科爾沁退化沙地草地土壤碳礦化潛力及凋落物分解

科爾沁退化沙地草地土壤碳礦化潛力及凋落物分解

土壤中有機(jī)碳（tc）的生物化學(xué)循環(huán)是一個(gè)調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要過程，在協(xié)調(diào)土、植物和環(huán)境之間的關(guān)系方面發(fā)揮著重要作用。SOC及其活性作為微生物能源物質(zhì)也影響著土壤養(yǎng)分的有效性,其礦化速率控制著養(yǎng)分的通量。研究土壤碳的礦化及其對環(huán)境變化的響應(yīng)對更好的了解生態(tài)系統(tǒng)演變的生物學(xué)過程有重要的意義。土壤碳的礦化受多種因素的影響包括有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)組成和土壤環(huán)境條件如土壤結(jié)構(gòu)、土壤溫度、濕度、pH、土壤中微有機(jī)體及微生物群落特性等。在干旱和半干旱的沙地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤資源及其微域的環(huán)境條件如水分、溫度等呈高度的空間異質(zhì)性分布,更多的有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分積聚在灌叢下,形成灌叢‘肥島’。這種資源的分布特性也導(dǎo)致了土壤碳礦化的空間異質(zhì)性,進(jìn)一步影響著植被的分布和系統(tǒng)演變的生物學(xué)過程。在我國北方半干旱的科爾沁沙地,沙漠化的發(fā)展已導(dǎo)致了生境的破碎化和植被的斑塊狀分布,也導(dǎo)致了養(yǎng)分的貧瘠化及其分布上高度的空間異質(zhì)性。沙地養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)及植被與土壤之間能量的轉(zhuǎn)換主要依賴于一些占優(yōu)勢的灌木和1年生雜草凋落物的輸入及其在土壤中的分解。然而在微生物活性極其微弱的沙質(zhì)土壤中微生物的呼吸特征及凋落物在沙地土壤中的分解鮮見報(bào)導(dǎo)。本項(xiàng)研究旨在通過實(shí)驗(yàn)室土壤培養(yǎng)試驗(yàn),了解沙地不同生境土壤微生物呼吸及不同凋落物在不同生境土壤中的礦化潛力,從影響?zhàn)B分循環(huán)的土壤碳礦化角度認(rèn)識沙漠化的生物學(xué)反饋和植被恢復(fù)機(jī)制。1自然總結(jié)與研究方法1.1丘間低地森林研究是在中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站進(jìn)行的,地處科爾沁沙地中南部內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗境內(nèi)(N42°55′,E120°42′),屬溫帶大陸性半干旱氣候,年均溫6.4℃,≥10℃年積溫3151.2℃,無霜期151d。年均降水量364.6mm,主要集中在6、7、8三個(gè)月,年均蒸發(fā)量1972.8mm。退化沙質(zhì)草地的土壤為風(fēng)沙土,疏松的結(jié)構(gòu)極易遭受風(fēng)蝕。取樣地為研究站附近的一塊具代表性的退化沙質(zhì)草地,平緩的流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘(相對高度2～5m)和丘間低地相間分布。流動(dòng)沙丘植被蓋度<15%,主要種為沙米(Agriophyllumsquarrosum),有分散的差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)分布;半固定沙丘植被蓋度<30%,優(yōu)勢種有小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和差巴嘎蒿,伴生有1年生的狗尾草(Setarriaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)和五星蒿(Bassiahyssopifolia)等;固定沙丘植被蓋度在50%～70%,優(yōu)勢種有小葉錦雞兒,及1年生的黃蒿(Artemisiascoparia)、狗尾草、豬毛菜和灰綠藜(Chenopodiumglaucum)等;丘間低地植被蓋度>70%,優(yōu)勢種有小葉錦雞兒、冷蒿(Artemisiafrigida)、杠柳(Periplocasepium)等灌木和半灌木以及狗尾草、豬毛菜、黃蒿、地梢瓜(Cynanchumthesioides)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、胡枝子(Lespedezadavurica)和扁蓿豆(Melissitusruthenicus)等一些1年生和多年生的雜草。1.2采樣文件1.2.1灌木凋落物群落選擇3種類型的凋落物:①小葉錦雞兒落葉,②差巴嘎蒿落葉和穎殼,③1年生植物莖葉(20g黃蒿、20g豬毛菜和5g狗尾草的混合物,黃蒿和豬毛菜為群落優(yōu)勢種)。灌木的凋落物在葉片和穎殼枯黃落下后從灌叢下收集,1年生植物凋落物在莖葉枯黃后整株剪下。各種凋落物均為新鮮尚未分解的莖葉。凋落物經(jīng)50℃低溫烘干,磨細(xì)過2mm篩,以備培養(yǎng)和化學(xué)分析。1.2.2土樣的采集和測定選擇流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和丘間低地4個(gè)生境各3個(gè)樣點(diǎn),在每個(gè)樣點(diǎn)分2個(gè)不同部位取樣:小葉錦雞兒灌叢下(A)和灌叢外(B)(流動(dòng)沙丘取差巴嘎蒿灌叢下和灌叢外裸斑),取樣深度0～5cm。每個(gè)樣由5個(gè)隨機(jī)分布的樣混合而成,共24個(gè)樣。土樣裝在密封的塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,過2mm篩取除混入的凋落物和根后,部分土樣保存在4℃的冰箱中供培養(yǎng)用,部分土樣風(fēng)干供粒級分析和pH、電導(dǎo)率(EC)的測定,進(jìn)一步磨細(xì)過0.1mm篩的風(fēng)干土用于有機(jī)碳和全氮的測定。另外在取樣時(shí)用20cm×20cm的樣方框取0～5cm深度的土樣,過2mm篩分選出混入土壤的凋落物,并用水篩洗烘干后測定凋落物量。同時(shí)在每個(gè)生境的灌叢下和灌叢外用50cm×50cm的樣方調(diào)查地上部分凋落物現(xiàn)在量。1.3有機(jī)碳及全氮的測定方法土樣測定用常規(guī)分析方法土壤含水量用烘干法,粒級分布用吸管法,pH值(土水比1∶1)和EC(土水比1∶5)用德國產(chǎn)MultilineF/SET-3分析儀直接測定;有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮用凱氏法(意大利產(chǎn)DK6,UDK140分析儀)。凋落物中碳、氮含量的測定方法與土壤樣品同。1.4co-c釋放量的測定碳的礦化用短期的土壤培養(yǎng)測定將供試土樣置于250ml的具橡皮塞的廣口瓶中,內(nèi)置裝有10ml0.2molL-1濃度的NaOH溶液的小玻璃瓶,用以吸收有機(jī)碳分解釋放出的CO2,通過測定NaOH溶液濃度的變化,計(jì)算出CO2-C的釋放量。每種生境灌叢下和灌叢外土樣均設(shè)4個(gè)處理,即不加凋落物和均勻混入3種烘干粉碎的凋落物處理,3次重復(fù),共96個(gè)培養(yǎng)瓶。土壤用量為20g新鮮土,加入的凋落物以0～5cm土層輸入0.2kgm-2凋落物計(jì),即20g土中加入0.05g凋落物。土壤濕度用蒸餾水調(diào)至其最大持水量的60%,在28℃的恒溫下培養(yǎng)33d,每隔3d取出NaOH溶液,用0.2N濃度的HCI滴定,計(jì)算出CO2-C的釋放量。土壤碳的礦化用CO2-Cμgg-1干土表示。1.5對土壤碳礦化潛力的顯著性檢驗(yàn)用SPSS8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單因子方差分析(ANOVA)用于不同生境相同處理的土壤以及同一生境下不同處理的土壤碳礦化潛力的顯著性檢驗(yàn),配對樣本的t-檢驗(yàn)用于灌叢下和灌叢外土壤之間碳礦化的比較。2結(jié)果與分析2.1不同立地條件下土壤碳的礦化及凋落物的釋放不同生境下土壤中凋落物的輸入,土壤粒級組成,有機(jī)碳和全氮含量,及pH和EC值有極顯著的差異(p<0.01),流動(dòng)沙地土壤有機(jī)碳和全氮含量僅是固定沙地的7.2%～10.1%和14.8%～17.5%(表1)。在同一生境下,灌叢下和灌叢外土壤性狀也表現(xiàn)出顯著的差異(p<0.01),在灌叢下有較高的有機(jī)碳和全氮積累,表現(xiàn)出干旱半干旱地區(qū)典型的‘肥島’現(xiàn)象。不同生境下土壤碳的礦化以及各種凋落物在不同生境土壤中的分解有明顯的差異(p<0.01),均表現(xiàn)為丘間低地>固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地(圖1)。不加凋落物的土壤,在33d的培養(yǎng)后,總的CO2-C釋放量依次為丘間低地(552～702CO2-Cμgg-1干土)>固定沙地(313～575μg)>半固定沙地(287～354μg)>流動(dòng)沙地(27～59μg)(圖2)。土壤碳的礦化與不同生境土壤有機(jī)碳含量、植被蓋度以及凋落物輸入的分布格局是一致的。在同一生境下,灌叢下土壤比灌叢外土壤有顯著高的CO2-C的釋放(t=6.8,p<0.01)。經(jīng)33天的培養(yǎng),加入凋落物后釋放的CO2-C平均為935±326μgg-1干土,比不加凋落物處理(359±242μgg-1干土)平均增加了164%。圖1也表明,在各種生境下,加凋落物處理在培養(yǎng)的每一時(shí)段碳的礦化均顯著高于不加凋落物的土壤。2.2不同生境中凋落物的釋放情況表2結(jié)果表明,3種類型的凋落物碳含量基本一致,而氮的含量小葉錦雞兒分別是差巴嘎蒿和1年生草本的2倍和3倍,依此,小葉錦雞兒凋落物有最小的C/N比。3種凋落物加入土壤后,碳的礦化在各種生境下表現(xiàn)為相同的變化趨勢:即最初幾天培養(yǎng)中的迅速分解以及隨后緩慢而穩(wěn)定的分解過程。如小葉錦雞兒凋落物加入固定沙地灌叢下土壤中,在培養(yǎng)的最初9d,釋放了696μgCO2-C,占整個(gè)培養(yǎng)階段釋放總量的57%。經(jīng)33d的培養(yǎng)后,3種類型凋落物總的呼吸量各種生境土壤表現(xiàn)出不同的趨勢,在流動(dòng)沙地和半固定沙地土壤中,3種凋落物的分解有極顯著的差異(F=8.2,p=0.004;F=18.7,p<0.01),表現(xiàn)為小葉錦雞兒>差巴嘎蒿>1年生草本。但在固定沙地和丘間低地土壤中,3種凋落物處理之間的差異達(dá)不到統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著水平(F=3.1,p=0.08;F=0.75,p=0.49)。從圖1分析,3種凋落物處理在不同生境土壤中分解的差異主要表現(xiàn)在培養(yǎng)的最初階段,含氮量高的小葉錦雞兒凋落物在培養(yǎng)的最初6d或9d,其礦化量顯著高于差巴嘎蒿和1年生草本凋落物,但在培養(yǎng)的以后時(shí)間,差異消失。用常規(guī)的差減法,即用加凋落物的土壤培養(yǎng)測定的碳釋放量減去相應(yīng)不加凋落物土壤的碳釋放量,可以估計(jì)出從凋落物中釋放的CO2-C的數(shù)量及凋落物碳的分解率。表3給出3種凋落物在不同培養(yǎng)時(shí)段各種生境下CO2-C的平均釋放量,表中的分解率為釋放的CO2-C占加入凋落物有機(jī)碳的百分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?在培養(yǎng)的早期階段(0～9d),從凋落物中釋放的CO2-C,小葉錦雞兒>差巴嘎蒿>1年生草本,但在后期階段(9～33d),三者之間無顯著差異。在培養(yǎng)的33d中,從凋落物中釋放的CO2-C平均貢獻(xiàn)了總釋放量的63%～65%,在流動(dòng)沙地處理中,90%以上的CO2-C來自于凋落物中C的釋放。從分解率分析,加入的凋落物釋放了10.2～13.1mg的CO2-C,占加入凋落物有機(jī)碳的53.0%～62.9%。小葉錦雞兒葉片有較快的分解。3結(jié)論和討論3.1土地沙漠化導(dǎo)致土壤生物活性的變化在干旱半干旱的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中,土壤有機(jī)質(zhì)在養(yǎng)分的儲存和保持中起著尤為重要的作用。作為微生物能源物質(zhì)的有機(jī)碳含量及其礦化也決定了土壤氮、磷養(yǎng)分的有效性。而有機(jī)碳含量又取決于植被動(dòng)態(tài)和凋落物的輸入及其分解。在半干旱的科爾沁沙地系統(tǒng)中,沙漠化的發(fā)展和逆轉(zhuǎn)強(qiáng)烈影響著植被的動(dòng)態(tài),進(jìn)而影響著有機(jī)碳的喪失和固存。研究結(jié)果表明,從固定沙地向流動(dòng)沙地的沙漠化演變,91%的SOC喪失(表1)。作為土壤微生物活性指標(biāo)及指示土壤活性碳庫的碳的礦化,與SOC的空間分布有高度的相關(guān),經(jīng)33d的培養(yǎng),流動(dòng)沙地土壤微生物呼吸量僅為固定沙地的8.6%～10.3%。表明,土地沙漠化不僅導(dǎo)致有機(jī)碳庫喪失,也嚴(yán)重惡化了土壤的生物學(xué)活性。也可以說,沙漠化是土壤碳庫衰減的生物學(xué)過程。3.2土壤的粘粉粒對碳的礦化作用大量研究表明,土壤碳的礦化受土壤質(zhì)地、土壤溫度、濕度、pH、土壤中微生物有機(jī)體及動(dòng)物區(qū)系特征等的影響[6,8,9,10,11,19,10,19]。在控制溫度和濕度條件的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)下,土壤呼吸值反映了土壤中易礦化有機(jī)碳的有效性及土壤環(huán)境因素的差異。一些研究表明,土壤結(jié)構(gòu)是影響有機(jī)質(zhì)分解的主導(dǎo)因素,粘粒對土壤有機(jī)碳有很好的保護(hù)作用,沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的礦化更為迅速。在本項(xiàng)研究中,盡管SOC的含量與土壤粘粉粒含量有極顯著的相關(guān)(圖3A),但土壤已高度沙化(沙粒含量變化在84%～99%),因而粘粉粒對SOC的保護(hù)作用非常有限。土壤培養(yǎng)的結(jié)果表明,土壤碳的礦化率(CO2-Cμgg-1SOC)與土壤粘粉粒含量的關(guān)系并未表現(xiàn)出一些研究者提出的碳的礦化率隨土壤粘粒含量的增加而呈線性降低的趨勢。相反,在高度沙化的流動(dòng)沙地,即使有外源有機(jī)碳的輸入,其礦化作用也是極低的。從流動(dòng)沙地到半固定沙地到固定沙地,碳的礦化隨細(xì)顆粒的增加而增加,而從固定沙地到丘間低地,當(dāng)土壤粘粉粒含量達(dá)到一定程度時(shí),碳的礦化降低(圖3B)。這主要是由于,在高度沙化的土壤中,作為有機(jī)質(zhì)分解者的微有機(jī)體極其貧乏,因此即使有外源基質(zhì)的加入,貧瘠的微有機(jī)體對新碳源的反應(yīng)非常有限,其分解作用自然十分微弱。事實(shí)上,在嚴(yán)重沙化的科爾沁沙地,植被的恢復(fù),凋落物的輸入在短期內(nèi)并不能顯著貢獻(xiàn)于土壤有機(jī)碳的增加,而是較長時(shí)間以枯落物的形式存在。這也表明,嚴(yán)重沙漠化土地土壤碳庫的自然恢復(fù)將是一很慢長的過程。3.3不同種類凋落物對碳礦化的貢獻(xiàn)凋落物的化學(xué)組成如木質(zhì)素和氮的含量、C/N比,木質(zhì)素/N比對碳的礦化也有顯著的影響。有研究表明土壤碳的礦化與輸入土壤的凋落物中氮的含量呈正相關(guān),而在有機(jī)質(zhì)分解的最初階段,凋落物的C/N比也顯著影響于碳的礦化。本項(xiàng)研究的結(jié)果表明(圖1,圖2),在培養(yǎng)的最初階段,小葉錦雞兒凋落物在各種生境的土壤中比差巴嘎蒿和1年生草本凋落物有顯著高的微生物呼吸,這顯然與小葉錦雞兒較高的含氮量和較低的C/N比有密切的關(guān)系。然而從整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期釋放出的CO2-C積累量分析,在固定沙地和丘間低地土壤中,3種類型的凋落物之間并無顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,這表明土壤結(jié)構(gòu)、土壤中有機(jī)碳及活性碳、以及養(yǎng)分的改善降低了凋落物質(zhì)量對碳礦化的影響。用差減法估計(jì)的外源有機(jī)碳釋放的貢獻(xiàn)量盡管具有一定的局限性,但仍能從統(tǒng)計(jì)意義上比較不同凋落物之間碳分解的差異。3種凋落物在短期的土壤培養(yǎng)中均有較高的分解率,這與沙地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳在高溫高濕條件下有較快的礦化的結(jié)論是一致的。3.4對土壤養(yǎng)分及微生物的影響沙地灌木顯著影響著土壤資源的分布及有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分的生物化學(xué)循環(huán)。灌木降低風(fēng)速的作用及對凋落物、風(fēng)吹蝕的土壤細(xì)粒組分和降塵等的截獲使更多的有