退化喀斯特植被恢复过程中土壤生化作用强度变化

退化喀斯特植被恢复过程中土壤

生化作用强度变化

魏　媛1,张金池2,俞元春2,喻理飞3

(1.贵州财经学院资源与环境管理学院,贵州贵阳550004;

2.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏南京210037;

3.贵州大学林学院,贵州贵阳550025)

[关键词]退化喀斯特;植被恢复;土壤微生物;生化作用强度;贵州

[摘　要]采集贵州花江喀斯特高原生态综合治理示范区内不同恢复阶段的土壤样品,采用微生物培养法及生化活性试验法分析了退化喀斯特植被恢复过程中不同层次、不同生境及根际和非根际土壤生化作用强度的变化。结果表明:退化喀斯特植被恢复过程中土壤生化作用强度存在较大差异。随着退化喀斯特植被的恢复,土壤氨化作用、硝化作用、纤维素分解作用及固氮作用强度明显增强,表现为乔木群落阶段>灌木群落阶段>草本群落阶段>裸地阶段;土壤剖面上土壤生化作用强度均呈明显的垂直分布特征,即随土层深度增加呈递减趋势,具体表现为A层>B层;从生境变化上来看,除裸地恢复阶段外,其他三个阶段的土壤生化作用强度的变化特征总体上表现为石沟比石槽和土面两个小生境偏大的特点,这是因为石沟生境的特点有利于微生物类群及土壤动植物群体的繁殖;根际和根外变化明显,表现为根际>非根际。

[中图分类号]S154 [文献标识码]B [文章编号]1000-0941(2009)10-0029-04

我国西南部是全球生物多样性最为丰富的地区之一,同时也分布着世界上最为典型的喀斯特景观。贵州地处我国西南喀斯特地区的中心,境内多为碳酸盐岩山地,因生态环境脆弱,植被破坏后很难恢复,易形成石漠化。退化喀斯特森林生态系统的恢复与重建已成为农业生产环境改善、区域经济发展及人民脱贫致富的迫切要求。

土壤微生物在植物凋落物的降解、养分循环与平衡、土壤理化性质的改善中起着重要作用。高质量的土壤一般具有良好的生物活性和稳定的微生物种群组成[1]。喀斯特地区因岩石溶蚀作用,与常态地貌相比,形成差异很大的小地形,其土壤、小气候等有较大差异,有石面、土面、石沟、石槽、石缝、石洞等6种小生境[2],而各小生境枯枝落叶聚积程度和土壤的差异,导致土壤质量不同;另一方面,随退化植被的恢复,土壤垂直剖面及根际、非根际的土壤也可能不同。随着人们对土壤微生物重要生态学意义认识的不断加深,对土壤微生物多样性的研究日益增多[3-4]。但人们在研究生态系统恢复时,较多地考虑植被指标以及土壤理化性质变化,而对于土壤生化作用的研究较少[5-6],至于对贵州退化喀斯特植被恢复过程中土壤的生化作用更是缺乏系统的研究。因此,以贵州喀斯特高原生态综合治理示范区不同恢复阶段的植物群落为研究对象,研究土壤生化作用的变化特征,对于揭示退化群落恢复机理、构建恢复技术体系具有重要的理论和实践意义。

[基金项目]国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目) (2006CB403206-6);国家“十一五”科技支撑计划项目

(2006BAC01A09);贵州省优秀科技青年人才计划项目

[黔科合人字(2005)0529号];教育部重点项目

(205141);国家自然科学基金项目(30872076)

1　研究区概况

研究区地处贵州省西南部贞丰县北盘江镇板围村,是国家“十五”科技攻关计划项目“喀斯特高原生态综合治理技术与示范”的试验示范区。出露岩石主要以纯质石灰岩和白云岩为主,属裸露型喀斯特峡谷地貌,海拔800—1150m;河谷气候,日照充足,平均气温15.8℃,极端最高气温32.4℃,≥10℃积温6542℃;年均降水量1100mm,5—10月为雨季,降水占全年的90%以上,10月至次年4月为干旱季节;土层浅薄且不连续,pH 值6.5～8.0,土壤持水能力很弱,经常处于干旱状态,特别是冬季干旱非常明显。与常态地貌相比,生境复杂多样,有石面、石沟、石洞、土面等多种小生境类型。该区内退化植被恢复过程分为裸地阶段(Ⅰ)、草本群落阶段(Ⅱ)、灌木群落阶段(Ⅲ)和乔木群落阶段(Ⅳ)4个阶段,各阶段主要组成物种见表1。

2　研究方法

2.1　土样采集

以空间代替时间的方法[7],在贵州花江退化喀斯特植被不同恢复阶段(裸地阶段、草本群落阶段、灌木群落阶段、乔木群落阶段)选择有代表性的样地(每个阶段3个重复),采用S形、线形或梅花形三点混合取样法分不同生境、不同层次(在土壤剖面上先取B层土,再取A层土)、根际和根外进行土壤样品的采集。每个样品3～5次重复,编号,除去杂物和石块,迅速混合放入无菌袋内并装入带冰块的取样箱中运回。在实验室除去可见的土壤动物和植物残体,过2mm筛,混匀,分为两份,一份保存于4℃冰箱中供土壤微生物学指标分析,另一份风干、磨细、过100目筛,以备选用。供试土壤的基本情况见表2。

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中国水土保持S WCC　2009年第10期

表1　退化喀斯特植被不同恢复阶段主要组成物种

恢复阶段植被类型主要组成物种

Ⅰ裸荒地　有极少量阳性先锋树种幼苗如野桐(M allotus tenuifolius)、盐肤木(R hus chinensis),近无草本植物

Ⅱ草　地　草本植物主要有荩草(A rthraxon hispidus)、芒萁(D icranopteris dichoto m a)、猪毛蒿(A rte m isia scoparia)、灰苞蒿(A rte m isia roxburghiana)等,木本植物主要有野桐、青檀(P teroceltis tatarino w ii)、火棘(Pyracantha fortuneana)、构树(B roussonetia papy2 rifera)等

Ⅲ灌木林　主要有川钓樟(L indera pulcheri m a var.he m sleyana)、清香木(Pistacia w einm annifolia)、云南鼠刺(Itea yunnanensis)、圆叶乌桕(Sapium rotundifolium)、山麻杆(A lchornea davidii)、石岩枫(M allotus repandus)、烟管荚蒾(V iburnum utile)、重阳木(B ischofia polycarpa)、暖木(M elios m a veitchiorum)、薄叶鼠李(Rham nus leptophylla)、悬钩子蔷薇(R osa rubus)等

Ⅳ森　林　乔木层主要有青檀、朴树(Celtis sinensis)、南酸枣(Choerospondias axillaris)、香椿(Toona sinensis)、小叶榕(Ficus concin2 na)、川钓樟等,灌木层主要有竹叶椒(Zanthoxylum planispinum)、喜玛拉雅旌节花(S tachyurus hi m alaicus)、灰毛浆果楝(C i2 padessa cinerascens)、山麻杆、野桐、石岩枫等

表2　供试土壤的基本情况

恢复阶段植被

类型

土壤含水

量(%)

容重

(g/c m3)

pH值

有机质含量

(g/kg)

Ⅰ裸荒地25.15 1.397.1717.36

Ⅱ草　地19.11 1.317.2334.45

Ⅲ灌木林19.56 1.237.3260.67

Ⅳ森　林22.71 1.087.4074.08

　注:数据为测定样品的平均值,下表同。

2.2　分析方法

土壤容重和含水量用常规方法测定[8],有机碳的测定采用

重铬酸钾-硫酸外加热法[8];土壤pH值采用蒸馏水(土水质量比1∶2.5)浸提30m in,用PHS-3C精密pH计测定。

土壤生化作用强度测定:土壤氨化作用测定采用土壤培养法,用比色法测定NH+

4

-N的含量;土壤硝化作用测定采用溶

液培养法,用比色法测定NO-

3

-N减少量;土壤固氮作用测定采用土壤培养法,用蒸馏法分析土壤全氮增加量;土壤纤维素分解作用测定采用埋片法分析布条损失的重量。具体操作参照《土壤微生物分析手册》[9]及《土壤微生物生态学及其实验技术》[10]。

3　结果与分析

土壤微生物几乎参与土壤中一切生物化学反应,是维持土壤质量的重要组成部分,对土壤中的动植物残体和土壤有机质及有害物质的分解、生物化学循环和土壤结构的形成过程起着重要的调节作用[11]。土壤氨化、硝化、固氮及纤维素分解作用强度是在土壤微生物各主要生理类群直接参与下进行的,土壤在这些微生物群体的协调下,对维持着其生态系统的C、N平衡起着重要的作用[12]。通常把土壤生化作用强度作为土壤微生物活性的综合指标之一[13]。

3.1　土壤生化作用强度的垂直变化

碳素和氮素转化是土壤元素生物化学循环的主要环节,其中微生物的固氮作用和氨化作用是氮循环的重要组成部分。氨化作用是将有机氮转化成无机氮的过程,即土壤中含氮的有机物,经过微生物的各种分解作用,大部分氮素转化成无机态氨的过程。固氮作用是指在土壤固氮微生物作用下将大气氮转化为生物可利用氮的过程。固氮微生物主要包括蓝绿藻固氮菌和一些共生固氮菌。固氮作用的结果是合成有机氮化合物(如蛋白质、核酸等),增加土壤中的总氮量。纤维素分解作用和呼吸作用是碳素转化的异化作用。不同土层中土壤生化作用强度由于受到土壤微生物种类和数量的影响,会在土壤剖面的不同深度表现出一定的规律性。分别对植被演替过程中不同土层的土壤生化作用强度进行测定,变化情况如图1所示

。

图1　植被恢复过程中土壤生化作用强度的垂直变化

从图1中可以看出,植被恢复过程中土壤生化作用强度在土壤剖面上呈现出垂直分布特征,即随着土层深度的增加而减弱,表现为A层>B层的变化特点,土壤氨化作用、硝化作用、纤维素分解作用及固氮作用在4个恢复阶段的均值A层分别是B 层的1.294、1.502、1.195和1.285倍。这是由于土壤表层的枯枝落叶分解、转化进入土壤,形成较厚的腐殖质层,有机质、全氮及水解性氮含量高,聚集了60%以上的土壤营养元素,同时林木根系绝大多数分布于表层,根系分泌的可溶性糖类、蛋白质等也可刺激微生物的活动,且土壤表层温度和通气状况利于微生物的生存与繁衍,因而土壤生化作用强度表层最强。从图1中还可看出,不管是上层土壤还是下层土壤,土壤生化作用强度都是随植被的演替而逐渐增强,表现为乔木群落阶段>灌木群落阶段>草本群落阶段>裸地阶段,方差分析表明差异极显著(P <0.01),说明植被恢复有利于土壤中碳素和氮素的生物化学循环。

3.2　不同生境土壤生化作用强度的变化

喀斯特地区的生境具有小生境类型多样、生境的异质性高、土被不连续、土壤浅薄、根系生存的空间狭小等与常态地貌明显

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