论文部分内容阅读
湿地是地球生态系统的重要组成部分,湿地土壤有机碳库是全球最大的碳库之一,在全球碳循环中扮演重要角色。目前,中国政府提出了2030年碳达峰、2060年实现碳中和的目标,积极推进并实施生态保护与修复工程。由于土壤有机碳周转变化而引发碳源/汇的改变会对全球气候变化起着重要作用,而湿地覆被/利用类型会对土壤有机碳的周转与稳定产生有重要影响,因此不同类型湿地土壤固碳特征成为当前科学研究的热点。本文以位于暖温带与北亚热带的过渡地带的洪泽湖淮河交汇区湿地自然植被类型(湖草滩、芦苇滩)、人工利用林地(杨树林,柳树林)、人工生产用地(稻田、养殖塘)的土壤为研究对象,采用传统化学方法结合Arc GIS地理统计分析、CP/MAS 13C-NMR技术和高通量测序等现代技术,研究该区域的土壤有机碳分布特征,重点剖析各种不同湿地覆被/利用类型下土壤有机碳粒径和密度组分、化学成分特征以及微生物群落结构特征,分析不同湿地覆被/利用类型下土壤有机碳含量和质量与土壤物理组、土壤有机碳化学成分、和微生物群落结构的关系,旨在探明湿地不同土地覆被/利用类型对土壤有机碳分布并揭示其与环境因子的关系,为合理开发和利用、恢复和保护湿地,加强湿地生态固碳提供一定的理论依据。主要结果如下:(1)洪泽湖河湖交汇区不同区域和不同土地利用的土壤有机碳分布特征有明显的差异,并且受土壤理化性状的影响。洪泽湖河湖交汇区湿地0-20 cm土层的土壤有机碳密度介于1.26-5.21 kg/m2之间,储量介于3048.11-82772.5t之间;20-40cm土层土壤有机碳密度介于0.51-3.41kg/m2之间,储量介于1931.28-60137 t之间,0-40 cm土层土壤有机碳密度介于1.76-8.11 kg/m2之间,储量介于4979.39.11-142910.27 t之间。土壤有机碳密度最高为杨树林,最低为湖草滩,储量最高为养殖塘最低为芦苇滩,其值范围与中国长江中下游地区湿地土壤有机碳密度差异不大。各类型土壤有机碳密度和储量有机碳均随深度增加呈减少趋势。洪泽湖河湖交汇区湿地的理化因素受外界干扰的差异不大,没有出现强变异系数。通径分析得出环境因素对0-20 cm土层的土壤有机碳影响的综合排序最高为植物物种数,对20-40cm土层的土壤有机碳影响的综合排序最高为土壤总氮(TN)。(2)洪泽湖河湖交汇区不同覆被类型样地的土壤粒径组分和密度组分与有机碳含量和质量有密切相关。0-20 cm土层的杨树林(10.22g/kg)、柳树林(10.05g/kg)和农田(9.65g/kg)土壤总有机碳含量均显著高于其他样地,芦苇滩的土壤总有机碳含量(4.64g/kg)显著低于其他样地。20-40 cm土层,柳树林的土壤总有机碳含量(9.64g/kg)在六种样地类型中最高,农田土壤总有机碳含量(3.97g/kg)和芦苇(3.04g/kg)显著低于其他样地。这表明农田虽然能增加土壤0-20cm土层有机碳含量,但在20-40cm土层的土壤有机碳含量下降迅速,有机碳消耗很快。农田的土壤粒径组分中大粒径的土壤有机碳含量最高,而小粒径土壤有机碳含量最低,同样说明其有机碳不易固持。而柳树林土壤有机碳在两层含量及小粒径土壤有机碳含量相对较高,表明柳树林对土壤有机碳具有较强的固持和保护作用。而土壤轻组组分有机碳分布情况均低于重组组分。0-20 cm土层的46.39g/kg~105.50g/kg,;20-40cm土层的土壤轻组组分(LFOC)有机碳含量为29.39~60.50g/kg。0-20 cm土层的土壤重组组分(HFOC)有机碳含量为2.49~5.6g/kg。两个土层农田的土壤重组组分(HFOC)有机碳含量均为最低。通过相关性分析发现显示,0-20 cm土层的土壤200-2 000μm粒径组分的有机碳含量与土壤总有机碳含量呈极显著的正相关(P<0.01),20-40cm土层的土壤<2μm和200-2 000μm粒径组分的有机碳含量与土壤总有机碳含量呈极显著的正相关(P<0.01),这表明不同土层土壤总有机碳的主要输入来源是不一致的。(3)洪泽湖湿地不同土地覆被/利用类型土壤总有机碳的核磁共振的信号强度分布和有机碳官能团13C NMR结构特征不一致。洪泽湖湿地不同土地覆被/利用类型土壤总有机碳的核磁共振的信号强度分布不一致。0-20cm土层柳树林和杨树林、农田土壤中烷氧碳在全土碳官能团中的比例(35%-42%)高于湖草滩、芦苇滩土壤(23%、25%)。0-20cm土层芦苇滩腐殖化指数最高,杨树林最低。20-40 cm土层中柳树林和杨树林烷氧碳柳树林、杨树林下降最多,均减少了20%。说明柳树林、杨树林土壤中烷氧碳易被消耗。土壤不同密度组分的核磁共振的信号强度随着湿地类型和土层深度变化而差异显著。在0-20 cm土层中,烷氧碳的比例在轻重组分中均按以下顺序递减:柳树林>杨树林>农田>湖草滩>芦苇滩>养殖塘。LFOC中腐殖化指数为养殖塘最高(0.8675),其次是芦苇(0.8333)。各样地HFOC的腐殖化指数均高于LFOC,各样地HFOC的腐殖化程度最高为湖草滩(1.4454),柳树林最低(0.6857)。20-40 cm土层的轻重组分中烷氧碳比0-20 cm土层的烷氧碳均有下降趋势。LFOC中腐殖化指数最高为湖草滩(2.4615)。20-40 cm土层的腐殖化指数不论在轻组分中还是重组分比0-20 cm土层的比例均有上升趋势。总体来看,人工种植的柳树林和杨树林、人工生产用地农田的土壤全土、200-2000μm粒径组分碳官能团中的比例和轻组碳烷氧碳均显著高于湖草滩和芦苇滩土壤,说明这三种类型的有机质输入高于其他湿地类型。对不同粒径组分的有机碳含量百分比和腐殖化指数进行相关分析发现随着土壤粒径大小的减小,腐殖化指数的比例提高,土壤有机碳的稳定性越高,湖草滩土壤有机碳腐殖化指数高于其他湿地类型,说明湖草滩湿地类型化学结构稳定性较其他湿地高。(4)洪泽湖河湖交汇区不同湿地覆被/利用类型0-20cm、20-40cm土层全土、粒径组分中变形菌门(Proteobacteria),酸杆菌门(Acidobacteria)是样地土壤细菌的主要优势种群。0-20cm、20-40cm土层土壤样品中细菌群落的Shannon指数均为芦苇滩最高,杨树林最低,说明土壤微生物多样性并不是土壤有机碳含量提高的因素。洪泽湖河湖交汇区经过人工林的种植有机碳含量明显增加,但微生物的种类和多样性并没有随着有机碳的增加而增多,由此可见,某些特定门类的微生物影响了土壤有机碳的增减。各样地0-20cm、20-40cm土层的土壤样品中湖草滩和芦苇滩土壤细菌群落、农田和养殖塘土壤细菌群落、柳树林和杨树林土壤细菌群落各自聚成一族群。洪泽湖河湖交汇区不同湿地覆被/利用类型0-20cm、20-40cm土层全土、粒径组分中子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)是土壤真菌的主要优势种群。各样地0-20 cm土层的土壤样品中真菌群落的observed species、Chao1指数均为养殖塘>农田>湖草滩>芦苇滩>杨树林>柳树林,真菌群落的Shannon指数为养殖塘>湖草滩>芦苇滩>农田>杨树林>柳树林。各样地0-20cm、20-40cm土层的土壤样品中真菌样本OTU聚类结果均为柳树林和杨树林土壤真菌群落、芦苇滩和湖草滩土壤真菌群落、养殖塘和农田土壤真菌群落相似度高。微生物群落结构与土壤理化性质RDA分析显示,细菌中的酸杆菌门(Acidobacteria)和真菌中的担子菌门(Basidiomycota)对土壤<2μm,2-63μm,63-200μm的粒径组分有机碳分布影响很大。