泥炭沼泽水位调控对土壤活性有机碳组分的影响研究

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全球变暖及干旱、排水引起水位下降已经导致全球11%的泥炭沼泽退化,使得泥炭沼泽原本稳定的碳循环过程发生改变。水位条件与泥炭沼泽的形成和发育过程密切相关,是退化泥炭沼泽恢复过程中最重要的环境要素,决定着碳循环各个关键过程的作用机制与强度。作为长白山地区典型的泥炭沼泽湿地,白江河泥炭沼泽具有净化水质、调节径流和改善微气候等生态系统服务功能,但上世纪八十年代末和九十年代初,当地政府对该泥炭沼泽实施了大面积的排水造林工程,排水后泥炭沼泽发生了明显的退化,这为退化泥炭沼泽生态功能与恢复的研究提供了理想环境。本文以白江河泥炭沼泽自然区和排水区为研究对象,通过野外原位监测与室内水位控制实验,分析自然区和排水区土壤理化性质、活性有机碳组分以及酶活性,揭示在不同水位调控措施下土壤活性有机碳组分的变化规律,并以水位条件、含水量(SWC)、土壤p H、养分及酶活性为环境变量,探讨排水及水位恢复过程中泥炭沼泽土壤活性有机碳组分的变化机制。主要结论如下:(1)泥炭沼泽排水后土壤活性有机碳组分含量及其分配比例发生显著变化,且不同活性有机碳组分对排水的响应不同。排水区土壤有机碳(SOC)含量和易氧化有机碳(EOC)含量的平均值分别为400.23 g/kg和68.27 g/kg,显著高于自然区(378.55 g/kg和61.68 g/kg),而土壤微生物量碳(MBC)含量显著低于自然区。排水区0-20 cm和100-135 cm土壤可溶性有机碳(DOC)显著低于自然区,而50-100 cm土壤DOC含量则高于自然区(p<0.05)。泥炭沼泽排水后土壤SOC的转化速率下降且可利用性降低。排水区土壤EOC分配比例(EOC/SOC)高于自然区,而土壤MBC分配比例(MBC/SOC)低于自然区,排水作用影响泥炭沼泽土壤SOC的稳定性,不利于土壤SOC的累积。排水作用下土壤活性有机碳组分的影响因子较为复杂,包括土壤碳氮比(C/N)、全氮(TN)、多酚氧化酶(PPO)和SWC,其中C/N、TN、SWC与土壤DOC呈负相关,与其它活性有机碳组分呈正相关,而土壤PPO酶活性与土壤DOC呈正相关,与其它活性有机碳组分呈负相关。(2)排水作用降低土壤SOC的稳定性。模拟排水与野外排水后土壤活性有碳组分的变化具有一致性,土壤MBC含量及其分配比例降低,而水位波动形成的动态氧环境促进土壤MBC含量的增加,可能减弱土壤SOC的损失。模拟排水后土壤DOC含量及其分配比例增加,水位波动条件较排水条件更利于土壤DOC的释放。排水作用影响土壤微生物活性,降低土壤SOC利用率与周转速率。土壤SWC和水解酶β-1,4-N-乙酰葡萄糖胺糖苷酶(NAG)是影响土壤活性有机碳组分变化的关键因素。土壤SWC与MBC含量及其分配比例呈显著正相关,而与DOC含量及其分配比例呈显著负相关(p<0.05)。水解酶NAG与EOC、MBC及其分配比例呈显著负相关(p<0.05)。排水作用导致土壤水分含量降低,NAG酶活性发生改变,从而影响土壤活性有机碳的动态变化。(3)水位恢复有利于提高土壤SOC的稳定性。排水区模拟水位恢复后0-20 cm土壤MBC、DOC含量及其分配比例均有明显的增加,且水位恢复比水位波动对土壤MBC含量的影响更显著。模拟水位恢复后,0-20 cm土壤EOC含量及其分配比例显著降低,水位恢复提高微生物活性,促进微生物对土壤SOC的利用,同时增强土壤SOC的水溶性,降低土壤SOC氧化速率,使得土壤SOC的稳定性提高,利于土壤SOC的积累。土壤氧化酶PPO是影响活性有机碳组分变化的主要因子,氧化酶PPO与土壤EOC含量及其分配比例呈显著的负相关关系(p<0.05)。水位恢复能够提高土壤氧化酶PPO活性,促进酚类有机分解,从而影响土壤EOC含量。在水位恢复过程中持续水淹较波动条件更有利于土壤SOC的积累。自然区与排水区土壤活性有机碳组分及其分配比例具有明显差异,水位变化导致的土壤理化性质和酶活性的改变是影响泥炭沼泽活性有机碳组分的主要因素。本研究有助于明晰退化泥炭沼泽及其恢复过程中水位变化对土壤活性有机碳的影响机制,深入理解土壤氧化酶-有机碳组分-水解酶活性之间的关系,为退化泥炭沼泽的碳汇功能提升提供理论依据,同时为气候变化背景下长白山区域碳收支评估提供基础数据和理论支撑。
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