辽东山区林参复合经营土壤质量变化机理及其评价研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:david_jts
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走可持续发展道路,发展资源节约和环境友好型的土地利用生产方式,是当前处于人口、资源、环境等压力的时代背景下,人类发展的必然选择。农林复合经营作为一种历史悠久、具有多重效益的土地利用方式之一,正逐渐被全世界广泛采用。与此同时,在我国深化林业改革,转变林业发展方式的过程中,林下经济通过充分利用林下空间,发挥林区的绿色资源优势已被认为是发挥生态系统环境功能、提高地方经济水平和增加农民经济收入的有效方式。其中,林参复合经营是我国东北地区典型的林下经济模式之一。然而,目前对于林参复合经营的土壤质量研究较少,不够系统,对于林下参生长过程中面临的浸染型和生理性病害,连作障碍等问题依然没有良好的解决。因此,本文系统开展了林参复合系统土壤质量变化机理及其评价研究,以期为林参复合经营土壤质量问题的解决提供参考,具有重要的理论意义和现实价值。  本研究以辽东地区桓仁满族自治县为研究区域,以该地区广泛分布的阔叶混交林(Broad-leaved mixed forest,BM)、针阔混交林(Conifer and broad-leaved mixed forest,CB)和蒙古栎纯林(Quercus mongolica forest,QM)三种林参复合经营林分类型为研究对象,分别选择阔叶林下3年、6年、9年和12年,针阔混交林下14年,蒙古栎纯林下20年人参样地和各自未栽种人参对照样地共9种类型进行研究,旨在揭示不同年限人参土壤的物理、化学和生物质量的变化特征,人参土壤质量因子之间的关系,并构建林参复合系统土壤质量评价最小数据集对各样地人参土壤进行定量评价。本文的主要研究结果如下:  1)对三种林分下不同种植年限人参土壤的比较发现,人参的种植对于土壤的物理性质无显著影响。对于土壤化学养分含量,除全K以外,阔叶混交林中,3-12年人参土壤基本呈现出波动性下降的趋势,其中6年人参土壤是一个明显的转折点;针阔混交林和蒙古栎纯林中,基本上显著下降。对于土壤微量元素,阔叶混交林中,3-12年人参土壤Fe、Mn、Zn呈现出波动性变化的趋势,而Cu、Pb无明显变化;在针阔混交林中,14年人参土壤均有所下降,其中Pb下降显著;在蒙古栎纯林中,20年人参土壤除Fe无明显变化外,其余均显著下降。对于土壤微生物量而言,阔叶混交林中,3-12年人参土壤呈现出波动性变化的趋势,其中6年人参土壤微生物量碳、氮含量最高,说明这一阶段是人参生长的一个活跃时期;针阔混交林和蒙古栎纯林中,14年和20年人参土壤微生物生物量均显著下降。对于土壤酶活性而言,阔叶混交林中,POD酶活性呈现出波动性上升的趋势,而NAG酶活性在3年时降到最低,6年时升到最高,此后至12年有所下降,βG和AP两种酶活性则在3年有所降低,6年时有所上升,此后至12年时基本保持稳定;针阔混交林中,14年人参土壤除POD酶活性显著上升以外,其它三种酶活性显著降低;蒙古栎纯林中,20年人参土壤四种酶活性均显著降低。  2)本研究中,林参复合系统土壤养分和土壤微生物间的相关主要由养分中的有机质、全氮、全磷、全钾、Cu和微生物中的真菌、微生物量碳、微生物量氮引起的。土壤养分和酶活性间的相关主要由养分中的有机质、全氮、全磷、速效磷、Mn、Fe和酶活性中的β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶引起的。土壤微生物与酶活性的相关主要由微生物中的细菌、放线菌、微生物量碳和酶活性中的β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶引起的,同时其它因子间也具有较高的相关性。三种林分下不同年限人参土壤的养分、微生物和酶活性在典型变量上的排序结果具有较好的生化意义。  3)三种不同林分下土壤微生物数量、种类和生物量存在明显差异,其中,针阔混交林和蒙古栎纯林比较接近,二者显著高于阔叶混交林。考虑到立地条件的相似性,其差异主要来源于林分类型和林龄的影响。其中,阔叶混交林下不同年限人参根围土壤微生物数量和种类呈现出一种波动性变化;微生物生物量在3年最低,此后6年、9年、12年逐渐增加,但与对照土壤并不显著;在微生物群落结构和多样性方面,同样呈现出波动性变化,其中,6年人参可能是人参土壤微生物变化比较明显的时期之一。针阔混交林下,14年人参根围土壤微生物数量和种类与对照土壤相比,无明显变化;微生物生物量有所增加,但并不显著;微生物菌群结构和多样性也无明显变化,说明微生物群落比较稳定,土壤环境依然处于适宜于人参生长的状态。蒙古栎纯林下,20年人参根系土壤微生物数量和种类与对照样地相比,有明显下降,微生物生物量显著降低,放线菌比例显著降低,真菌比例有所增加,G+/G-有所增加,均匀度有所增加,土壤微生物菌群趋于更加稳定的平衡状态。此外,微生物生物量与土壤容重、pH呈现出负相关的关系,与土壤养分、酶活性等因子呈现出正相关的关系。研究认为,6年左右是人参生长一个转折点,此时人参的生长相当活跃;14年左右可能是另一个转折点,此时人参的生长开始逐渐减缓;到20年左右,人参生长已经基本稳定。  4)研究区林参复合经营土壤质量评价MDS共包括了8项土壤因子,其中,物理因子包括容重,可用来表征土壤的结构、透气、透水性等方面;化学因子包括pH、有机质、速效K、全Zn,可用来表征土壤的酸碱度、养分含量和微量元素的状态;生物学因子包括MBN、AP、细菌,可用来表征土壤养分转化速率、酶活性以及微生物活性等方面。在此基础上,定量计算了9种样地的土壤质量值,其中,CBCK(0.764)>QMCK(0.745)>CB14(0.614)>QMCK(0.385)>BM12(0.361)>BMCK(0.354)>BM6(0.323)>BM9(0.308)>BM3(0.230),该评价结果与实地观测基本一致。另外,从本研究林分类型看,针阔混交林最适宜人参种植,蒙古栎纯林略微次之,阔叶混交林较差,这可能与林分树种类型以及林龄有关;从种植年限来看,随着人参种植年限的增加,土壤质量值逐渐降低,但阔叶混交林不同年限人参土壤质量值有所波动,这可能一方面与12年间人参生长活跃程度变化有关,另一方面与该林分立地特征较差,一定程度上影响了人参的生长,从而间接影响土壤质量的变化有关。
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