岷江上游山地森林干旱河谷交錯帶植被恢復對土壤微生物量及酶活性的影響

岷江上游山地森林干旱河谷交錯帶植被恢復對土壤微生物量及酶活性的影響

干旱河谷主要分布在青藏高原東高山峽谷，地質深度大，垂直高差大。高原東部的氣候特征主要表現在高熱量和低水分上。雖然大多數地區(qū)的降雨量在600mm左右,但主要集中在6-10月,干旱季長達半年。與此相反,熱量非常充沛,其大于10℃的有效積溫均在7000~8000℃以上,相當于熱帶和南亞熱帶的熱量水平,這樣的高熱量導致蒸發(fā)量遠遠高于降雨量。缺水、高鹽、高堿性和有效性肥力水平低是干旱河谷區(qū)土壤存在的主要問題。該區(qū)的植物種類貧乏,種子植物區(qū)系以溫帶成分占優(yōu)勢,與熱帶成分有緊密的聯系;植被具荒漠化、半荒漠化性質,且程度在加重。楊兆平等對岷江上游干旱河谷景觀邊界動態(tài)及其影響域的研究表明,干旱河谷外緣800m范圍內的區(qū)域,是干旱河谷抵抗周圍景觀影響和外來干擾的緩沖地帶。因此,該區(qū)現存的山地森林/干旱河谷交錯帶對控制由于人類活動過度干擾和各種自然災害頻繁發(fā)生引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化,干旱河谷邊界上限沿垂直方向抬升等方面有著重要的生態(tài)服務功能和戰(zhàn)略地位。從土壤肥力、水分狀況隨海拔高度的變化也表明,在干旱河谷區(qū)山地垂直方向上的植被恢復沿交錯帶從上到下進行,最后突破最困難的干旱河谷低海拔地段是提高該區(qū)植被恢復成效的主要途徑之一。土壤質量是土壤的許多物理、化學和生物學性質的綜合體。運用微生物量、微生物群落組成及酶活性等土壤生物學特性參數來表征土壤質量變化及其動態(tài)已日益受到重視。本文針對岷江上游干旱河谷水土流失嚴重和生態(tài)退化的特點,選擇典型山地森林/干旱河谷交錯帶不同植被類型進行土壤微生物量及土壤酶活性研究,以期了解該地區(qū)植被恢復過程中對土壤肥力變化的影響,為岷江上游干旱河谷區(qū)植被恢復提供一些基本依據。1材料與方法1.1研究區(qū)自然狀況研究區(qū)設在四川省西部理縣干旱河谷的典型地帶雜谷腦河支流的甘堡鄉(xiāng)熊耳山(31°31′6″-31°32′10″N,103°12′25″-103°13′36″E),是一典型的山地森林/干旱河谷交錯帶陽坡區(qū)域。該區(qū)位于青藏高原東部,阿壩藏族羌族自治州東南緣,區(qū)內谷坡陡峭,谷地幽深,嶺谷高差懸殊,屬于典型的高山峽谷區(qū),地質結構屬龍門山斷裂帶中段,境內山巒起伏,平均海拔2700m。該區(qū)屬山地季風氣候,垂直氣候帶明顯,具有典型的干旱河谷氣候。該區(qū)10月至第2年4月為干旱少雨期,大多降水集中在5-9月,年均氣溫11.0℃,>0℃積溫3800~4500℃,>10℃的有效積溫3200~3800℃,無霜期190d,年干燥度1.6~2.5,全年日照時數在1200~2000h,年降水量為400~600mm,蒸發(fā)量為降水量的2~4倍。在研究區(qū)范圍內按不同植被類型分為封禁造林地、闊葉混交林、灌木林、針闊混交林、次生林。按海拔(2550~2780m)從低到高分為干旱河谷、交錯帶山地森林下緣、山地森林這3個地段。封禁造林地處于干旱河谷地段;闊葉混交林、灌木林、針闊混交林處于同一海拔高度為交錯帶山地森林下緣地段;次生林處于山地森林段。其中闊葉混交林和針闊混交林為開展退耕還林工程后于2002年營造的人工林,次生林和灌木林為自然恢復的植被類型。1.2土樣的采集于2008年8月在研究區(qū)的五個樣地內每隔5m按等邊三角形設置3個采樣點挖土壤剖面,每個剖面按0-10cm,10-20cm分層采集土樣。土樣混合后冷藏并迅速帶回實驗室,一份鮮樣去雜、過2mm篩后貯藏于4℃的冰箱內,供微生物量的測定;另一份風干、去雜、過2mm篩后供土壤酶活性及養(yǎng)分的測定。1.3土壤樣品的分析1.3.1土壤微生物量的測定采用氯仿熏蒸法熏蒸后用硫酸鉀浸提,用TOC-Vcph型TOC分析儀測定微生物生物量碳(microbialbiomassC,Cmic)、氮(microbialbiomassN,Nmic)。土壤微生物量碳系數為2.22,土壤微生物氮系數為1.85。1.3.2土壤酶活性的測定脲酶活性的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法;蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法;過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法;蛋白酶活性的測定采用茚三酮比色法。1.3.3土壤養(yǎng)分含量的測定用pH原位計測定土壤pH;重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳;凱式定氮法測定土壤全氮;水解氮測定采用堿解擴散法;氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法測定全磷;雙酸浸提法測定有效磷;氫氧化鈉堿熔,火焰光度計法測定全鉀;醋酸銨浸提,火焰光度法測定速效鉀。土壤的理化性質見表1。2結果與分析2.1岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶不同林分類型土壤微生物量碳、氮的變化由表2可以看出,經過植被恢復,岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶不同林分土壤微生物碳、氮濃度和微生物熵的變化較大。0-10cm土層微生物碳含量為次生林>針闊混交>灌木林>封禁造林地>闊葉混交,除封禁造林地與闊葉混交、灌木的差異不顯著(P>0.05),其它林分間土壤微生物碳含量的差異性都達到了顯著水平(P<0.05);10-20cm土層微生物碳含量為次生林>灌木林>針闊混交>闊葉混交>封禁造林地,封禁造林地與闊葉混交林間差異不顯著(P>0.05),灌木與針闊混交林間差異不顯著(P>0.05),其它林分間土壤微生物碳含量的差異性顯著(P<0.05)。土壤0-10cm土層微生物氮含量為次生林>灌木林>針闊混交>封禁造林地>闊葉混交,除次生林與灌木林間差異不顯著(P>0.05),其它林分間差異顯著(P<0.05);10-20cm土層微生物氮含量為次生林>灌木林>針闊混交>封禁造林地>闊葉混交,除針闊混交和封禁造林地間差異不顯著(P>0.05),其它林分間差異顯著(P<0.05)。比較相同林分不同深度土層土壤微生物碳、氮含量發(fā)現,5種林分類型土壤剖面中土壤微生物量碳、氮含量變化趨勢基本一致,都隨著土壤深度的增加,微生物碳、氮含量呈下降趨勢。從總體上看,隨著海拔的升高、地表植被的恢復,在0-10cm的表層土壤中次生林的土壤微生物量碳、氮含量最高,表明隨著植被的演替,枯枝落葉以及土壤理化性質的改善,微生物的生存環(huán)境也趨于穩(wěn)定,使土壤更加適應了微生物的生長繁殖;而闊葉混交林地表層土壤的微生物量碳、氮含量最低,造成這種現象的原因可能是退耕還林后雖然林木恢復較好,但林下灌叢、草本植被受牲畜啃食、踐踏,致使林內土壤板結,林下灌草植被有機質歸還量減少;在進行封禁管理的干旱河谷地段,地表植被得到很好的恢復,雖然封禁時間較短,且自然環(huán)境條件較差,但由于保護較好,因而較造林時間較長的闊葉混交林好;自然恢復的灌木林其建群種多為沙棘、虎榛子、白刺花等帶刺植物且生長茂盛,牲畜難以進入,干擾較小,對土壤的改良效果也較好;由此可見,在該區(qū)植被恢復中消除人為干擾特別是放牧干擾對植被的恢復尤為重要。土壤微生物碳與有機碳的比值(MBC/SOC)也稱為土壤微生物熵,微生物熵的變化反映了土壤中輸入的有機質向微生物量碳轉化的效率、土壤碳損失和土壤礦物對有機質的固定,可以用來表示土壤過程或土壤質量的變化、預測土壤有機質長期變化或監(jiān)測土壤退化及恢復情況。不同林分的微生物熵隨海拔升高其變化無明顯規(guī)律(表3),土壤0-10cm土層微生物熵為封禁造林地>闊葉混交>針闊混交>次生林>灌木林,其中灌木與次生林間差異不顯著(P>0.05),其它林分間差異顯著(P<0.05)。10-20cm土層微生物熵為灌木林>闊葉混交>次生林>封禁造林地>針闊混交,林分間差異顯著(P<0.05)。有研究者認為,用微生物熵來表示土壤過程或土壤質量的變化,比單獨應用微生物量碳或土壤有機碳要有效得多。如,Saggar等研究耕作土壤有機碳和微生物量碳動態(tài)時發(fā)現,土壤微生物熵比微生物量碳變化更明顯。Sparling等認為,如果土壤被過度使用,土壤微生物量碳將會較快下降,最終導致土壤微生物熵降低。從本實驗結果來看,微生物熵為1.30%~3.53%,與相關文獻中報道的1%~5%一致。2.2岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶不同林分土壤酶活性的變化土壤酶系統(tǒng)是土壤中生物活性最強的部分,盡管積累在土壤中的酶以質量計的數量很小,但是作用頗大,其與植物生長之間存在必然的內在聯系。土壤酶活性見表3。2.2.1脲酶岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶植被經過恢復后,0-10cm表層土壤的脲酶活性在各林分間差異不顯著。10-20cm土層,其中灌木林地的脲酶活性最高,分別比次生林和封禁造林地高27.63%和47.33%,且差異顯著;而與闊葉混交和針闊混交間差異不顯著。2.2.2蔗糖酶同一土壤深度不同林分間土壤蔗糖酶活性相差較大。在0-10cm的表層,蔗糖酶的活性為針闊混交>闊葉混交>灌木林>次生林>封禁造林地,除闊葉混交與灌木林間差異不顯著外其他林分間差異顯著;10-20cm土層,蔗糖酶的活性為針闊混交>闊葉混交>次生林>灌木林>封禁造林地,其中闊葉混交林與次生林間差異不顯著,其他林分差異顯著。2.2.3過氧化氫酶土壤過氧化氫酶活性在同一土層深度不同林分間變化均較大。在0-10cm的表層,過氧化氫酶的活性為灌木林>次生林>針闊混交=封禁造林地>闊葉混交,針闊混交與封禁造林地的過氧化氫酶活性相同,其他林分間差異顯著;10-20cm土層,灌木林>次生林>針闊混交>封禁造林地>闊葉混交,封禁造林地與闊葉混交差異不顯著,其他林分間差異顯著。2.2.4蛋白酶土壤蛋白酶活性在同一土層深度不同林分間變化均較大。在0-10cm的表層土壤中,針闊混交林與次生林土壤蛋白酶活性分別比封禁造林地提高了36%,32%,差異達顯著水平;闊葉混交、灌木林土壤蛋白酶活性均高于封禁造林地,但林分間差異不顯著。10-20cm土層,闊葉混交土壤蛋白酶活性比封禁造林地提高了44%,灌木林和針闊混交林均比封禁造林地高25%,次生林比比封禁造林地高66%,且差異顯著。闊葉混交和灌木林的蛋白酶活性在同一土層間差異均不顯著。土壤中氮的轉化與脲酶、蛋白酶活性相關,蔗糖酶的活性可以反映土壤中碳元素的轉化和呼吸強度,過氧化氫酶與土壤有機質的轉化速度有密切的關系纖維素酶與土壤中纖維素含量有關。楊芳等對川西亞高山森林土壤酶活性分布特征的研究表明,灌叢的蔗糖酶活性最高、云杉針葉林的過氧化氫酶活性最高、白樺林的脲酶、蛋白酶活性最高。在本研究中,從全剖面的平均來看,脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶3種酶的活性均表現為交錯帶山地森林下緣地段>交錯帶山地森林段>干旱河谷地段,而蛋白酶活性表現為交錯帶山地森林段>交錯帶山地森林下緣地段>干旱河谷地段。說明在岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶隨著植被的恢復,土壤酶活性的變化呈現一定的反復性,在干旱河谷地段植被建立初期,主要以旱生低矮灌叢荒草為主的封禁造林地植被蓋度小,植被改造土壤的能力較弱,土壤有機物質積累緩慢,不利于微生物的生長和繁殖,土壤酶活性緩慢提高;隨著海拔的升高,在交錯帶山地森林下緣地段群落環(huán)境開始形成,土壤有機質積累增多,微生物的種類和數量均大幅度增加,土壤酶活性也隨之快速增加;在交錯帶山地森林段,群落逐趨穩(wěn)定,土壤生物活性表現為緩慢增長的趨勢。比較同一林分不同土層深度土壤酶(脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和蛋白酶)活性發(fā)現,各林分規(guī)律相同,即隨著土層深度的增加,土壤酶活性均呈下降的趨勢。2.3土壤微物量、土壤酶與土壤養(yǎng)分的相關性分析土壤微生物一方面分解土壤有機物質,使有機物質轉化成有效養(yǎng)分,另一方面,固持和保蓄土壤中的無機營養(yǎng)元素,微生物量越大,土壤保肥作用越強,并使土壤養(yǎng)分趨于積累。已有研究表明,土壤微生物量庫的微小變化都會影響到養(yǎng)分的循環(huán)和有效性。土壤養(yǎng)分含量,尤其是土壤有機質是土壤微生物重要的碳源和氮源,而土壤微生物的種類和數量又在某種程度上決定土壤酶的來源。為了探討土壤養(yǎng)分與土壤微生物量以及酶活性之間的關系,將上述土壤性質間的相關系數列于表4。土壤微生物碳、微生物氮與有機碳、全氮和有效氮之間均呈極顯著正相關關系,與pH呈負相關關系,微生物碳與有效磷和有效鉀呈顯著正相關關系,與全磷、全鉀呈正相關關系,微生物氮與有效磷呈顯著正相關關系,與全磷、全鉀和有效鉀呈正相關關系。脲酶與有效鉀呈極顯著正相關關系,與全氮、有效氮、全磷、有效磷呈顯著正相關關系,與有機碳、全鉀呈正相關關系,與pH呈負相關關系;蔗糖酶與有效鉀呈極顯著正相關關系,與有效氮、有效磷、全鉀呈顯著正相關關系,與pH呈顯著負相關關系,與土壤養(yǎng)分其他養(yǎng)分呈正相關關系;過氧化氫酶與全氮呈極顯著正相關關系,與pH呈負相關關系,與土壤其他養(yǎng)分呈正相關關系,但均不顯著;蛋白酶與pH呈極顯著負相關關系,與有效氮、有效磷和有效鉀呈極顯著正相關關系,與有機碳、全鉀呈顯著正相關關系,與全氮、全磷呈正相關關系,但不顯著。通過對土壤微生物量、土壤酶與土壤養(yǎng)分的相關性分析表明,土壤微生物量和土壤酶活性在交錯帶中隨海拔的下降而減少與土壤養(yǎng)分的喪失有直接的關系。本研究結果與一些有關學者的研究結論相似,曹成有等對科爾沁沙質草地沙漠化過程中土壤生物活性的研究結果表明,土壤微生物量(