土壤微生物量作为土壤生态系统中有机质最为活跃的部分,是土壤有效养分的给源和库存,在土壤碳氮生物地球化学循环过程中发挥着至关重要的作用。土壤微生物量碳、氮是土壤微生物量的重要组成部分,对土壤环境的变化非常敏感,能及时反映土壤微生物群落状态、土壤质量的变化以及整个土壤生态系统健康状况。研究表明,土壤微生物量受到植被类型、气候、土壤水热因子和人为因素的显著影响,在相同的气候和土壤背景条件下,不同的植被类型的土壤微生物量也存在较大差异。虽然,国内外学者已经开展有关不同植被类型对土壤微生物量特征的影响研究,但不同水源涵养林植被类型对土壤微生物量的影响及其影响因素的研究依然较少。
大伙房水库是辽宁省中部及南部城市群约2300多万人口的重要饮用水水源地,其水质健康状况尤为重要。大伙房水库流域水源涵养林是该水源地水生态安全的重要保障,伴随水生态环境健康的重视,从土壤微生物量角度分析不同水源涵养林植被类型土壤生态健康状况对大伙房水库流域水源涵养林生态功能保护和建设具有重要意义。目前,对大伙房水库流域水质健康、重金属污染、土壤无机N含量和淋溶特征等方面已开展相关研究,由于缺少该流域水源涵养林植被类型对土壤微生物量碳氮及其影响因素的研究,影响该区域水源涵养林的水源涵养、水土保持等生态服务功能的准确评估及水源涵养林优化调控配置技术等问题。同时,该流域人工林林内开展修枝整枝、林地清理及林下种植中草药等经济活动对土壤微生物量碳氮的影响如何?因此,笔者以大伙房水库流域落叶松人工林、油松人工林、红松人工林和刺槐天然次生林4种不同水源涵养林植被类型为研究对象,分析不同植被类型对土壤微生物量碳、氮的变化特征,探讨土壤理化性质与凋落物养分特征对土壤微生物量碳、氮的影响,以期揭示不同水源涵养林生态系统及人类活动对土壤微生物在土壤质量变化和碳、氮生物地球化学循环机制中的作用,以期为大伙房水库流域水源涵养林经营管理和建设提供依据。
研究区域位于辽宁省大伙房水库上游社河流域内温道林场,海拔200~500m。气候类型属中温带大陆性季风气候,年均降雨量800~1000mm,年均温5~8℃。土壤类型主要是暗棕壤和棕壤。流域水源涵养林包括人工林和天然次生林,形成以落叶松(Larix gmelinii)、红松(Pinus koraiensis)、油松(Pinus tabuliformis)等树种的人工水源涵养林,以及刺槐(Robinia pseudoacacia)、山杨(Populus davidiana)、蒙古栎(Quercus mongolica)、桦树(Betula utilis)等阔叶树种组成的天然次生水源涵养林;林下灌木主要有胡枝子(Lespedeza bicolor)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、忍冬(Lonicera japonica)、刺五加(Eleutherococcus senticosus)等;林下草本主要有葎草(Humulus scandens)、狭叶荨麻(Urtica angustifolia)、紫花地丁(Viola philippica)、车前草(Plantago asiatica)等。
于2017年7月,在大伙房水库流域内选取落叶松人工林、油松人工林、红松人工林和刺槐天然次生林4种主要的植被类型为研究对象,并分别在每个植被类型内设置3块20m×20m试验样地。在每块研究样地按照S型随机布点,设置9个取样点,并采用土钻(直径2.5cm)取0~10cm和10~20cm土壤样品,充分混合,挑出土壤中可见的植物根系和动物残体,过2mm筛,一部分样品放置于装有冰袋的保温箱内,立即带回实验室,进行土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)含量及铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)测定,另一部分土壤样品自然风干,过0.25mm筛,用于测定有机碳(SOC)、全氮(TN)的测定。在每块样地内随机选取5个50cm×50cm的调落物小样方,取样称其鲜质量,将样品带回室内在75℃烘干至恒质量后粉碎过筛(2mm),用于测定调落物碳氮含量。
通过对数据的分析讨论,得出以下结论:
1) 不同水源涵养林植被类型土壤SOC、TN、NH4+-N、NO3--N含量表现为0~10cm土层>10~20cm土层,且刺槐天然次生林显著高于其他植被类型;土壤C/N变化范围为11.17~16.42,土壤无机氮以NH4+-N为主占77%。
2) 不同植被类型土壤MBC、MBN质量分数分别为92.69~562.55mg/kg和64.10~193.42mg/kg,且均表现为刺槐天然次生林>油松人工林>落叶松人工林>红松人工林,在不同土层间差异显著,0~10cm土壤MBC、MBN含量分别是10~20cm土层的1.83~2.55、1.18~1.62倍。
3) 不同植被类型土壤MBC/MBN变化范围为1.40~3.15;土壤qMBC的变化范围为0.38~0.81%,土壤受到较强烈的人为干扰;土壤qMBN的变化范围为3.26~3.59%,且差异不显著。
4) 相关分析发现,土壤理化性质、凋落物养分含量与土壤MBC、MBN显著正相关;通径分析结果表明,土壤全氮、无机氮、有机碳、土壤含水量是直接影响该区域不同植被类型土壤微生物量碳、氮的主导因素。
综上研究表明,大伙房水库流域不同水源涵养林类型对土壤MBC、MBN影响显著,刺槐天然次生林对土壤MBC、MBN库作用更大,有利于养分累积。在该研究区直接调控土壤MBC、MBN大小可能与N养分限制、土壤有机质和土壤含水量等主导因子有关,而修枝整枝、林地清理及林下经济活动可能影响土壤质量的变化。因此,今后在大伙房水库流域应加强对刺槐天然次生林水源涵养林的建设和保护,减少人为干扰。
本研究由国家"十二五"科技支撑计划项目"辽河上游重要水源地小流域防护林体系空间配置技术研究与示范"(2015BAD07B030102);辽宁省自然科学基金"流域河岸缓冲带土壤C/N耦合循环过程及冻融驱动机制"(201602473)项目共同资助。
《中国水土保持科学》是由中国科学技术协会主管,中国水土保持学会主办的综合性学术期刊。2003年创刊,双月刊,公开发行,2004年成为中国科技核心期刊,2011年入选中国科学引文数据库(CSCD),2015年入编《中文核心期刊要目总览》2014年版(即第七版)。
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