农林利用和植被退化对崇明东滩围垦湿地土壤呼吸组分的影响

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天然滨海湿地是河口海岸地区具有重要碳汇功能的生态系统。随着我国河口海岸地区城市化进程的不断加速,大量滨海湿地被人工堤坝围垦,围垦湿地被以多种方式进行农林利用,同时未被利用的湿地也在围垦环境中,面临植被退化的问题,这些都对生态系统的碳循环产生深刻影响。土壤呼吸作为全球碳循环的重要环节,其微小变化也会对大气CO2产生很大影响。土壤呼吸主要由根系的自养呼吸以及土壤微生物和动物的异养呼吸组成。土壤呼吸的不同组分涉及不同的生物学和生态学过程,其对环境变化如土地利用方式的改变及植被退化的响应可能存在显著差异。因此,研究不同组分呼吸的季节变化规律,及其对环境因子的响应就十分重要。为了解滨海湿地围垦后,农林利用以及植被退化对土壤呼吸及其组分的影响,本文以长江口崇明东滩围垦区为研究区域,选取同一围垦年限下(1998年被堤坝围垦)不同农林利用类型:芦苇湿地(VW)、幼龄林(YF)、中龄林(MF)、白茅湿地(IW)、鱼塘(AP)、农田(CP);以及不同植被退化水平的芦苇湿地:无明显退化湿地(VW),低度退化湿地(LW)、中度退化湿地(MW)、高度退化湿地(IW)设置样地。结合箱式法(LI-8100土壤碳通量测定系统)和分层去根法,连续测定了不同农林利用类型(2018年7月至2019年7月)和不同植被退化水平芦苇湿地(2019年6月至2019年11月)的土壤总呼吸、土壤自养呼吸和土壤异养呼吸,并同步监测0~5 cm表层土壤的温度、体积含水量和电导率的变化,以期探究:(1)不同农林利用方式对围垦湿地土壤呼吸及其组分的影响;(2)不同植被退化水平对围垦湿地土壤呼吸及其组分的影响。本研究获得的主要结果如下:(1)不同农林利用类型的土壤总呼吸速率大小依次为:芦苇湿地(10.41±0.96μmol·m-2·s-1)>白茅湿地(8.15±0.72μmol·m-2·s-1)>中龄林(7.87±0.51μmol·m-2·s-1)>幼龄林(7.38±0.46μmol·m-2·s-1)>农田(6.08±0.39μmol·m-2·s-1)>鱼塘(0.60±0.13μmol·m-2·s-1);自养呼吸速率大小依次为:芦苇湿地(8.26±0.98μmol·m-2·s-1)>白茅湿地(5.18±0.91μmol·m-2·s-1)>幼龄林(2.12±0.42μmol·m-2·s-1)>农田(1.56±0.25μmol·m-2·s-1)>中龄林(0.59±0.16μmol·m-2·s-1);异养呼吸速率大小依次为:中龄林(7.28±0.45μmol·m-2·s-1)>幼龄林(5.26±0.26μmol·m-2·s-1)>农田(4.52±0.42μmol·m-2·s-1)>白茅湿地(2.97±0.45μmol·m-2·s-1)>芦苇湿地(2.15±0.12μmol·m-2·s-1)。(2)与该地区残存的湿地相比,农林利用显著降低了湿地的土壤总呼吸速率,鱼塘下降程度达94%,其余农林利用方式使土壤总呼吸下降程度为22%~42%;土壤异养呼吸的组分贡献有大幅度提升。不同农林利用方式下异养呼吸对总呼吸的贡献大小依次为:中龄林(93%)>农田(74%)>幼龄林(71%)>白茅湿地(36%)>芦苇湿地(21%);自养呼吸对总呼吸的贡献大小依次为:芦苇湿地(79%)>白茅湿地(64%)>幼龄林(29%)>农田(26%)>中龄林(7%)。不同农林利用方式下,土壤呼吸、自养呼吸和异养呼吸在观测期内均呈现为单峰曲线趋势。土壤总呼吸速率多在12月~2月达到低峰,在7~8月达到高峰。农林利用方式显著影响土壤呼吸及其组分呼吸速率的峰值和变化趋势。(3)各农林利用方式下土壤呼吸及其组分与0~5 cm土壤温度均呈显著的指数关系,与含水率和电导率具有微弱的相关关系。0~5 cm土壤温度对不同农林利用方式下土壤总呼吸季节变化的解释量为33%~84%,对异养呼吸解释量为32%~78%,对自养呼吸解释量为7%~65%。多元线性回归结果表明,除农田外,0~5 cm土壤温度、电导率、含水率共同可解释不同农林利用方式下71%~88%的土壤总呼吸变化;可解释白茅湿地、幼龄林、中龄林66%~83%的异养呼吸变化。(4)不同植被退化水平湿地的土壤总呼吸速率大小依次为:中度退化湿地(13.39±0.84μmol·m-2·s-1)>高度退化湿地(10.96±0.89μmol·m-2·s-1)>低度退化湿地(10.89±1.63μmol·m-2·s-1)>无明显退化湿地(9.30±1.28μmol·m-2·s-1);各退化湿地的年均自养呼吸速率大小依次为:中度退化湿地(9.18±0.83μmol·m-2·s-1)>高度退化湿地(6.30±1.04μmol·m-2·s-1)>无明显退化湿地(5.96±1.43μmol·m-2·s-1)>低度退化湿地(4.67±1.54μmol·m-2·s-1);各退化湿地的年均异养呼吸速率大小依次为:低度退化湿地(6.22±0.43μmol·m-2·s-1)>高度退化湿地(4.66±0.52μmol·m-2·s-1)>中度退化湿地(4.22±0.34μmol·m-2·s-1)>无明显退化湿地(3.34±0.39μmol·m-2·s-1)。(5)对比无明显退化湿地,植被退化导致芦苇湿地的土壤总呼吸速率显著增加,增加程度为17%~44%。其中自养呼吸和异养呼吸组分均有所增加。在不同植被退化水平下,异养呼吸对土壤总呼吸的贡献大小为:低度退化湿地(57%)>高度退化湿地(42%)>无明显退化湿地(36%)>中度退化湿地(31%);自养呼吸对土壤总呼吸的贡献大小为:中度退化湿地(69%)>无明显退化湿地(64%)>高度退化湿地(58%)>低度退化湿地(43%)。(6)不同植被退化水平的芦苇湿地,土壤呼吸普遍在生长季的7~8月达到峰值,在生长季末期,土壤呼吸速率逐渐减小。植被退化显著改变了土壤呼吸及其组分呼吸的变化趋势和组分贡献。土壤温度、湿度、电导率与部分退化湿地呼吸存在显著相关关系(p<0.05),但整体相关关系较弱。本文研究结果可为在气候变化背景下对长三角海岸带围垦区土地进行低碳可持续管理提供科学依据。
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