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在茂兰喀斯特地区选取原生林、次生林、灌术林和草地4种植被类型,通过测定各生态类型下土壤理化性质、生物学特性、微生物量碳δ13C值(δ13Cmic)、土壤有机碳δ13C值(δ13Csoc)、土壤CO26δ13C值(δ13CCO2)、枯落物δ13C值(δ13Clitter)等指标,研究不同植被覆盖下、不同小生境内土壤的理化性质和生物背景特征,以及土壤微生物晕碳对土壤CO2δ13C值的影响,探讨土壤微生物对土壤CO2δ13C的调控作用。以期为退化喀斯特生态系统恢复工作中的生境优选提供理论依据,为准确利用洞穴沉积物、土壤次生碳酸盐的稳定碳同位素信号重建古植被格局提供数据参考。主要认识如下:
(1)植被退化过程中,土壤质地和结构仍较好,并没有出现粘质化、干旱化的明显趋势;植被生物量和土壤营养元素含量随生态系统逆向演替而呈现出明显下降趋势。
(2)土壤有机碳含量处于1级极高水平;原生林土壤速效磷含量处于中高水平,基本能满足植物生长需要,另外3种生态系统中土壤速效磷含量都很低,可供植物生长所需的磷不足;土壤速效钾含量也较低,原生林仅为中级水平,次生林和灌木林处于低级水平,草地为极低水平,土壤中可供植物生长所需的钾不足;以16mg/kg为缺硫临界值的诊断标准,研究区土壤硫素基本能满足植物生长需要。
(3)植被逆向演替过程中,土壤脲酶、蛋白酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性降低,蔗糖酶活性升高,土壤真菌数量急剧下降,但细菌数量、放线菌数量有不同程度的增加,说明植被退化导致土壤微生物可利用的养分减少,其活性受限,分解氧化能力下降,土壤中难分解的有机质含量增加。此外,三大类群微生物数量与酶活性的相关性分析表明:土壤微生物是土壤酶的重要来源;土壤酶不仅具有专属性,还存在一定的共性;真菌与放线菌、真菌与细菌间的养分竞争十分激烈,尽管真菌的绝对数量远小于细菌和放线菌,但其生长活跃,在有机质分解转化中扮演着重要角色。
(4)植被逆向演替过程中,BC、BN含量降低。各样地BC、BN在剖面中均呈现明显的垂直分布特征,即BC、BN随土层深度的增加而降低;受根生物量垂直分布的影响,0～20cm土层的BC、BN分布较均匀,变异系数较小,而20～40cm土层的BC、BN变异较高。受研究区特有的微生物群落结构和氮形态的影响,BC/BN值较低,在1.35～4.82之间。供试土壤的微生物熵(qSMBC)仅为0.84％～1.81%,表明BC对土壤有机碳库的贡献率较低。BC、BN与土壤理化性质的相关性分析表明,BC、BN可以作为表征本研究区土壤肥力的敏感因子。此外,研究区BC、BN在冬季是植物有效碳、氮的重要储备库,而夏季是源。
(5)土壤基础呼吸强度随植被逆向演替而降低,说明土壤有机残体的分解速度和强度都随植被退化而下降。代谢熵(qCO2)在植被退化过程中的变化趋势与生态系统演替论不完全一致,是因为qCO2作为生态系统演替的生物指标具有一定的局限性。
(6)土壤各理化指标、生物学指标基本都表现出石缝生境和石沟生境优于土面生境的特点,说明在退化植被的恢复过程中,应该加大对石缝生境和石沟生境的利用,特别是对绝对面积较大的石沟生境的利用。
(7)研究区植物属于典型的C3植物,虽然生态类型出现了明显转换(原生林→次生林→灌木林→草地),但植物的稳定碳同位素组成变化并不大。δ13Csoc与δ13Clitter的差异高达6.67‰,δ13Csoc在剖面中的最大变幅高达4.18‰,主要是受微生物分解作用的影响。剖面中δ13Csoc相对δ13Clitter的升幅沿次生林→原生林→灌木林→草地方向减小,说明植被逆向演替过程中,土壤微生物活性随之降低。δ13CCO2随土壤深度的变化特征在各样地间并不一致,可能是受剖面中根生物量变化的影响;各样地δ13CCO2在剖面中变化幅度的差异则表明植被逆向演替过程中土壤呼吸速率逐渐降低。
(8)δ13Cmic无明显季节变化特征,可能由微生物群落结构引起。δ13Cmic、δ13CCO2均随植被逆向演替而逐渐趋正。受生态系统稳定性以及微生物活性差异的影响,δ13Cmic、δ13Csoc以及δ13CCO2在不同植被系统巾有一定差异。
(9)通径分析结果表明,对研究区δ13CCO2直接作用最大的因子是枯落物,其次是根系和微生物量碳,有机碳的直接作用最小且为负效应,这与微生物对有机质的选择性利用有关。兼顾通径系数及简单相关系数发现,枯落物、微生物量碳和根系都对δ13CCO2有重要影响。根系对δ13CCO2的影响体现了植物遗传因子的重要性,枯落物对δ13CCO2的影响实际体现的是微生物的分解代谢作用。