三峡库区消落带先锋植物及其群落对土壤团聚体稳定性影响研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院) | 被引量 : 0次 | 上传用户:huoyinghaiyangzhixin
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三峡水库“冬蓄夏排”的运行模式促使消落带土壤经历周期性的干湿交替,其周期性的水位脉动规律以及较强的水淹胁迫异质性,使消落带植物-根系-土壤结构之间的相互关系未得到充分阐明,并且三者间关系在水淹胁迫梯度下的变化过程和机理尚需探索。因此,本研究立足于三峡库区消落带,采用野外观测和控制实验相结合的方法,选取典型支流消落带-白家溪消落带为研究对象,综合利用统计学建模手段,构建在水淹梯度干扰下土壤团聚体稳定性与土壤理化性质、植物群落结构组成和根系特征的定量关系;阐明水位脉动下先锋植物狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.)群落物种多样性和功能性状对土壤团聚体稳定性的影响;研究根据消落带原位调查结果,设置不同多样性梯度下的狗牙根植物群落控制实验,从根系性状和根际微生物两个方面解析狗牙根及其群落对土壤团聚体稳定性的影响机制。结果表明:(1)消落带植物优势物种分布和群落结构组成沿水位高程变化呈现出明显的成带现象。通过白家溪消落带植物调查发现,消落带植物主要涵盖三个功能组:一年生草本,两年生草本和多年生草本植物;其中多年生克隆植物狗牙根为其先锋物种。消落带群落植物物种多样性(Shannon-Wiener指数)和丰富度随高程增加而增加。消落带优势种在水位高程梯度上具有明显的成带现象:在150~160 m范围内,狗牙根和香附子为优势种;在160~175 m高程范围内,狗牙根和苍耳为优势种。消落带植物群落地上生物量和地下生物量峰值出现在160~165 m高程范围内,植物群落的根系功能性状沿水位高程纵向梯度表现出同质性。(2)受周期性水位脉动的影响,消落带土壤团聚体稳定性在异质水淹梯度上也呈现明显的成带现象。白家溪消落带不同高程土壤团聚体研究结果显示,团聚体稳定性受周期性水位波动影响强烈,随水位高程增加呈现出不断增加的趋势。不同团聚体稳定性衡量指标中,几何平均直径(GMD)和分形维数(D)相较于平均重量直径(MWD)受水淹胁迫影响更大。具体分析影响土壤团聚体稳定性的因素,发现其主要受水稳性大团聚体(>2 mm)含量及其总碳(TC)含量的影响,同时受关键根系功能性状的影响,包括须根长密度(直径<1.0 mm)、相对根体积密度和根表面积密度。(3)沿消落带水淹梯度变化,狗牙根群落多样性影响土壤团聚体稳定性的相关假说发生转化并形成共存。在强水淹胁迫区(150~160 m),消落带出露前后植物生长对土壤团聚体稳定性没有显著性影响,不同狗牙根群落表层土壤团聚体稳定性受物种生态位互补效应的影响,而亚表层土壤团聚体稳定性主要受优势物种影响的现象符合质量比假说。然而,在弱水淹胁迫区(160~175 m),植物生长对土壤团聚体稳定性有显著的影响,且狗牙根群落通过不同物种之间的生态位互补作用促进土壤团聚体稳定性。(4)野外数据的结构方程模型证实了消落带植物对土壤团聚体稳定性的水淹驱动机制。通过剥离水淹对土壤团聚体结构的直接物理效应,发现水淹影响消落带不同高程优势种群的分布,植物群落物种多样性的增加引起植物根系性状与土壤胶结质分布的改变,能够促进水稳性大团聚体(>2 mm)含量的增加,从而提高土壤团聚体结构的稳定性。(5)通过消落带优势物种的控制实验,进一步揭示狗牙根群落主要通过不同物种之间的生态位互补作用来促进土壤团聚体的稳定。控制实验模拟消落带优势种组成的不同狗牙根群落,发现不同植物改善土壤团聚体结构稳定性存在明显差异,依次为苍耳(Xanthium sibiricum L.)、狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.)、香附子(Cyperus rotundus L.)和稗(Echinochloa crus-galli(L.)P.Beauv.)。根系在增加土壤团聚体稳定性上起着重要的作用,且匍匐形根系的克隆植物(狗牙根)与直根形根系(苍耳)组合配置对土壤团聚体稳定性具有更强的耦合效应。随着物种丰富度的增加,狗牙根群落通过增加根系生物量和根系功能性状来促进土壤团聚体稳定性,结合消落带强水淹胁迫区优势物种的质量比效应,再次证实了在抗水淹胁迫下先锋植物对土壤结构稳定的突出贡献。(6)通过对控制实验中根际微生物群落的分析,揭示出狗牙根群落多样性的增加通过影响植物根际土壤真菌群落的多样性来促进土壤团聚体稳定性。不同植物群落中,根际土壤细菌和真菌群落结构表现出高度的宿主特异性,但是变形菌门(Proteobacteria),放线菌门(Actinobacteria)为所有植物组中优势细菌,子囊菌门(Ascomycota)为所有植物组中优势真菌。随着狗牙根群落物种丰富度的增加,土壤细菌丰富度和多样性表现先增后降的趋势,而土壤真菌丰富度和多样性呈逐渐增加的趋势。研究进而揭示土壤细菌和真菌群落结构受禾本科根长密度、苍耳根系功能性状和紫色土大团聚体(>0.25 mm)的含量的影响,而真菌群落多样性指数对土壤团聚体稳定性有显著地促进效应。综上所述,先锋植物狗牙根能有效改善消落带土壤结构,在强水淹胁迫下通过根系功能性状来提高土壤团聚体的稳定性,同时在弱水淹胁迫和无水淹胁迫下与其它物种通过生态位互补效应来促进土壤团聚体稳定。研究结果有助于认清消落带植被演替过程中群落结构组成对生态系统功能的影响,为后续开展消落带植物恢复模式下土壤结构稳定性评估和消落带科学管理提供了强有利的理论支持,对三峡库区水土流失治理和生态系统稳定具有重要的科学意义。
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