人工修復邊坡植被演替初期有機碳組分及土壤生態化學計量特征

劉芳,夏棟,4,馬佳鑫,羅婷,閆書星,張森

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北宜昌 443002;2.三峽大學土木與建筑學院,湖北宜昌 443002;3.三峽大學水泥基生態修復技術湖北省工程研究中心,湖北宜昌 443002;4.三峽大學生物與制藥學院,湖北宜昌 443002;5.華北理工大學建筑工程學院,河北唐山 063210)

有機碳是表征土壤質量和土壤生產力的重要指標,其中不同組分的有機碳在土壤中的周轉周期不同,對于環境變化的響應也不盡相同。根據有機碳氧化穩定性可以分為極易氧化有機碳(F1)、容易氧化有機碳(F2)、較易氧化有機碳(F3)、穩定有機碳(F4)[1,2]。碳氮磷化學計量比能反映碳氮磷含量之間的平衡關系,是描述土壤養分狀況,反映土壤生態過程變化中養分限制狀態的重要指標[3]。人工修復邊坡土壤和天然土壤相比人為干擾更強,植被恢復難度更大,研究人工修復邊坡土壤的有機碳組分和碳氮磷含量及其化學計量比對于其植被恢復有重要意義。

在植被的演替過程中,土壤肥力影響著群落優勢物種的拓殖和更替,有研究表明演替初期是預測生態系統未來的群落結構、演替軌跡和功能動態的關鍵時期,演替初期土壤狀態的變化對植被群落的演替方向和演替速率具有重要的影響[4-6]。尤其退化土地植被演替前期往往受到土壤環境因素的制約,從而導致演替方向改變,演替速率變慢。目前許多學者對演替初期的土壤狀態進行了研究,但研究大多集中在森林[7]、丘陵[8]、草地等[9]天然環境中,對于人為影響較大的人工修復的土壤報道較少。工程擾動不可避免地形成了裸露邊坡,植被混凝土生態防護技術通過構建可供植被生長的生境基材進行邊坡修復,目前這項技術已經在全國得到了廣泛應用。植被混凝土修復基材符合典型的演替過程(裸地—草—草、灌)。在本地物種未大量入侵的演替初期,先鋒物種單一且為非本土物種容易受土壤環境制約而改變群落演替方向和演替速率[10-11]。有研究表明向家壩水電站人工修復邊坡初始各物種重要值接近,后受環境因子的影響最終各樣地表現的生長型結構明顯不一致[12]。因此開展演替初期的基材有機碳組分及C,N,P化學計量比的研究十分必要,不僅便于總體掌握基材質量,還能為后期的養護提供指導和建議,以保證人工修復邊坡向著預想的演替方向發展。

1 材料與方法

1.1 樣地設置

在廣東湛江(21.72°N,110.13°E)、廣西梧州(23.49°N,112.26°E)、湖北宜昌(30.41°N,111.22°E)、河南南陽(33.56°N,112.25°E)、河南焦作(35.21°N,113.24°E)、西藏加查(29.14°N,92.56°E)選擇按《水電工程陡邊坡植被混凝土生態修復技術規范》(NB/T35082-2016)[13]配制的初始基材,初始基材性質相似、植物配制相近,修復2～4 a的典型植被混凝土修復邊坡進行土樣采集、植被調查,各邊坡基本情況與基材性質見表1。各樣地的年平均溫度和年平均降水信息來源于中國氣象信息中心。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample site

1.2 樣品采集

在采集土壤樣品的過程中,于每個樣方內設置3個土壤取樣重復點。因人工植被恢復措施覆土層厚度約為10 cm,故各樣點取土時取表層土壤(0—10 cm)。在每個樣地內按照“S”形,選取5～10個點,去除土壤表層覆蓋的未完全腐化枯落物,將采集的土樣進行混合,保存于密封袋中帶回實驗室,仔細去除其中的植物殘體及土壤動物,進行自然風干,過篩,用于土壤碳、氮、磷的測定以及有機碳組分的測定。

1.3 測定指標與方法

全氮采用半微量開氏法[3],全磷采用HCIO4-H2SO4法[8]。土壤TOC 采用重鉻酸鉀外加熱法,氧化有機碳組分采用改進Walkley-Black方法[11]測定,在10 ml濃度為0.167 mol/L的重鉻酸鉀溶液中分別加入濃度為6,9,12 mol/L的硫酸5,10,20 ml,然后進行加熱,后進行滴定。其中極易氧化有機碳(F1)為6 mol/L時測得有機碳含量,容易氧化有機碳(F2)為9 mol/L測得有機碳含量與6 mol/L 測得有機碳含量之差,較易氧化有機碳含量(F3)為12 mol/L 測得有機碳含量與9 mol/L測得有機碳含量之差,難氧化有機碳含量(F4)為總有機碳(TOC)與12 mol/L 測得有機碳含量之差[11]。

1.4 數據處理

試驗數據使用Office 2010進行初步統計分析,圖形繪制采用Origin 2018,單因素方差分析(Tukey′s-b)和Pearson相關性分析采用SPSS 22.0進行處理,冗余分析用CANOCO 5.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 植被演替初期基材有機碳組分

人工修復邊坡演替初期基材有機碳組分如圖1所示,F1含量的變化范圍為1.10～3.64 g/kg;F2含量的變化范圍為1.33～3.04 g/kg;F3含量的變化范圍為2.02～3.34 g/kg;F4含量的變化范圍為10.86～15.24 g/kg。其中F4含量最高,占TOC含量的50%以上,明顯高于其他3個組分,說明人工修復邊坡在演替初期有機碳以惰性有機碳為優勢。人工修復邊坡演替初期有機碳各組分占有機碳百分比如表2所示,F1/TOC,F2/TOC,F3/TOC,F4/TOC 的變化范圍為7.05%～16.55%,8.60%～13.82%,11.00%～14.36%,58.29%～69.98%。從熱帶到亞熱帶、暖溫帶再到高原氣候帶,各樣地的F1占TOC百分比呈現下降的趨勢,其中位于熱帶的ZJ F1占TOC百分比是位于高原氣候帶DG 的2.34倍。隨著氣候帶的變化F2占TOC 的百分比也呈現下降的趨勢,但下降幅度較F1占TOC百分比小,其中ZJ的F2占TOC百分比是DG 的1.61倍。F3占TOC百分比隨氣候帶的變化無明顯規律,F4占TOC 百分比呈現上升的趨勢,從ZJ的58.29%上升到DG 的69.98%。不同氣候帶下F1,F2,F4含量有顯著性差異(p＜0.05),F3含量無顯著性差異(p＜0.05),表明氣候的變化主要影響F1,F2,F4的含量。

圖1 人工生態修復邊坡演替初期各組分有機碳含量Fig.1 Organic carbon content of each component in slope at the early stage of succession was repaired by artificial ecology

表2 演替初期人工生態修復邊坡有機碳組分占有機碳百分比Table 2 Percentage of organic carbon components in slope repaired by artificial ecology in the early stage of succession %

2.2 不同氣候帶植被演替初期基材C,N,P 含量及化學計量比

人工修復邊坡演替初期的TOC、TN、TP含量如圖2所示,其中TOC 含量變化范圍為15.52～24.71 g/kg;TN 含量變化范圍為0.61～0.93 g/kg;TP 含量的變化范圍為0.81～1.22 g/kg。根據全國第二次土壤普查養分分級標準[14],演替初期的人工修復邊坡TOC表現為中等(DG)、豐富(ZJ,YC,NY,WF)、很豐富(WZ,JZ);TN含量表現為很缺乏(DG)、缺乏(ZJ,WZ,YC,NY,JZ,WF);TP含量表現為中等(NY)、豐富(WZ,WF,DG)、很豐富(ZJ,YC,JZ)。隨著氣候帶的變化,除了JZ其他樣地的TOC總體上表現為下降的趨勢;TN含量表現為熱帶＞亞熱帶＞暖溫帶＞高原氣候帶,且TOC和TN 的總體變化趨勢相同;TP含量隨著氣候帶的變化總體上無明顯規律。

圖2 人工生態修復邊坡演替初期TOC,TN,TP含量Fig.2 TOC,TN and TP contents in slope restoration by artificial ecology at the early stage of succession

人工修復邊坡演替初期碳氮磷化學計量比如表3所示,C:∶N 變化范圍為23.55～27.95;C∶P變化范圍為17.26～23.09;N∶P 的變化范圍為0.72～0.98;C∶N∶P的變化范圍為17.26∶0.75∶1～24.81∶0.95∶1。C∶N,C∶P,N∶P的變異系數分別為7.08%,11.99%,12.15%。從變異系數可以看出,不同氣候帶下修復樣地的碳氮比最穩定,氮磷比最不穩定,說明氣候帶的不同對修復樣地的碳氮比變化影響最小,對氮磷比變化影響最大。

表3 演替初期人工生態修復邊坡碳氮磷化學計量比Table 3 Stoichiometric ratio of carbon,nitrogen and phosphorus in slope repaired by artificial ecology at the early stage of succession

2.3 修復基材有機碳、全氮、全磷含量及其生態化學計量比與環境因子的相關性

以有機碳組分為響應變量,以氣候、土壤性質、物種豐富度為解釋變量進行RAD 分析,分析結果見圖3,表明第一軸和第二軸分別解釋了69.07%,4.07%,其中年平均溫度、物種豐富度和年平均降水量的貢獻率為42.7%(p＜0.05),27.3%(p＜0.01),10.6%(p＜0.05),是有機碳組分的主要影響因子。年平均溫度、物種豐富度與F1,F2,F3,F4均為正相關;年平均降水量與F1,F3,F4呈正相關,與F2呈負相關。以碳氮磷以及碳氮磷化學計量比為響應變量,以氣候、土壤性質和物種豐富度為解釋變量進行RAD 分析,分析結果顯示第一軸和第二軸分別解釋了56.41%,8.68%,其中年平均溫度、物種豐富度、p H、容重的貢獻率分別為32.6%(p＜0.05),33.9%(p＜0.01),13.4%(p＜0.05),13.4%(p＜0.01),為碳氮磷含量及其化學計量比的主要影響因子。年平均溫度、物種豐富度與碳氮磷含量及其化學計量比均為正相關;p H 與氮磷比、碳磷比呈負相關,與碳氮磷含量和碳氮比呈正相關;容重與氮磷比呈負相關,與碳氮磷含量、碳氮比、碳磷比呈正相關。

圖3 有機碳組分、碳氮磷含量及化學計量比與環境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of organic carbon component,carbon,nitrogen and phosphorus content,stoichiometric ratio and environmental factors

3 討論

3.1 演替初期土壤有機碳組分變化特征

有機碳氧化穩定性組分反映了有機碳氧化的難易程度,對土壤的質量和碳循環有重要的意義。其中F1,F2化學穩定性較差對環境變化十分敏感,容易被微生物分解利用,在土壤中周轉速率快;F3和F4化學穩定性強,不易被分解利用,周轉周期長。凋落物在微生物的分解下可快速的轉化成活性有機碳,而活性有機碳向惰性有機碳的轉化較為緩慢[15-16]。地上生物量的增加會導致凋落物的增加。大量易分解的有機碳輸入土壤增加了活性有機碳含量,改變了土壤有機碳的穩定性。此次研究的所有樣地的(F4+F3)/TOC的變化范圍為69.63%～84.34%,高于長期施肥的黃土高原(28%)[17]和不同草地類型(35%)[18],基本低于貧瘠沙化土壤(84%)[19]。表明各樣地有機碳以惰性有機碳為主,且土壤有機碳質量低于長期施肥的黃土高原和不同類型的草地土壤,高于貧瘠沙化土壤。主要原因是演替初期地上生物量不足導致凋落物減少,凋落物數量的減少導致其所分解產生的活性有機碳也隨之減少。從表2可以看出,隨著氣候帶的變化,有機碳的氧化損失逐漸下降,有機碳的固存逐漸上升。溫度和降水會影響有機碳各組分的含量,而有機碳組分對溫度、降水的響應程度主要取決于其對溫度、水分的敏感性大小[20]。F1,F2化學性質不穩定,對于環境的變化十分敏感。同時溫度和降水會降低微生物和酶的活性,減緩凋落物的分解,從而降低活性有機碳的輸入;溫度和降水的減少還會抑制有機碳的礦化,有利于有機碳的固存[21]。冗余分析也證實年平均溫度、年降水量和物種豐富度是有機碳組分主要影響因子。

3.2 演替初期土壤碳氮磷含量變化特征

土壤中的碳氮磷元素是植物生長所必需的元素,其含量對植物的生長和生態系統有重要影響。土壤氮素輸出過程包括氣體丟失、淋溶和植物吸收利用。其中植物吸收利用的氮素主要是銨態氮(NH+4-N)和硝態氮(NO-3-N)兩種無機氮形態。根據全國第二次土壤普查養分分級標準[14]發現人工修復邊坡演替初期表現為氮缺乏,可能是因為植被混凝土人工修復邊坡為弱堿環境。有研究發現弱堿環境會加快土壤中氮的氨化和硝化作用,促進氮素從有機氮轉化為銨態氮(NH+4-N)和硝態氮(NO-3-N),從而不僅易于被植物吸收利用還易于由地表徑流流失和變成氣體消失[22-23]。本研究發現,隨著氣候的變化TOC 和TN總體上都呈現下降的趨勢,這可能是不同氣候帶雨熱條件差異引起的。土壤中的碳氮主要來源于植物根系分泌物和凋落物的分解[24]。溫度的升高和降水的增加一方面增加了凋落物的產量,另一方面提高了微生物和酶的活性,促進了凋落物的分解。植被也是土壤碳氮含量的另一影響因子,植被主要通過凋落物的輸入和根系分泌物來影響土壤碳氮的含量[25]。低緯度地區較高的溫度、豐富的降水以及豐富的植被有利于碳氮的積累。不同氣候帶下各樣地基材中的TP含量有顯著性差異(p＜0.05),但從氣候帶上看無明顯規律,這與亞熱帶地區馬尾松人工林土壤TP含量的緯度格局一致。有研究發現土壤中的TP 含量在短期內相對穩定,受環境的影響較小,土壤TP 含量主要受土壤母質、氣候和植物等多種因素的影響[26-27]。其中土壤母質是土壤TP的主要來源,氣候主要通過降水和淋溶作用來影響土壤中的TP含量。本研究的樣地從南到北緯度跨越較大,土壤母質也千差萬別,因此本研究中土壤TP含量的變化可能是氣候和土壤母質共同作用的結果。

3.3 演替初期土壤碳氮磷化學計量比變化特征

土壤碳氮磷化學計量比能有效反映土壤質量和養分循環狀態。本研究中土壤C∶N 的變化范圍為22.98～27.95高于中國土壤C∶N 的平均值14.4,基材中氮缺乏造成C∶N 偏高。C∶P 的變化范圍為17.2～24.81遠遠低于中國土壤C∶P的平均值136;N∶P的變化范圍為0.72～0.98顯著低于中國土壤N∶P平均值9.3[28],從基材碳氮磷化學計量比可以看出基材表現為明顯的磷富集。土壤中的磷元素主要來源于巖石的風化,在植被演替過程中,植被對磷的吸收增加,導致磷元素逐漸下降[29]。但是由于本研究中人工修復邊坡演替時間短,短時間內植被吸收的磷元素有限,且基質中添加的活化添加劑中含有磷元素,因此本研究中人工修復邊坡基質表現為磷富集。本研究中隨著氣候帶的變化各樣地基材的C∶N 比相對穩定,變異系數為7.08%,表明碳氮的變化在空間上具有一致性,這與全國C∶N 相對穩定的結果一致[30]。C∶N 和N∶P的變異系數相對較大,分別為11.99%,12.15%,主要是因為各樣地基材中TP含量差異顯著(p＜0.05)且無明顯的變化規律。

4 結論

演替初期人工修復邊坡有機碳組分主要以惰性有機碳為主,有機碳穩定性較強;溫度和水分會影響有機碳組分的含量且主要影響穩定性較差的活性有機碳。在低緯度地區有機碳容易氧化損失,因此在后期養護中要對低緯度地區的有機碳含量進行適當的監測,以保證植物的正常生長。

演替初期人工修復邊坡碳磷表現為中等及以上,氮表現為缺乏,并且溫度的降低和降水的減少會使土壤中碳氮的含量下降,對于磷素無明顯影響。在后期養護中需要施加氮肥,尤其是溫度低降水少的地區,避免出現氮限制而抑制植物的生長。演替初期的人工修復邊坡的碳氮磷化學計量比表現為磷富集,在后期的養護中可以避免因為磷限制而抑制植物的生長。

人工修復邊坡演替初期基材中有機碳組分的主要影響因子為年平均溫度、物種豐富度和年平均降水;土壤碳氮磷含量及其化學計量比主要影響因子為年平均溫度、物種豐富度、p H 和容重。