齿肋赤藓死亡对荒漠表层土壤水分和养分动态特征的影响

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荒漠藓类植物作为生物土壤结皮的重要组成部分,在增强土壤稳定性、提高土壤水分和养分含量、减轻沙面侵蚀以及促进维管束植物的定居和建立等方面发挥着重要的作用,具有重要的生态功能。然而,全球气候持续变暖、降水格局发生显著变化,作为荒漠生态系统健康指示种的藓类植物已出现不同程度的死亡,显著影响了荒漠地表的水文过程和养分循环。但藓类植物死亡后如何影响荒漠表层土壤的水分和养分,这种影响是否会随藓类植物死亡时间呈动态变化?等系列科学问题还不清楚。为解决此科学问题,本文以古尔班通古特沙漠为研究区,以优势藓类植物齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)死亡后的表层土壤为研究对象,通过连续监测不同土层土壤含水量和温度、测定土壤碳、氮和磷养分含量以及碳氮磷养分循环相关酶活性,分析齿肋赤藓死亡后土壤水分、温度和养分含量及相关酶活性随时间的变化特征,探究齿肋赤藓死亡后影响土壤养分变化的关键因素,以期为荒漠生态系统的稳定和多功能性的维持提供科学数据。齿肋赤藓死亡显著抑制了土壤水分的入渗和蒸发,降低了表层土壤的含水量。对全实验周期的监测结果显示,齿肋赤藓死亡后0-2 cm和2-5 cm层土壤含水量显著低于自然对照,但5-10 cm层土壤含水量高于对照,这可能与藓类植物死亡结皮层孔隙度降低有关。通过对不同降雨事件的分析发现,藓类植物死亡显著降低了3 mm、5 mm、8mm降水及春季融雪水的水分入渗,且随着降雨量的减少对水分入渗的抑制越明显。在土壤温度方面,齿肋赤藓死亡降低了春夏季节0-2 cm和2-5 cm层以及冬季10-20 cm层土壤温度,这可能归因于齿肋赤藓植株死亡后颜色由黑变红,热量吸收减少。齿肋赤藓死亡显著提高了荒漠表层土壤碳、氮、磷养分含量。齿肋赤藓死亡显著增加了0-2 cm和2-5 cm层土壤全碳含量和0-2 cm层土壤全氮、硝态氮含量,土壤全磷、速效磷含量随死亡时间的增加呈先下降后上升的趋势。在元素计量特征方面,藓类植物死亡后土壤的C:N、C:P及N:P值均显著高于自然对照。但藓类植物死亡一年内,对土壤碳、氮、磷养分含量及计量特征的影响均集中在0-2 cm和2-5 cm,对5 cm以下土壤的影响不显著。此外,与对照相比,藓类植物死亡后对土壤碳、氮、磷养分含量影响主要集中在11月与3月,这可能与该时期土壤含水量较高促进了死亡藓类植物残体降解、养分周转加速有关。同时,养分与环境因子的相关性分析表明,齿肋赤藓死亡后土壤p H、含水量、电导率和温度作为关键的环境因子与各养分指标间相关性发生巨大变化,特别是土壤含水量在齿肋赤藓死亡后与碳氮养分显著正相关,造成了土壤碳氮磷养分间耦合关系的改变。齿肋赤藓的死亡显著改变了碳氮磷循环相关酶活性。通过对比碳(β-葡萄糖苷酶和过氧化物酶)、氮(硝酸还原酶和脲酶)、磷(碱性磷酸酶和酸性磷酸酶)循环的6种相关酶活性,发现齿肋赤藓死亡显著提高了2-5 cm层的过氧化物酶、0-2 cm层的硝酸还原酶和碱性磷酸酶活性,显著降低了0-2 cm和5-10 cm层过氧化物酶活性,对土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶无显著影响。与养分结果一致,活藓类结皮与藓类植物死亡结皮的差异在初冬的11月和初春冻融季的3月最为明显,夏季相对较低。相关性分析也可以看出,土壤含水量与电导率是影响碳氮磷相关土壤酶活性的重要因素。综上所述,齿肋赤藓死亡显著抑制了表层土壤的水分入渗和蒸发过程,导致土壤含水量降低。与自然对照相比,藓类植物死亡提高了表层土壤的碳、氮、磷等养分含量和相关酶活性。因此,荒漠藓类植物死亡显著改变了表层土壤的水文过程和养分循环。这为深入认识荒漠藓类植物死亡对表层土壤环境的影响提供基础数据,为全球变化背景下荒漠生态系统生物多样性的保护和生态系统多功能性维持提供科学依据。
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