子午岭天然辽东栎群落恢复影响土壤性质的过程和机制

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:zhuanghaiyang
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全球气候变化正在深刻改变着人类的生存环境。植被恢复已成为人类应对全球气候变化、减小对环境影响的最有效途径之一。植被具有调节气候、涵养水源、改良土壤和提高碳汇等多种功能,系统研究植被恢复及其对土壤性质的影响是科学评价植被恢复对环境的影响的主要手段。目前,相关领域尚缺乏对天然林在长时间恢复中对深层土壤,尤其不同粒径土壤团聚体中土壤性质影响的系统研究。对此,本文采用空间代替时间的方法,以黄土高原退耕草地为对照,以自然恢复30、60、90和120年辽东栎林林地为研究对象,系统研究了辽东栎林恢复中群落特征(不同器官凋落物特征和不同径级根系特征等)的变化及其对0-80cm土壤剖面上土壤理化性质、土壤养分含量及其化学计量特征、土壤微生物群落特征、土壤团聚体平均重量直径(MWD)、不同粒径团聚体中不同活性有机碳含量[高活性碳(HAC)、活性碳(AC)和惰性碳(IC)]和球囊霉素相关土壤蛋白(总球囊霉素相关土壤蛋白,T-GRSP;易提取球囊霉素相关土壤蛋白,E-GRSP)含量等土壤关键因子的影响,并分析了各因子之间的相互作用。主要结果如下:  (1)随着辽东栎林恢复年限的增加,辽东栎群落生物量和枯落物生物量均显著升高。在表层(0-20cm)土壤剖面,四级根系(<0.5mm;0.5-1mm;1-2mm;>2mm)总生物量、总根长密度和总根面积密度均为增长趋势,增长速率依次是0.56kg·m-3·yr-1、0.17cm·m-3·yr-1和0.08cm2·m-3·yr-1。下层(60-80cm)土壤剖面,总生物量、总根长密度和总根面积密度均为增长趋势,增长速率依次是0.71kg·m-3·yr-1、0.08cm·m-3·yr-1和0.01cm2·m-3·yr-1。随着土层加深,>2mm径级根系生物量所占比例增加最快,而<0.5mm径级根长密度和>2mm径级根表面积密度所占比例下降最快。  (2)随着辽东栎林恢复年限的增加,土壤剖面团聚体含量呈现不同趋势。表层土壤剖面中土壤大团聚体重量百分含量增加,从30到120年增加速率为0.10%·yr-1,而微团聚体和粉黏粒团聚体下降速率分别是0.06%.yr-1和0.04%·yr-1。下层土壤剖面,土壤大团聚体含量以0.07%·yr-1速率增加,而微团聚体和粉黏粒团聚体下降速率分别是0.04yr-1和0.03%·yr-1。另外,随着土层加深,在对照、30、60、90和120年林龄植被中,下层大团聚体重量百分含量比表层分别降低了26.02%、24.78%、21.54%、36.80%和19.77%。  (3)随着辽东栎林龄的增加,表层土壤易提取碳(EC)、易提取氮(EN)和易提取磷(EP)含量升高最显著,提高速率依次为0.03g kg-1yr-1、0.005g kg-1yr-1和0.001g kg-1yr-1,即碳氮磷有明显活化现象;深层土壤中,土壤SC、SN和EP变化最大,变化速率依次为0.004g kg-1yr-1、-0.0003g kg-1yr-1和0.0003g kg-1yr-1,即固碳量逐渐增加,氮和磷也均被活化。随着土层加深,土壤SC、EN和EP含量显著下降,其表层含量依次为深层的8.38倍、7.23倍和1.21倍,即土壤固碳、活化氮和磷的能力逐渐减小。另外,土壤C/P比值在土壤剖面上降低最显著,表层土壤C/P比值是下层的6.51倍。土壤C/N随林龄的变化最显著,表层土壤C/N随林龄的增加而显著升高。  (4)随着辽东栎林恢复时间的增加,在表层土壤中对照、30、60、90、120年辽东栎林中微生物碳分别为259.63、561.55、458.48、321.31和606.75mg·kg-1;微生物氮依次是48.81、140.08、77.56、66.88和131.12mg·kg-1。土壤微生物碳下层比表层依次下降了45.03%、79.23%、68.70%、59.08%和58.60%;微生物氮比表层分别下降了69.19%、94.52%、60.87%、64.05%和70.31%。整个土壤剖面微生物优势种为革兰氏阴性菌(N)和革兰氏阳性菌(P),其中表层土壤中,细菌/真菌、细菌/放线菌、真菌/放线菌和N/P微生物量比值从30-90年林龄依次降低幅度为13.30-11.65、13.29-9.12、10.55-2.56和2.10-1.00,下层上述参数分别降低了12.97-12.32、13.22-8.17、7.50-2.97和2.84-1.51。说明随着植被演替,上层和下层土壤中细菌相对于真菌、真菌相对于放线菌以及N相对于P降低。  (5)随着辽东栎林恢复时间的增加,在表层土壤剖面,大团聚体高活性碳、活性碳和惰性碳含量在60年比对照显著升高,依次升高了62.32%、77.41%和132.88%;下层土壤剖面,大团聚体高活性碳、活性碳和惰性碳含量在120年出现了最大值,比对照分别升高了30.93%、31.71%和85.84%。随着土层加深,大团聚体高活性碳、活性碳和惰性碳下降速率分别为0.016g·kg-1·cm-1、0.0089g·kg-1·cm-1和0.0793g·kg-1·cm-1。在表层和深层,惰性碳与团聚体稳定性之间的相关系数均最大,分别为0.52和0.42,说明惰性有机碳含量对团聚体稳定性影响最大。  (6)在辽东栎林植被恢复的土壤中,表层土壤剖面中大团聚体和微团聚体团聚体中T-GRSP含量增长速率较快,分别是0.004g·kg-1·yr-1和0.006g·kg-1·yr-1;深层土壤剖面,大团聚体和微团聚体T-GRSP增速依次是0.006g·kg-1·yr-1和0.008g·kg-1·yr-1。另外发现,T-GRSP对团聚体稳定性作用最大,团聚体平均重量直径和大团聚体T-GRSP相关系数最高为0.66。随着土层的加深,土壤大团聚体和微团聚体T-GRSP下降显著,表层浓度是下层的1.20倍和1.46倍。  (7)土壤团聚体稳定性受微生物和植物等因素影响。通径分析表明,表层土壤团聚体稳定性主要受微生物氮和碳含量等因素影响,微生物氮和碳含量对MWD通径系数为50.91和19.21;而深层土壤中,团聚体稳定性主要受>2mm径级根系生物量和土壤C含量对MWD的作用较大,通径系数为0.10和0.07。  (8)不同粒径团聚体中不同活性碳含量受不同因子的影响。在表层土壤剖面中,大团聚体中高活性碳含量主要受微生物氮和碳含量影响较大,通径系数分别为50.87和1.03;大团聚体活性碳含量主要受0.5-1mm和1-2mm径级根系生物量作用较大,间接通径系数分别为3467.35和2580.94;大团聚体惰性碳含量主要受0.5-1mm和1-2mm径级根系生物量影响最大,通径系数分别是1707.34和1224.89。在深层土壤剖面中,大团聚体高活性碳含量主要受>2mm和1-2mm径级根系生物量影响较大,通径系数分别是1.19和0.54;大团聚体活性碳含量主要受革兰氏阴性菌和微生物碳含量影响较大,通径系数0.08和0.02;大团聚体惰性碳含量主要受>2mm径级生物量和土壤碳含量作用较大,间接通径系数为1.57和0.9。  (9)影响不同粒径团聚体中球囊霉素相关土壤蛋白含量的因子不同。在表层土壤中,土壤大团聚体中T-GRSP主要受土壤碳和易提取碳的影响较大,间接通径系数0.01和0.0021;大团聚体E-GRSP主要受1-2mm和0.5-1mm径级根系生物量影响较大,间接通径系数为0.11和0.08。深层土壤中,土壤大团聚体中T-GRSP主要受>2mm径级根系生物量和微生物氮含量影响较大,间接通径系数0.09和0.05;大团聚体E-GRSP主要受土壤碳和易提取碳含量影响较大,间接通径系数为0.01和0.002。  本研究表明,随着辽东栎林的自然恢复年限的增加,植物群落生物量持续增加,土壤中活性C、N、P含量总体上提高,土壤团聚体稳定性持续增加,大团聚体、微团聚体和粉黏粒团聚体中惰性碳、T-GRSP持续升高。说明植被恢复能有效促进土壤养分提高、团聚体的形成、土壤有机碳尤其大团聚体中有机碳的固定。本研究结果对天然林恢复提供了基础数据,为区域森林经营管理提供了一定的理论指导和技术支持。
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