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生物结皮在不同土壤和植被生境下土壤性质的影响分析研究

2020-02-28 194 上传者：管理员

摘要：作为干旱和半干旱地区重要的生物组分的生物结皮，对该区域生态过程中的生物地球化学循环起着非常重要的作用，本次以陕北水蚀风蚀交错区的生物结皮为例,对本区域的两种土壤和三种植被生境下生物结皮对土壤性质的影响。最终结果显示：各土壤性质指标的变化存在明显差异(p<0.05);(2)3种植物群落生境下结皮层各土壤性质指标的变化差异不明显,表明结皮层内生物结皮生态功能作用是影响结皮层土壤性质的主导原因；(3)3种植物群落生境0-10cm土层的土壤性质如C、N、C/N、Mg、Mn、δl8C和δI5N等指标变化，存在显著差异(p<0.05),但风沙土油蒿和小叶杨群落生境下所有调查的土壤性质指标间均无显著差异,这表明样地间0-10cm土层土壤性质差异的主要是土壤类型自身特性受到的影响;(4)不同植被和土壤生境下的结皮层和0-10cm样品间的空间排序差异显著,表明土壤性质间的差异依赖于生境下多因素的综合作用,生物结皮、土壤类型和植被是预测该区域表层土壤空间异质性的重要因素。

关键词：
土壤性质
土壤类型
植被类型
水蚀风蚀交错区
生物结皮
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生物土壤结皮(简称生物结皮)是干旱半干旱生态系统中广泛分布的重要生物资源[1],因其具有复杂的抗逆性和多生态功能性的生物组成,以及其所处的土壤系统与大气系统进行物质能量交换的一个重要的“生物界面”[2],其在该区域的生物地球化学循环过程中发挥着重要作用[3-6]。黄土高原的陕北水蚀风蚀交错区自然地理环境相对恶劣,加之长期受人类活动(农牧、采樵、矿产开发等)影响,是我国生态环境最脆弱的地区之一。生物结皮属该区域重要的生物组分,对该区域的生态过程具有重要的影响。关于该区域生物结皮的研究已有一些报道,如生物结皮的组成结构[7]、空间分布[8-10]、光谱特征[11]、抗侵蚀特性[12-14]、土壤作用效应[15-16]等方面进行研究,但从该区域土壤类型和植物群落复合作用生境下生物结皮对土壤性质影响方面的研究却鲜有报道。本文通过对陕北水蚀风蚀交错区小流域内土壤类型和植被群落自然组合样地为“天然的试验材料”,探讨生物结皮生长在不同土壤和植被生境下,对土壤性质影响的特征,为该区域生物结皮生态服务功能研究和土壤质量评价等方面提供科学依据。

1、研究区概况

六道沟流域位于陕北神木县以西12km处(东经110°21'—110°23',北纬38°46'-38°51'),流域面积为6.89km2。主沟道呈南北走向,属窟野河二级支流。整个流域可分为东西两半,西侧是以风沙土为主多为固定沙丘,东侧大部分为黄土覆盖,二者分别约占流域总面积的13.5%和86.5%。流域内沟壑密度6.45km/km2(长度大于100m沟道),海拔1094~1274m,多年平均降水量约为430mm,年潜在蒸发量超过1000mm,剧烈的水蚀与风蚀导致生态环境严重退化,土地沙漠化风险增高。该流域位于黄土高原向毛乌素沙地过渡区,属森林草原向典型干草原过渡的中间地带,也是我国北方农牧业过渡地区,其自然条件的过渡特征十分明显[17]。流域内无剧烈干扰的土地上均有不同程度的生物结皮发育,藓结皮占绝对优势,芦荟藓(和短喙芦荟藓(为先锋优势种,发育稳定的生物结皮以尖叶对齿藓为优势种[7]。

2、材料与方法

2.1 试验设计与样地调查

试验于2013年5月中旬在神木县六道沟小流域内选取了长芒草、油蒿、小叶杨3种典型植被群落,以农田(Farm-land,Fl)为对照样地;其中长芒草和农田的土壤类型为黄土,油蒿和小叶杨的土壤类型为固定沙地的风沙土。在每块样地内,随机选取植被长势良好且具有代表性的10个50cm×50cm样方法进行调查。调查内容包括生物结皮组成、分布、厚度、生物结皮退化度等生物结皮指标,植物的种类、个体数、盖度、高度及枯落物的盖度、厚度、生物量等植被指标(表1)。在每个调查样地内随机选取10个土壤采样点,取样点主要分布在植株间空地和植株冠幅投影的边缘到中间位置,每个土壤采样点分结皮层和结皮下层0-10cm采集10点混合土样,每个样地共采集2个样品(出于农耕地受到每年耕作翻地的影响的考虑,对照样地仅采集表层0-1cm土层土壤),共采集26个样品。

表1 样地基本信息

2.2 土壤样品理化分析

碳和氮元素采用碳氮元素分析仪测定;电导率采用水土比1∶5电极法测定;pH采用水土比1∶2.5电极法测定;土壤颗粒组成分析采用MS2000型激光粒度测量仪测定,该仪器测量范围0.02~2000μm,重复测量误差<2%。水溶性金属离子Na、K、Mg、Ca、Fe、Mn测定采用去离子水浸提(水土比1∶5),浸提液经0.45μm水系滤膜过滤,原子吸收分光光度计测定(日本岛津公司,AA6800F/GFA-EX7);叶绿素组分测定采用95酒精(水土比1∶9)浸提,浸提液经0.45μm滤膜过滤,采用岛津UV2600紫外分光光度计测定光合色素质量浓度,95乙醇作为空白,分别测定浸提液在470,649,665nm波长下的吸收值(Abs值),利用公式(1)~公式(4)分别计算叶绿素a(Chl-a)、叶绿素b(Chl-b)、类胡萝卜素(Caro),光合色素含量(μg/g)[18],计算公式为:

式中:ρ为浸提液中色素浓度含量(mg/L);V为浸提液体积(mL);N为稀释倍数;m为样品重量(g)。稳定性同位素碳(δ13C)和氮(δ15N)测定采用元素分析仪和同位素质谱联用仪(DeltaVAdvantage,Thermo-FisherScientific,德国)。同位素比率用样品的同位素比值相对于标准样品的同位素比值,计算公式[19]为：

式中:R样品和R标准分别为样品和标准的13C/12C15N/14N的自然丰度比值,其中碳同位素标准采用国际通用标准样品美国南卡罗来纳州碳酸盐陨石PDB,氮同位素标准采用国际通用标准样品空气中氮气。

2.3 数据统计运用

SPSS22.0软件单因素ANOVA对土壤性质指标进行单因素方差分析和LSD多重比较;采用配对样本T检验进行结皮层与0-10cm土层间的土壤理化性质差异显著性检验;采用独立样本T检验对不同植被或不同土壤类型间土壤理化性质差异显著性检验。应用R3.5.0语言的Vegan软件包进行基于不同样品土壤性质的冗余分析(RedundancyAnalysis,RDA),对样品进行空间排序及各指标相关显著性检验,并运用SigmaPlot12.3结果与分析3.1不同土壤和植被生境下生物结皮土壤指标的统计分析研究区域不同土壤和植物群落生境下生物结皮土壤性质各指标变化存在一定差异,统计分析结果表明,这种差异是受到土壤本身性质差异的显著影响;同时,生物结皮可显著地改善结皮层的土壤性质(表2)。独立样本T检验结果表明,黄土区的长芒草群落(Sb)与风沙土区的油蒿群落(Ao)和小叶杨群落(Ps)间土壤性质的土壤颗粒组成、土壤碳氮元素的总量、碳氮比、以及δ13C和δ15N均有极显著差异,结果一方面反映出土壤类型是土壤指标间差异的重要背景因素,同时,生物结皮的生态功能也可显著影响不同土壤类型的土壤性质,如相对于0-10cm土壤理化性质的极显著差异(p<0.05),Sb与Ao在结皮层的黏粒含量,土壤的C、N、C/N及δ15N,水溶性金属元素Mg间差异不显著,这表明生物结皮对2种土壤性质的改善作用显著,可消除土壤类型本身性质的背景差异。

表2 不同植物群落和土壤类型生境下生物结皮土壤指标的独立样本和配对样本T检验

3.2 不同土壤和植被生境下生物结皮土壤叶绿素含量和粒径组成的变化

不同植被群落生境下生物结皮土壤叶绿素含量和粒径组成都存在明显差异;农田和生物结皮下层0-10cm的土壤未检测到叶绿素含量,不同植被群落生境下生物结皮结皮层的叶绿素含量变化范围在14.0~61.7μg/g,呈现出长芒草群落((44.8±15.8)

图1 不同植被群落生境下生物结皮的叶绿素含量和土壤颗粒组成

3.3 不同土壤和植被生境下生物结皮土壤化学性质的变化

不同植被群落生境下生物结皮的结皮层与010cm土层间各土壤化学性质指标均存在显著差异(p<0.05),同一土层不同植物群落间各土壤化学指标变化差异主要体现在生物结皮对结皮层的影响以及土壤类型自身特性的差异(表3)。其中,3种植被群落生境下(长芒草、油蒿、小叶杨群落)的生物结皮层的EC、pH、C、N、C/N含量与对照农田样地(无生物结皮)相比存在显著差异(p<0.05),但各植物群落间无显著性差异;0-10cm土层间各土壤化学指标变化差异主要体现在黄土与风沙土间。

表3 不同土壤和植被生境下生物结皮土壤化学指标的变化

3.4 不同植被群落生境下生物结皮土壤水溶性金属离子含量的变化

不同植被群落生境下生物结皮的结皮层与010cm土层间各土壤水溶性金属离子含量均存在显著差异(p<0.05),同一土层不同植物群落间各土壤水溶性金属离子含量变化存在一定差异(表4)。其中,生物结皮层水溶性金属离子Na、K、Mg和Ca的结皮含量明显高于0-10cm土层;但水溶性金属离子Fe则表现出0-10cm土层高于结皮层,水溶性金属离子Mn随不同群落生境下变化规律不同一致。

3.5 不同土壤和植被生境下生物结皮土壤

δ13C、δ15N的变化不同植被群落生境下在结皮层与0-10cm土层间土壤δ13C和δ15N的变化存在显著差异(p<0.05);生物结皮层土壤δ13C和δ15N要显著低于对照农耕地表层土壤。其中,不同植被群落生境下结皮层的δ13C变化范围在-25.55~-19.83‰,呈现出长芒草群落((-21.75±1.82)‰)>小叶杨群落((-24.79±0.67)‰)>油蒿群落((-25.18±0.22)‰)。不同植被群落生境下结皮层的δ15N变化范围在-4.87‰~-0.46‰,呈现出长芒草群落((-1.18±0.29)‰)>油蒿群落((-2.70±1.30)‰)>小叶杨群落((-2.98±0.12)‰)。不同土壤类型0-10cm土层土壤δ13C和δ15N存在明显差异(p<0.05),表现出黄土的δ13C和δ15N均较风沙土偏正。

3.6 不同土壤和植被生境下生物结皮土壤性质特征

基于样品土壤性质的冗余分析(RDA)结果(图3)显示,不同植被和土壤生境下的结皮层和0-10cm样品间,以及2个土层样品间的空间排序分异明显,且第1轴和第2轴能够解释97.66%的变异(第1轴:90.75%,第2轴:6.91%)。经envfit函数对各土壤指标对土壤样品间进行显著性检验,除土壤水溶性Na、Mn和K外,各土壤性质指标与不同植被和土壤生境下生物结皮土壤样品具有极显著相关(P<0.01）

表4 不同植被群落生境下生物结皮土壤水溶性金属离子含量

图2 不同植被群落生境下生物结皮稳定同位素δ13C、δ15N自然丰度值

图3 基于样品土壤性质的相关排序

4、讨论与结论

陕北风蚀水蚀交错区六道沟小流域内土壤和植被群落组合的天然空间分布格局,为研究土壤和植物群落生境下生物结皮对土壤性质影响提供了天然的试验材料。研究结果表明:首先,该区域生物结皮可以显著地改善结皮层的土壤理化性质,并且生物结皮的生态功能作用对结皮层土壤性质的影响是具有主导地位的关键因素;其次,由于生物结皮生态功能作用在垂直空间上有限性,结皮下层0-10cm土层的土壤性质差异主要受到土壤类型本身性质的影响(如土壤黏粒、碳、氮元素等);最后,本研究中植被群落因子对表层(0-10cm)土壤理化性质变化的影响作用有限,且未达到显著程度;这可能由于研究区域风蚀作用比较显著,进而影响到植被群落凋落物对地表养分归还作用的有限,以及半干旱气候条件导致维管束植物根系深层分布明显等多方面生物与环境因素的综合作用影响[20]。本研究中,2种土壤类型(黄土与风沙土)0-10cm土层的土壤颗粒组成、C、N、C/N、δ13C和δ15N,以及水溶性金属Mg、Fe和Mn的含量变化差异显著(p<0.05);而EC和pH、水溶性金属Na、K和Ca的含量变化差异则不显著,这表明2种土壤类型本身性质的显著差异。另外,尽管本研究并未对生物结皮群落物种的组成和结构进行调查,但不同土壤和植被生境下结皮层的叶绿素含量差异以及碳氮元素总量及其δ13C和δ15N自然丰度变化来看,长芒草群落生境下结皮层的叶绿素含量明显高于风沙土的油蒿和小叶杨群落生境下结皮层的叶绿素含量(p<0.05),这表明长芒草群落生境下生物结皮中光合生物成分高于风沙土油蒿和小叶杨群落生境下生物结皮的光合生物成分;同时,从3种植被群落生境下结皮层相对于0-10cm土层的δ13C和δ15N自然丰度变化幅度来看,长芒草群落生境下生物结皮生物组分对δ13C和δ15N的生物同位素分馏与风沙土的油蒿和小叶杨群落生境下生物结皮存在明显差异。因此,可以推测不同土壤和植被生境下生物结皮群落物种组成结构(或者功能多样性)可能存在显著差异[2122],这有待于通过生物结皮群落物种组成结构测定来进一步验证。

致谢:野外试验承蒙中国科学院神木侵蚀与环境试验站的大力支持,在此表示诚挚的谢意!

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