沂蒙山区干旱瘠薄山地土壤生态承载力研究

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我国是世界上人工林面积最大的国家,全球2000年到2017年新增绿化面积中,约四分之一来自中国。但是,随着人工造林工程的不断深入,适宜造林空间的减少与大量干旱瘠薄山地利用难的问题逐渐凸显。由于立地环境差,生态承载力低、林分质量差等一系列问题,导致多数干旱瘠薄山地未得到有效利用。森林是陆地生态系统的主体,在全球碳(C)循环中扮演着重要角色。提升干旱瘠薄山地森林固C能力,提高森林土壤生态承载力,对我国森林生态系统C库储量的提高,土壤生态系统服务功能的增加具有重要作用。目前对沂蒙山区是我国的革命老区,又是生态脆弱区,该区域土壤干旱瘠薄。对干旱瘠薄山地的研究多集中在土壤养分、水分条件等方面,针对土壤理化特性研究较多,对不同群落土壤和凋落物胞外酶活性、微生物代谢和土壤生态承载力研究不足,同时也忽视了凋落物作为养分转化的载体对土壤承载力的阐释。本研究以沂蒙山区国有大洼林场干旱瘠薄山地的麻栎(Quercus acutissima)林、黑松(Pinus thunbergii)林、麻栎黑松混交林、灌丛和草丛等典型群落为研究对象,分析不同季节的土壤水分、养分含量和胞外酶活性,凋落物纤维素、养分含量和胞外酶活性,确定不同群落土壤和不同分解阶段凋落物的化学计量,探讨不同群落土壤和凋落物微生物代谢的养分限制及其影响因素,并阐明凋落物性质对土壤养分的影响。同时对生长季和非生长季土壤、凋落物微生物进行高通量测序,明确不同群落土壤和不同分解阶段凋落物真菌、细菌多样性及组成变化,分析微生物组成与土壤和凋落物性质的关系。自然状态下,反映土壤、凋落物性质的指标受季节影响较大,会对土壤生态承载力评价产生影响,导致其评价值也随季节发生变化。本文为减少季节变化的影响,获得以年为单位的时间尺度上土壤生态承载力的评价值,运用一年内不同季节土壤、凋落物性质指标对沂蒙山区干旱瘠薄山地土壤生态承载力进行综合评价,应用TOPSIS模型和熵权法分别评价不同群落土壤层承载力和凋落物层承载力,结合土壤及凋落物指标综合评价不同群落土壤生态承载力并探讨指标的适宜阈值。主要研究结果:(1)不同群落土壤砂砾占比多,秋季水分亏缺严重。土壤水分含量夏季、秋季和冬季麻栎林和混交林低于灌丛和草丛,麻栎林的水分变化范围是5.53-13.32%,混交林的变化范围是5.04-13.61%,属于偏干旱土壤。(2)沂蒙山区干旱瘠薄山地土壤NO3--N含量偏低,且夏季土壤NO3--N含量显著低于其他季节,不利于林木生长。不同季节、不同群落土壤NO3--N含量均较低,春季灌丛NO3--N含量最高,仅为19.55 mg·kg-1。此外,夏季作为生长季,植物对养分需求大,但不同群落夏季NO3--N含量均显著低于其他季节,麻栎林、黑松林、混交林、灌丛和草丛夏季NO3--N含量分别比其对应含量最高的季节低93.81%、94.47%、79.43%、87.06%和90.04%,影响林木生长。(3)不同群落的土壤及凋落物微生物代谢受磷(P)限制。将胞外酶活性经对数转换后,再通过计算得到矢量角度用来量化微生物代谢限制情况。矢量角度小于45°表明微生物代谢受氮(N)限制,大于45°表明微生物代谢受P限制。对不同群落、不同季节土壤胞外酶活性经对数转化后计算的矢量角度分析,麻栎林不同季节矢量角度变化范围是48.39°-54.37°,黑松林不同季节矢量角度变化范围是48.26°-54.31°,混交林不同季节矢量角度变化范围是43.83°-58.38°,灌丛不同季节矢量角度变化范围是53.51°-58.86°,草丛不同季节矢量角度变化范围是54.88°-61.07°,除混交林冬季矢量角度为43.83°外,均大于45°,说明不同群落土壤微生物代谢受P限制。对不同群落、不同季节凋落物胞外酶活性经对数转化后计算的矢量角度进行分析,麻栎林不同季节矢量角度变化范围是46.15°-66.31°,黑松林不同季节矢量角度变化范围是48.44°-67.82°,混交林不同季节矢量角度变化范围是44.83°-62.78°,灌丛不同季节矢量角度变化范围是46.60°-57.03°,草丛不同季节矢量角度变化范围是45.64°-64.93°,除混交林冬季凋落物已分解层矢量角度为44.83°外,均大于45°,说明不同群落凋落物微生物代谢受P限制。因此,微生物代谢受限制,无法充分发挥其功能作用,不利于凋落物分解、养分转化及土壤与凋落物间的物质循环。(4)黑松林凋落物未分解层具有较高的C含量和较低的P含量与分解速率。秋季不同群落、不同分解层凋落物纤维素含量随分解程度的加深呈下降趋势,并且麻栎林(12.56%)、黑松林(19.77%)和混交林(13.25%)未分解层纤维素含量显著高于其他季节;夏季不同群落凋落物半分解层纤维素含量显著低于其他季节。不同群落凋落物春季、夏季、冬季的C含量随着分解程度的加深呈降低趋势,秋季C含量呈先降低后升高趋势;秋季不同群落凋落物未分解层N含量增多;凋落物C:N在春夏冬季表现为随着分解程度的加深呈逐渐降低趋势,黑松林凋落物未分解层相对较高为129.51、99.15、131.83,表明分解速率较低,与其他季节差异显著。(5)凋落物化学性质、酶活性与土壤微生物代谢限制密切相关,不同群落凋落物的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性与其微生物C限制呈正相关,亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性与其微生物P限制呈负相关。不同群落、不同分解阶段凋落物微生物代谢限制受不同因素影响,凋落物酶活性、化学计量、养分对微生物代谢限制产生的效应不同。(6)非生长季土壤微生物多样性优于生长季。生长季黑松林土壤细菌Chao1指数、Shannon指数、Observed species指数显著高于麻栎林24.30%、6.62%、25.57%和混交林23.13%、5.54%、21.93%;非生长季为灌丛土壤Chao1指数、Shannon指数、Observed species指数显著高于草丛28.48%、7.09%和27.19%。生长季土壤真菌Chao1指数、Shannon指数、Simpson指数中草丛最高,麻栎林和灌丛相对较少,非生长季灌丛高,草丛和混交林相对较低。(7)不同群落土壤生态承载力评价均为中等偏下等级。选择TOPSIS模型和熵权法综合评价不同群落土壤生态承载力;黑松林土壤层承载力较高,麻栎林和混交林相对较低;草丛凋落物层承载力高,黑松林和麻栎林相对较低;不同群落土壤生态承载力评价结果表明黑松林承载力高,其次是灌丛,麻栎林和混交林较低为0.37和0.38,属于承载力评价较低等级。通过对沂蒙山区干旱瘠薄山地不同群落的土壤生态承载力及其评价指标的研究发现,麻栎林、黑松林和混交林的砂砾含量较多,贮水性能相对较低,水分流失相对较快,从而加速养分流失,影响土壤养分的有效性。同时,凋落物输入对土壤微生物代谢、养分循环等产生影响,继而影响土壤生态承载力。麻栎林和混交林的土壤水分、养分含量低,在土壤生态承载力评价中属于较低等级。因此,在沂蒙山区群落的经营管理中,应该对麻栎林和混交林进行合理干预,通过优化土壤和凋落物环境等综合技术手段提升土壤生态承载力,促进麻栎林和混交林的生长,提高林分质量。
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