南亚热带不同退化/演替森林土壤生物群落变化及其生态(火用)研究

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南亚热带常绿阔叶林具有生物多样性高、生态系统服务功能强的特点,在调解生态平衡、改善自然环境和保障区域可持续发展方面发挥着重要的作用。华南地区是全球南亚热带常绿阔叶林重要分布区,但同时也是我国社会经济发展的重要先导区域,人口密度高、经济活跃、城市化进程快,量化揭示南亚热带常绿阔叶林结构与功能的演替规律,以及城市化进程中的退化规律,是科学制定区域森林保育与恢复策略、保障区域可持续发展的基本前提,具有重要的理论和现实意义。  土壤生物作为森林地下生态系统最活跃的部分,是联结地上植被与地下物质循环和能量流动的枢纽,在反馈和调控森林地上生态系统的结构、功能及过程等方面发挥着重要的作用;同时,土壤生物对环境波动敏感性强、反应迅速,是森林生态系统重要的结构与功能单元和研究森林对干扰响应生物类群。已有研究表明在森林演替与退化过程中,不同土壤生物类群变化方向与速率各不相同,土壤生物综合的演替与退化规律尚不清楚。  生态系统是开放的热耗散系统,其各种结构与功能项复杂的非线性发展动态背后可能遵循统一的生物热力学自组织规律。生态(炯)(Eco-exergy)等于系统内各种群生物量与储存在生物量内的物种遗传信息的乘积之和,可综合度量各生物类群整体的生物热力学组织程度和健康水平。  本研究以广东鼎湖自然保护区的南亚热带森林演替序列(季风常绿阔叶林—针阔混交林—针叶林),以及广州市城郊梯度上残存的南亚热带常绿阔叶林(远郊区大岭山—近郊区萝岗—城区蒲岗)退化序列为研究对象,量化分析南亚热带常绿阔叶林演替与退化序列上土壤微生物和土壤动物群落结构变化规律,进而运用生态(炯)(Eco-exergy)理论方法,量化揭示土壤生物群落生物热力学结构的综合演替与退化规律。主要结果如下:  (1)南亚热带森林次生演替进程中林下土壤微生物生物量不断增加;常绿阔叶林和针阔混交林林下土壤微生物量干季高于湿季,而针叶林表现为湿季高于干季;细菌在南亚热带森林林下土壤微生物群落中占有极大比重。土壤动物的类群数、个体数与生物量均随森林演替和季节变动而变化。干季,随着南亚热带森林演替的进展,土壤动物的生物量趋于增加;而湿季,次生演替初期的针叶林土壤动物生物量则显著高于演替中后期的混交林和阔叶林。但演替后期的阔叶林林下土壤动物生物量干湿季差异最小。总体上,针阔混交林的土壤动物个体数与类群数最多,南亚热带森林次生演替中期土壤生物物种丰富度最高。  (2)南亚热带森林演替进展中,土壤生物群落结构(炯)变化不显著,但演替中后期的混交林和阔叶林土壤生物群落的生态(炯)值相对更高,表征其生物热力学组织程度和健康水平更高。土壤生物群落的生态(炯)主要由大型动物决定,总生态(炯)的分配趋势与大型动物分配趋势相一致;而中小型土壤生物与大型土壤动物对结构(炯)的贡献均较大。随着演替的进行,土壤微生物对系统生态(炯)贡献不断提高,表明演替发展更倾向于土壤动物和土壤微生物之间的相互协调作用,而不是由单一类群主导的发展方式。南亚热带森林演替进程中,与林下土壤生物生态(炯)水平主要的相关因子是硝态氮、土壤含水率、有机质、乔木层生物量,此外,草本层、灌木层的植物生物量与土壤生物生态(炯)之间也具有一定的相关性。  (3)城市化会降低南亚热带常绿阔叶林土壤微生物群落生物量和生态(炯)水平,并加剧土壤微生物生物量的干、湿季差异。细菌是广州城郊梯度上残存南亚热带常绿阔叶林土壤微生物群落中的优势类群。适度的城市化干扰可增加南亚热带常绿阔叶林土壤动物类群数,并减小干、湿季差异。干湿两季,土壤动物类群数和个体数均以近郊区最高;其中,类群数目显著高于远郊区与城区;同时近郊区个体数与类群数的干湿季无显著差异,而远郊区与城区则是干季显著高于湿季。  (4)综合而言,城郊梯度上,近郊区和城区残留的南亚热带常绿阔叶林土壤生物群落的生态(炯)与结构(炯)值均高于远郊区的水平,后两个森林土壤生物群落的生物热力学组织程度更高,而远郊区大岭山森林植被与土壤生物群落的生物热力学组织程度与健康水平均有待进一步提高。残留的南亚热带常绿阔叶林下土壤生物群落生态(炯)主要由大型土壤动物贡献,而中小型土壤动物则是结构(炯)的主要贡献者,大型动物与中小型动物分别在南亚热带森林地下生态系统结构稳定性和复杂性的维持中发挥主要作用。不考虑生命周期,土壤微生物对于土壤生物群落生态(炯)与结构(炯)值的贡献较小。城郊梯度上土壤生物群落生态(炯)水平可能的主要相关因子是土壤含水率、有机质、铵态氮、硝态氮,以及草本层、灌木层的植物生物量等。  (5)南亚热带常绿阔叶林土壤生物群落生物热力学组织程度与健康水平较高,但如果保护不良,土地利用性质后的恢复难度亦较大,开展利用需谨慎。
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