干热河谷区侵蚀影响下植被恢复初期土壤氮素转化规律

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近年来,人类影响造成土壤侵蚀加剧带来了严重的生态问题。植被恢复是防治水土流失的重要方式,土壤侵蚀通过影响土壤结构、微生物和生物量等影响土壤养分元素有效性,进而影响植被的生长和恢复过程。前人研究表明植被恢复很大程度上受限于土壤的氮(N)元素。土壤侵蚀程度会影响氮转化相关的营养底物和参与氮转化的功能微生物,从而影响矿化、硝化等氮素转化过程,限制或减缓植被恢复过程。然而,我们对“不同侵蚀程度如何影响植被恢复的氮素转化特征”的认识十分有限,不清楚侵蚀程度是否影响氮素转化过程。鉴于此,本研究在排除地形、气候因子对植被恢复的影响基础上,采用削土-配方法在干热河谷区构建具有不同侵蚀程度(0cm、10cm、20cm、30cm、40cm)的人工模拟侵蚀小区进行植被自然恢复一年后,研究不同土壤侵蚀程度植被恢复初期的土壤氮素转化规律与土壤微生物特征,为干热河谷区植被恢复提供理论支撑。主要研究结果如下:(1)植被恢复一年后,不管是雨季还是旱季,土壤总氮(TN)、总磷(TP)、有效磷(AP)、有效钾(AK)、氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、有机质(SOM)和砂粒含量均随侵蚀程度的增加而下降,而土壤总钾(TK)和粉粒(Silt)含量随侵蚀程度的增加而增加。土壤p H值、粘粒(Clay)含量和土壤水分在不同侵蚀程度之间无明显差异。仅土壤容重受季节的影响,在雨季土壤容重随侵蚀程度增强而增加,旱季则相反。植被的覆盖度也随侵蚀程度的增加而下降。(2)植被恢复一年后,不同侵蚀程度土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)群落组成相似,AOA的群落结构差异显著,但AOB的群落结构差异不显著。AOA和AOB的基因丰度、AOA群落的多样性(Simpson指数)均随着土壤侵蚀程度的增加而下降。网络分析发现:AOA的网络复杂度与侵蚀程度之间的关系不显著,但AOB的网络复杂度和菌群之间的正效应随侵蚀程度增加而增加。上述结果表明AOB对土壤侵蚀的敏感度比AOA更强。雨季和旱季相比,AOA和AOB群落组成也无显著差异。此外,旱季AOA的群落结构差异较雨季提高。这表明AOA的群落对干湿季的响应比AOB敏感。不同季节土壤的AOA和AOB的基因丰度和多样性差异明显。其中,雨季的AOA和AOB基因丰度高于旱季,旱季AOA群落的多样性大于雨季,而AOB的多样性则相反。(3)不管是雨季还是旱季,土壤氮素的总矿化、总硝化以及NH4+和NO3-的固持速率均随着土壤侵蚀程度的增加而下降。总体上,旱季土壤氮素转化速率和微生物固持氮的速率大于雨季。但是不同侵蚀程度土壤微生物对氮固持速率与土壤氮转化速率基本持平。由于植物还要吸收利用NH4+-N和NO3--N以及NO3--N易从土壤中淋失的特性,我们的结果说明植被恢复初期可能受到氮素供给的限制。其次,土壤氮素的矿化和硝化速率随侵蚀程度下降显著,这也意味着有机氮向可利用氮转化释放效率显著降低。土壤微生物对NH4+和NO3-固持速率降低不明显,土壤全氮含量也随侵蚀程度呈现显著下降的趋势,这些结果进一步表明了植被恢复初期的氮素限制随侵蚀程度增加而增强。(4)冗余分析(Redundancy analysis)表明,雨季AOA的群落组成与TK、NH4+-N和AP相关,AOB的群落组成与Silt、TN和NH4+-N相关,旱季AOA的群落组成与AP、AK、NH4+-N、Sand和AP相关,AOB的群落组成与AP、TN、NH4+-N、NO3--N和AK相关。结构方程模型(Structural equation models)表明,土壤侵蚀均通过直接和间接的途径影响土壤的NH4+-N和NO3--N含量,其中直接影响均为负效应。在雨季侵蚀程度影响总矿化速率进而显著影响NO3--N的含量,而在旱季侵蚀程度通过影响土壤总氮或者土壤总矿化速率影响土壤硝化速率从而影响NH4+-N含量。此外,旱季和雨季土壤侵蚀都对土壤总氮含量、AOA和AOB的基因丰度产生了显著的负效应。影响雨季氮元素有效性主要是土壤的矿化过程,而旱季则是土壤的矿化作用和硝化作用。综上,我们采用削土-配方法模拟不同侵蚀程度的实验证明了侵蚀影响下干热河谷区植被恢复初期可能受到氮素供给的限制,土壤侵蚀通过影响土壤的NH4+-N和NO3--N的含量进而影响植被生长和恢复,且在旱季和雨季的影响机制不同。由于旱季氮素转化受到土壤总氮含量的影响,因此我们提出可以通过采取增加旱季土壤氮素有效性的措施以此缓解植被氮受限的情况。这对于干热河谷区退化坡耕地植被恢复以及区域水土流失综合治理,保障区生态环境建设具有重要科学意义。
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