循 环中起着重要的作用,常作为评价土地利用方式对土壤有机碳影响的一个敏感指标[1]。以往有关土壤DOC 的研究主要集中在不同植被类型、土地利用方式、环境因子和土壤理化性质等对其的影响方面[27|。而林下植被 作为森林生态系统的重要组成部分,不仅能够保持水土、改良土壤、促进营养元素循环,且对土壤DOC的影响也 不容忽视。侵蚀退化土地在植被恢复过程中,林下植被的地表覆被使土壤结构得到显著改善,土壤的抗侵蚀性 明显加强,并使土壤的理化I生质和微生物性质发生了一定的变化,从而影响了土壤DOC的组分和含量[8]

红壤侵蚀区的生态恢复主要以马尾松林为主,芒萁作为酸性红壤区特有的林下植被,对侵蚀区植被的生 态恢复发挥着重要的作用。去除与不去除林下植被芒萁的对比试验结果显示,去除芒萁不仅改变了土壤微环 境和土壤生物的食物网结构,而且降低了凋落物的分解速率[9],对土壤NPK等养分元素和pH值都有显著 的影响[10|。保留芒萁则增加了地表生物量,降低了地表裸露比例,地下生物量比重超过50%,细根生物量和 根系分泌物显著增加[113],有利于土壤有机碳的积累。然而,侵蚀红壤退化地植被恢复过程中林下植被对土 DOC的作用目前尚未清楚。本文通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地土壤 DOC含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系,试图阐明植被恢复过程中马尾松林下 植被芒萁对土壤DOC的影响及其机理,研究结果将对红壤侵蚀区生态恢复与重建技术如植物种的选择和林 下植被管理具有重要意义。

1材料与方法

 11研究区概况

研究区位于福建省西南部汀江上游的长汀县河田镇(2533’25048 7N116018’116031’E).属中亚热带 典型季风气候区,年均气温175192℃,极端最高气温与最低气温分别为398℃和一78℃。年均降雨量和 蒸发量分别为1730mm1403mm。年均Et照时数19246h,年均无霜期260d≥100C积温为4loo 4650C[14]。河田镇属长汀县最大的河谷盆地,四周被低山高丘所环抱,中部地势开阔,平均海拔400m左右, 土壤主要为燕山运动早期形成的中粗粒花岗岩发育的红壤,抗蚀抗冲性较差,地带性植被(常绿阔叶林)破坏 殆尽,现有植被主要以马尾松(Pinus massoniana)次生林和人工林为主,林下植被以芒萁(Dicranopteris dichotoma)为主。河田镇是全国极强度水土流失区之一,许多地方表土层丧失殆尽,植被恢复困难,据2003 土壤侵蚀遥感资料显示,河田镇的水土流失面积为1358683hm2,己经占到全镇总土地面积的4668%。

12样地设置

采用时空代换法,在河田镇选择土壤母岩均为花岗岩的未进行植被恢复的样地(YO)2001(Y10) 1981年进行了植被恢复的样地(Y30)(1)组成植被恢复年限序列。Y10Y30植被恢复前土壤的本底 条件与Y0基本一致,均为A层土壤流失殆尽,B层出露。

选择YOYIOY30的马尾松林,在每个马尾松林设置2种试验处理:即林下芒萁覆盖地(马尾松+芒萁与林下裸露地(马尾松)。在每个试验样地分别设立320mX20m的标准样方(18个标准样方),对芒萁 覆盖地和裸露地进行本底和生物量调查。

13研究方法

131土壤样品采集及处理

201112月下旬,在每个标准样方内,根据随机、等量、多点混合的原则,用内径5cm的取土钻按。010 102020—4040—60608080--100cm分层取土,取样在芒萁覆盖区与裸露区分别进行,遵循最邻近原则,即选取了芒萁覆盖区的取样点后,就以其边界的裸露区作为取样点。为了使取样更具代表性,所有土样均 由多点混合而成,每个土层的样品由5个取样点的土壤样品合成1份混合土样,每个处理取3个重复的混合 土样,每个恢复年限的试验地共36份混合土样,总共108份混合土样。取回的新鲜土壤样品迅速冷藏,取部 分土壤拣去石砾、植物根系与大于2ram的碎屑.然后在室内通风条件下风干,风干土样再进行研磨过 0149mm土壤筛,用于土壤理化性质、总有机碳等的测定;剩下过2ram土壤筛的新鲜土壤样品存于4℃冰箱 中,用于土壤可溶性有机碳,微生物生物量碳的测定。

132生物量测定

地上生物量测定:将标准样地分成410mXlom的亚样方,采用卷尺测量出每个亚样方内芒萁的高度, 然后随机选择其中一个亚样方,用割草刀齐地割取样方内所有芒萁枝叶,并将芒萁新鲜枝叶和枯枝叶分开,同时收集洒落地表的芒萁枯落物,用电子秤称出芒萁枝叶与枯落物的鲜重,再从中选取部分样品,同样称鲜重后 置于自封袋中.带回实验室在65C烘箱中烘干.计算出含水率和芒萁地上部分生物量,另保留一部分样品用 于植物淋溶实验。马尾松地上新鲜生物量采用马尾松异速生长方程(2)‘16],根据调查每个试验样地所得 的胸径、树高等数据,计算出马尾松叶、枝、干、皮的生物量[15 3;马尾松枯落物通过收集每个亚样方地表枯落物,同样选取部分生物量带回实验室处理,计算出生物量;同时用高枝剪在每个亚样方收集马尾松的鲜叶,与马尾松枯落物一并用于植物淋溶实验。

地下生物量测定:芒萁覆盖地区域,首先清理掉亚样方被割光芒萁地上茎叶的地表残留枯落物,然后挖取 lm深的土壤剖面,以20cmx20cm的面积为标准,按土层0—10102020—4040—6060—8080--100cm 分层切割出单位面积的土块,装入写好标签的塑料袋中带回实验室。将每个土块浸泡于水中,待土块溶解后用土壤筛洗出土块里面的植物根系,并分别挑出每一土层芒萁、马尾松的根系以及杂根,装人信封中,置于65C烘箱中烘干,得到根系干重,再根据土方面积,计算出芒萁与马尾松地下细根生物量:林下裸露地区域.去除裸露地表面枯落物,然后以同样方法得到马尾松地下细根生物量。

133芒萁和马尾松叶片DOM的淋溶

叶片淋溶分别称取相当于109干重的芒萁马尾松混合鲜叶、芒萁马尾松混合枯落物、马尾松鲜叶和马尾 松枯落物样品(混合叶片样品按照芒萁和马尾松不同恢复年限的叶片生物量比例取样),装人PVC(内径 58mm、高llcm、底部放置微孔滤膜和玻璃纤维)中,置于布氏漏斗之上,漏斗下方放置玻璃瓶收集淋溶液。然 后用200mL去离子水匀速淋洗PVC管内植物样品,待淋溶完之后用045Ixm微孑L滤膜过滤,同时用压力为 -009MPa的循环水真空泵进行抽滤处理,抽出的滤液置于尿杯中。

134分析方法

土壤有机碳含量采用土壤元素分析仪(Elementar Vario EL III,德国)测定;滤出液的DOC样品用总有机 碳分析仪(岛津TOC—VCPHEt)测定淋溶液中DOC浓度;土壤可溶性有机碳的测定采用:准确称量lOg 2mm土壤筛的新鲜土样,放人容积为50mL的一次性离心管中,加入40mL去离子水,先手动摇晃至水土充分 混合,之后在往复震荡机上震荡30min,并在4000r离心机上离心10min,将上清液倒人装有孔径为o45 I_Lm滤膜的过滤器中,同时用压力为一009MPa的循环水真空泵进行抽滤处理,抽出的滤液置于尿杯中,用总有机碳 分析仪测定浸提液中DOC浓度;微生物生物量碳的测定采用氯仿熏蒸法,同样采用总有机碳分析仪测定 KS0。浸提液的有机碳浓度,MBC换算系数为038[1引。

14数据分析

采用SPSS 190软件进行统计分析,运用最小显著差数法(LSD)进行同一恢复年限不同土层间基本理 化性质差异的显著性检验,独立样本t检验方法进行同一土层不同处理间的理化性质差异的显著性检验(= 005)。运用Pearson相关系数评价不同因子之间的相关关系,细根生物量和土壤DOC储量的关系用Origin 90进行拟合。相关图表均用Origin 90软件完成。图表中数据为平均值±标准差。

2结果与分析

2土壤可溶性有机碳的分布特征及其占总有机碳的比例

红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下芒萁覆盖地土壤DOC含量在各个土层均大于裸露地,且在0—20cm 层极显著大于裸露地(P005)。在Y0YIOY30中,表 (o20em)土壤DOC储量芒萁覆盖地分别是裸露地的186倍、176倍和216倍,深层(20--100cm)土壤 DOC储量芒萁覆盖地分别是裸露地的128倍、I08倍和130倍,说明芒萁覆盖对土壤表层DOC储量的影响 大于深层土壤(3)。不同植被恢复时期各试验地土壤DOCSOC的比例均在1%以下(2)。在垂直土 层分布上,林下芒萁覆盖地与裸露地土壤DOCSOC的比例均随土层深度的增加而升高。在所有土层,不 同植被恢复时期林下裸露地DOCSOC的比例均高于芒萁覆盖地,在Y0Y10Y30中,林下裸露地土壤 DOCSOC的比例分别是林下芒萁覆盖地的201倍、154倍和124倍。 22芒萁地上生物量淋溶液DOC对土壤DOC的影响 林下芒萁覆盖地(马尾松+芒萁)鲜叶和枯落物叶片淋溶液DOC含量在不同植被恢复时期均显著高于裸 露地(马尾松)(P<O01)。不同植被恢复时期,芒萁覆盖地枯落物淋溶液DOC含量高于鲜叶(P226倍、108倍和106(4),说明芒萁覆盖增加了地表生物量,提高了叶片淋溶液DOC储量,且芒萁枯落 物淋溶液对土壤DOC的影响更大。

23芒萁地下细根生物量对土壤DOC的影响

林下芒萁覆盖地和裸露地土壤细根生物量在不同植被恢复时期均随土层深度增加而减少(4)。在 Y0YIOY30中,林下芒萁覆盖地表层细根生物量分别是深层的756倍、345倍和359倍,而林下裸露地表层细根生物量分别是深层的578倍、455倍和572倍,说明在植被恢复初期芒萁覆盖增加了土壤表层的细根生物量,随植被恢复时间的增长,芒萁根系向土壤深层延伸,增加深层土壤根系生物量。t检验表明,芒萁覆 盖地的细根生物量显著高于裸露地(P<O01),且深层土壤细根生物量也具有显著差异性(P<0.05) 说明芒萁覆盖极大增加了土壤各土层的细根生物量,细根提供更多底物参与土壤物质与养分循环。从而影响土壤各 土层DOC的周转与积累。

24细根生物量及叶片淋溶液DOC与土壤DOC的关系

皮尔逊相关分析发现,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P<0.05)如图5,且随植被恢复年限的增加相关性显著增加;而林下裸露地在Y0中,土壤DOC与细根生物 量无显著的相关性,YIOY30的相关性均小于芒萁覆盖地;说明林下芒萁根系的垂直分布对土壤DOC储量 有显著的影响,且在植被恢复初期的贡献率更大。不同植被恢复时期,芒萁覆盖地鲜叶和枯落物淋溶液DOC 0—2080--100cm土层的土壤DOC均呈极显著的正相关关系(P<0.01), 与枯落物淋溶液DOC无显著相关性;说明林下芒萁覆盖地相对于裸 露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶;且在深层土壤,地下细根生物量相对于裸露地差异不明显,土壤DOC的来源可能是叶片淋溶液DOC在迁移过程中,受到该层矿物质的大量吸附得以储存。

25芒萁对土壤微生物生物量碳和微生物熵的影响

不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳(MBC)含量在不同土层均显著大于裸露地(P< 005)。随植被恢复年限的延长,表层土壤MBC含量增加幅度显著大于深层(P<005),说明林下芒萁对土壤表层MBC含量的影响大于深层(6)。各试验地,林下芒萁覆盖地土壤微生物熵均高于裸露地,说明相对于 林下裸露地,芒萁覆盖为土壤微生物提供了丰富的碳源,促进了微生物的生长和繁殖。土壤微生物熵随土层 深度的增加而降低,且Y0下降幅度大于Y10Y30。林下芒萁覆盖地与裸露地土壤微生物熵随植被恢复年 限的延长而增加,且覆盖地与裸露地差异性逐渐缩小(7)

3讨论

红壤侵蚀区植被恢复过程中林下芒萁覆盖地和裸露地土壤DOC的储量在空间和时间分布上差异显著, 芒萁覆盖地土壤DOC储量高于裸露地.且随植被恢复年限的延长差异更显著。土壤DOC主要来源于地上植 被叶片淋溶液DOC、新近凋落物、根系周转和分泌物以及微生物代谢[7]。土壤未分解层(Oi)输出的DOC 是分解层(0a)和半分解层(Oe)之和的15[1 8|,因此新近凋落物的添加引起土壤可溶性有机质的显著增 m]。林下芒萁生长区域相比于裸露地立地条件好,地表温度下降,土壤水分蒸发减少,容重下降,含水率增 加。地表植被覆盖率增加,凋落物生物量输入更为丰富。土壤中约80%的DOC来源于叶片淋溶液,特别是新 近凋落物层[2021],穿透雨使易溶解物质迅速淋溶到土壤中,使土壤DOC含量显著增加[22|。穿透雨DOC浓度 受树冠层结构和组成的影响,林冠结构越复杂,穿透雨中DOC浓度则越高[23I。在林下芒萁覆盖地,芒萁生物 量厚实,增加了地表植物覆盖度.从而使芒萁覆盖地叶片淋溶液DOC含量大于裸露地。有研究发现芒萁淋溶 DOC浓度和结构显著高于多数乔木植物叶片淋溶液。林下芒萁叶片会释放更多的DOC[20’“]。穿透雨淋溶 过程中.鲜叶和枯落物淋溶液DOC含量对土壤DOC储量的贡献也不同,叶片在凋落前有显著地氮磷养分回收。鲜叶在转向凋落物过程中,DOC流失较快,因此鲜叶的DOC含量大于枯落物[25I。但芒萁覆盖区,地上凋落物生物量显著大于芒萁鲜叶,因此芒萁枯落物淋溶液DOC含量对土壤DOC储量的贡献更大。当穿透雨通过土壤腐殖质层后,渗透水中DOC浓度提高.但渗透水由腐殖质层向矿质土层渗透时,DOC浓度降低,这主要与微生物的降解作用、土壤铁铝氧化物或氢氧化物、粘土矿物的吸附作用以及多价阳离子与DOC络合生成 难溶沉淀物有关[26【,其中土壤铁铝氧化物或氢氧化物、粘土矿物的吸附作用被认为是最主要的[27|

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