三峡水库消落区土壤有机碳动态格局与微生物学特征

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉植物园) | 被引量 : 0次 | 上传用户:niuniu04
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三峡大坝自建立以来,由于三峡工程的反季节水位调控,库区周围形成的一段特殊的河岸带湿地生态系统,即为三峡水库消落区。三峡大坝的建设改变了河岸带生态系统原有的植被类型和水文平衡,进而影响土壤碳(carbon,C)氮(nitrogen,N)动态和微生物特征。但关于三峡库区消落区土壤C动态和微生物特征的研究目前较少。本研究在三峡水库消落区从上游到下游选择6个样点:长寿(CS),涪陵(FL),忠县(ZX),万州(WZ),巴东(BD)和秭归(ZG),在每个样点建立50m×50m的样带,每个样带包含4个海拔梯度:低海拔(Low,即<145米,永久淹水区域,无植被生长);中海拔(Middle,145-160米,淹水时间较长,植被恢复时间较短);高海拔(High,160-175米,淹水持续时间较短,植被恢复时间较长);对照(Control,>175米,原始植物无淹水地区),进行植被和土壤(0-10 cm和10-30 cm)的调查和取样。分析和测定植物特征(植被生物量,C,N含量及C:N比及其同位素值),土壤不同碳库[土壤有机碳(soil organic C,SOC),惰性碳(recalcitrant C,RC)和易变碳(labile C,LC)]及其同位素值,土壤C水解酶活性,微生物生物量和群落结构,探讨三峡水库消落区反季节淹水对植物群落、土壤C和N动态、土壤酶及土壤微生物群落的影响,及其植被-土壤C,N库-微生物互作机制。本研究的主要结果与结论如下:(1)淹水对植被群落结构和植被-土壤C,N同位素特征的影响淹水显著地改变了不同位点的植被群落结构组成(C3和C4植物)。在消落区上游,相对于不淹水地区,反季节淹水导致上游淹水区的C4植物生物量占比平均下降了25%,但下游淹水导致C4植物生物量占比增加了59%,总的来说,淹水导致整个流域内的C4植物比例增加。C3和C4植物组成的改变进而影响土壤的δ13C值。我们的结果表明,土壤的δ13C相对稳定,并且所有研究区域的δ13C值都接近C3植物的δ13C值。土壤和植物之间的13C同位素差异(Δδ13C)在上游淹水区和不淹水区均低于零,但在下游仅在淹水区低于零,这也进一步说明了淹水改变了植被群落。通过对比分析C3和C4植物对土壤不同C库的贡献,发现几乎在所有地点,淹水区的SOC库和RC库中,来源于C3植物输入的C的比例显著高于来源于C4植物的比例,而易变碳(LC)中来源于C4植物输入的C比例在消落区从上游到下游有显著增加的趋势。此外,对于土壤δ15N来说,与所有地区的淹水区相比,未淹水区的土壤δ15N值富集程度更高,并且土壤δ15N与土壤C和N库含量以及土壤pH呈显着正相关,而与植被δ15N值不相关。总体而言,研究结果揭示了在消落区流域尺度上,淹水改变了植物功能群的组成,导致输入到土壤中植物比例发生变化,进而影响了不同C库的累积。对于土壤δ13C和δ15N来说,C,N同位素特征的变化对淹水的响应机制不同。(2)淹水对土壤不同C库及C分解酶活性的影响淹水改变了不同土壤C库与C水解酶活性的空间分布格局。对不同的土壤C库来说,SOC,C:N比,RC含量和惰性C指数(RIC)从上游(CS和FL)到下游(BD和ZG)逐渐降低,而LC含量呈现单峰趋势在中游较高,对比不同的海拔(代表不同淹水时长),中海拔的SOC含量高于其他海拔。相反,RC和RIC从高海拔到低海拔逐渐降低,而LC则是相反的趋势。这主要是与植物生物量和植物C:N比的空间变化有关。通过相关分析我们发现,植被C:N与LC库呈显著的负相关关系,与RC库呈显著的正相关关系。淹水也显著改变了土壤酶活性。对于土壤C水解酶来说,与其他位点相比,中游(ZX和WZ)的四种C水解酶活性高于其他位点,而特定酶活(即每单位SOC土壤酶活性)在中游和下游最高。这与LC含量的空间变化相一致。而低海拔区的四种C水解酶活性和特定酶活性比其他海拔区低,这可能是由于长期淹水产生的厌氧环境和LC利用率降低所致。研究结果表明,LC是导致土壤酶活性空间变异的主要因素。(3)淹水对土壤微生物群落结构的影响淹水显著改变了微生物生物量和群落结构组成。在不同位点,细菌生物量在中游(2.70μg g-1 dry soil)显著高于下游(1.51μg g-1 dry soil)和上游(0.66μg g-1 dry soil)。真菌微生物生物量是在中游(0.74μg g-1 dry soil)微生物生物量显著高于下游(0.49μg g-1 dry soil)和上游(0.21μg g-1 dry soil)。总微生物生物量在中游(4.38μg g-1 dry soil soil)显著最高,最低值出现在上游(1.12μg g-1dry soil)。在不同的海拔,细菌,真菌和总微生物生物量在低海拔与对照相比分别显著降低了46.32%,55.41%,49.27%,在中和高海拔与对照相比没有显著差异(p<0.05)。但细菌和总微生物生物量在高海拔有下降的趋势。在不同的土层,表层土壤的微生物生物量显著高于底层土壤。对于微生物群落结构来说,其中,在不同的位点,革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌例从上游到下游逐渐降低,而真菌/细菌在不同的位点没有显著差异除了巴东显著高于其他位点。在不同的海拔,淹水显著增加了革兰氏阳性菌的比例。对真菌来说,淹水显著增加了细菌的比例。总的来说,微生物生物量和群落结构对淹水响应都非常强烈。总之,在三峡水库消落区,我们发现淹水导致植物功能群转化,整个流域尺度,淹水导致C4植物显著增加。对不同C库中功能群植物的来源分析,我们发现原位C3植物凋落物输入增加了土壤SOC和RC的累积,C4植物的增加短期内增加了LC的输入比例。水淹导致植被凋落物的输入的改变显著地影响了土壤C库的空间分布格局,相对于不淹水地区,在淹水区呈现LC含量降低而RC含量增加的变化趋势。此外,土壤C水解酶和微生物活性的变化趋势和LC含量变化趋势密切相关,表明淹水导致微生物可利用的C源减少,因而限制土壤C水解酶和微生物活性,从而有利于长期土壤C的稳定,促进C封存。
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