退耕对三江平原沼泽土壤有机碳恢复的影响机制研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jiaojiao82
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垦殖沼泽的恢复是人类可持续发展所需,退耕有助于改善退化湿地的土壤质量、湿地的生态功能。退化湿地的恢复可引起土壤碳库的动态变化,改变土壤有机碳(SOC)的稳定性,进而影响温室气体的排放。三江平原是我国最大的淡水沼泽湿地分布区之一,且湿地生态系统受人类影响较大。本研究采用空间代替时间的方法,选取了三江平原东北部6个退耕的垦殖沼泽(退耕1、4、8、13、17、27年)、1个未退耕的大豆田及1个天然沼泽样地,研究了退耕后SOC的含量和储量、土壤理化性质、植被特性、土壤酶活性和微生物群落结构及SOC稳定性变化情况,揭示了土壤、植被、生物因子对SOC稳定性的影响机制。本研究主要结果如下:1、垦殖沼泽退耕后恢复样地平均SOC含量及SOC储量随着退耕时间的延长而增加,且均高于大豆田,但小于天然沼泽。恢复样地SOC含量及储量均随着土层的加深而递减。退耕27年后,恢复样地SOC含量是大豆田的5.6倍,但仍比天然沼泽SOC含量低55.9%。土壤理化性质中土壤全氮(TN)含量、碳氮比(C:N)、全磷(TP)含量、土壤含水量(MC)、黏粒(Clay)、>0.25mm的各径级团聚体(除0.25–0.5 mm)占比的增加能够促进SOC的积累,而p H、土壤容重(BD)、砂粒(Sand)及0.053–0.25 mm及<0.053 mm径级团聚体占比的增加则抑制SOC的积累。2、垦殖沼泽退耕后,恢复样地的植被地上生物量(AGB)、地下生物量(BGB)均呈增加趋势,且退耕前8年增加较快。恢复样地植被地上部分碳(AGC)和氮(AGN)含量分别在退耕4年和13年后才高于大豆田,地下部分碳(BGC)和氮含量(BGN)分别在退耕8年和13年后高于大豆田,但植被地上及地下碳氮含量均低于天然沼泽样地。恢复样地植被地上部分碳氮比(C:NAG),除退耕1年样地外均高于大豆田,而地下部分碳氮比(C:NBG)均高于大豆田,但低于天然沼泽。退耕后植被的纤维素(Cel)、木质素(Lig)含量随退耕时间的延长呈波动状态。植被因子中AGB、BGB、AGC、BGC、AGN、BGN的含量增加对SOC的积累有促进作用,而植被C:NAG及C:NBG的增加对SOC的积累有抑制作用。3、垦殖沼泽退耕后,总体上看,恢复样地土壤β-葡萄糖苷酶(GLU)、蔗糖酶(INV)、过氧化氢酶(CAT)、淀粉酶(AMY)平均活性均随着退耕年限的延长而呈波动增加,且均高于大豆田,低于天然沼泽。恢复样地的GLU、INV、CAT活性最高值出现在7月份,而AMY活性最高值出现在9月份。8个样地的土壤酶活性均表现为随土壤深度的增加而降低。恢复样地的土壤细菌群落的多样性均比大豆田和天然沼泽样地高,而真菌多样性随退耕时间而呈波动状态。除R17和NM样地的细菌群落丰度最高的门为酸杆菌门,其他6个样地丰度最高的均是变形菌门。各样地的真菌群落中,丰度最高的门是子囊菌门。退耕27年后,土壤细菌和真菌在门水平上的群落结构逐渐在向天然沼泽过渡,尤其是土壤细菌表现的更明显。生物因子中土壤GLU、INV、CAT、AMY活性及细菌的酸杆菌门、浮霉菌门、Ignavibacteriae、硝化螺菌门和真菌的未分类的门、硝化螺菌门、Rozellomycota丰度的增加能够促进SOC的积累,而细菌的芽单胞菌门、Parcubacteria、Saccharibacteria、放线菌门、绿弯菌门及真菌的子囊菌门、被孢霉门、绿藻门丰度的增加则对SOC的积累起到抑制作用。4、垦殖沼泽退耕后,土壤活性有机碳组分(LOC)包括可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(EOC)的含量均随恢复时间的延长而增加,但退耕27年后仍比天然沼泽低。总体上看,恢复样地的DOC和EOC含量最大值出现在9月份,而MBC和POC含量最大值出现在7月份。恢复样地的碳库活度及SOC累积矿化率均随退耕年限的增加呈波动性降低,且低于大豆田,高于天然沼泽。恢复样地SOC稳定性随着退耕年限的增加而呈波动性增加,退耕27年样地的稳定性最强,但略低于天然沼泽。土壤因子中TN、POC、DOC、Clay、p H是影响SOC稳定性的主要因子,且TN、POC、DOC、Clay含量的增加或p H的降低均能够促进SOC稳定性的增加;植被因子中AGB、BGB、C:NAG为主要的影响因子,且AGB、BGB的增加或C:NAG的降低均能够促进SOC稳定性的增加;生物因子中土壤INV、AMY,细菌门Saccharibacteria和Parcubacteria及未分类的真菌门为主要的影响因子,且INV和AMY活性及Saccharibacteria和Parcubacteria丰度的增加或未分类的真菌门丰度的降低均有助于提高SOC稳定性。垦殖沼泽退耕后可提高SOC含量,恢复SOC的稳定性,虽未与天然沼泽达到一致的状态,但正向其演变。可见,退耕是恢复退化湿地固碳功能的有效措施,并最终能够促进SOC的积累,在一定程度上提高SOC的稳定性。本研究有助于理解垦殖沼泽退耕后SOC储量、稳定性特征及其影响因素,并为退化湿地恢复效果的评估及碳汇管理提供基础数据及参考依据。
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