人工修复边坡植被演替初期有机碳组分及土壤生态化学计量特征

刘芳,夏栋,4,马佳鑫,罗婷,闫书星,张森

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002;2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002;3.三峡大学水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心,湖北宜昌 443002;4.三峡大学生物与制药学院,湖北宜昌 443002;5.华北理工大学建筑工程学院,河北唐山 063210)

有机碳是表征土壤质量和土壤生产力的重要指标,其中不同组分的有机碳在土壤中的周转周期不同,对于环境变化的响应也不尽相同。根据有机碳氧化稳定性可以分为极易氧化有机碳(F1)、容易氧化有机碳(F2)、较易氧化有机碳(F3)、稳定有机碳(F4)[1,2]。碳氮磷化学计量比能反映碳氮磷含量之间的平衡关系,是描述土壤养分状况,反映土壤生态过程变化中养分限制状态的重要指标[3]。人工修复边坡土壤和天然土壤相比人为干扰更强,植被恢复难度更大,研究人工修复边坡土壤的有机碳组分和碳氮磷含量及其化学计量比对于其植被恢复有重要意义。

在植被的演替过程中,土壤肥力影响着群落优势物种的拓殖和更替,有研究表明演替初期是预测生态系统未来的群落结构、演替轨迹和功能动态的关键时期,演替初期土壤状态的变化对植被群落的演替方向和演替速率具有重要的影响[4-6]。尤其退化土地植被演替前期往往受到土壤环境因素的制约,从而导致演替方向改变,演替速率变慢。目前许多学者对演替初期的土壤状态进行了研究,但研究大多集中在森林[7]、丘陵[8]、草地等[9]天然环境中,对于人为影响较大的人工修复的土壤报道较少。工程扰动不可避免地形成了裸露边坡,植被混凝土生态防护技术通过构建可供植被生长的生境基材进行边坡修复,目前这项技术已经在全国得到了广泛应用。植被混凝土修复基材符合典型的演替过程(裸地—草—草、灌)。在本地物种未大量入侵的演替初期,先锋物种单一且为非本土物种容易受土壤环境制约而改变群落演替方向和演替速率[10-11]。有研究表明向家坝水电站人工修复边坡初始各物种重要值接近,后受环境因子的影响最终各样地表现的生长型结构明显不一致[12]。因此开展演替初期的基材有机碳组分及C,N,P化学计量比的研究十分必要,不仅便于总体掌握基材质量,还能为后期的养护提供指导和建议,以保证人工修复边坡向着预想的演替方向发展。

1 材料与方法

1.1 样地设置

在广东湛江(21.72°N,110.13°E)、广西梧州(23.49°N,112.26°E)、湖北宜昌(30.41°N,111.22°E)、河南南阳(33.56°N,112.25°E)、河南焦作(35.21°N,113.24°E)、西藏加查(29.14°N,92.56°E)选择按《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》(NB/T35082-2016)[13]配制的初始基材,初始基材性质相似、植物配制相近,修复2～4 a的典型植被混凝土修复边坡进行土样采集、植被调查,各边坡基本情况与基材性质见表1。各样地的年平均温度和年平均降水信息来源于中国气象信息中心。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of sample site

1.2 样品采集

在采集土壤样品的过程中,于每个样方内设置3个土壤取样重复点。因人工植被恢复措施覆土层厚度约为10 cm,故各样点取土时取表层土壤(0—10 cm)。在每个样地内按照“S”形,选取5～10个点,去除土壤表层覆盖的未完全腐化枯落物,将采集的土样进行混合,保存于密封袋中带回实验室,仔细去除其中的植物残体及土壤动物,进行自然风干,过筛,用于土壤碳、氮、磷的测定以及有机碳组分的测定。

1.3 测定指标与方法

全氮采用半微量开氏法[3],全磷采用HCIO4-H2SO4法[8]。土壤TOC 采用重铬酸钾外加热法,氧化有机碳组分采用改进Walkley-Black方法[11]测定,在10 ml浓度为0.167 mol/L的重铬酸钾溶液中分别加入浓度为6,9,12 mol/L的硫酸5,10,20 ml,然后进行加热,后进行滴定。其中极易氧化有机碳(F1)为6 mol/L时测得有机碳含量,容易氧化有机碳(F2)为9 mol/L测得有机碳含量与6 mol/L 测得有机碳含量之差,较易氧化有机碳含量(F3)为12 mol/L 测得有机碳含量与9 mol/L测得有机碳含量之差,难氧化有机碳含量(F4)为总有机碳(TOC)与12 mol/L 测得有机碳含量之差[11]。

1.4 数据处理

试验数据使用Office 2010进行初步统计分析,图形绘制采用Origin 2018,单因素方差分析(Tukey′s-b)和Pearson相关性分析采用SPSS 22.0进行处理,冗余分析用CANOCO 5.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 植被演替初期基材有机碳组分

人工修复边坡演替初期基材有机碳组分如图1所示,F1含量的变化范围为1.10～3.64 g/kg;F2含量的变化范围为1.33～3.04 g/kg;F3含量的变化范围为2.02～3.34 g/kg;F4含量的变化范围为10.86～15.24 g/kg。其中F4含量最高,占TOC含量的50%以上,明显高于其他3个组分,说明人工修复边坡在演替初期有机碳以惰性有机碳为优势。人工修复边坡演替初期有机碳各组分占有机碳百分比如表2所示,F1/TOC,F2/TOC,F3/TOC,F4/TOC 的变化范围为7.05%～16.55%,8.60%～13.82%,11.00%～14.36%,58.29%～69.98%。从热带到亚热带、暖温带再到高原气候带,各样地的F1占TOC百分比呈现下降的趋势,其中位于热带的ZJ F1占TOC百分比是位于高原气候带DG 的2.34倍。随着气候带的变化F2占TOC 的百分比也呈现下降的趋势,但下降幅度较F1占TOC百分比小,其中ZJ的F2占TOC百分比是DG 的1.61倍。F3占TOC百分比随气候带的变化无明显规律,F4占TOC 百分比呈现上升的趋势,从ZJ的58.29%上升到DG 的69.98%。不同气候带下F1,F2,F4含量有显著性差异(p＜0.05),F3含量无显著性差异(p＜0.05),表明气候的变化主要影响F1,F2,F4的含量。

图1 人工生态修复边坡演替初期各组分有机碳含量Fig.1 Organic carbon content of each component in slope at the early stage of succession was repaired by artificial ecology

表2 演替初期人工生态修复边坡有机碳组分占有机碳百分比Table 2 Percentage of organic carbon components in slope repaired by artificial ecology in the early stage of succession %

2.2 不同气候带植被演替初期基材C,N,P 含量及化学计量比

人工修复边坡演替初期的TOC、TN、TP含量如图2所示,其中TOC 含量变化范围为15.52～24.71 g/kg;TN 含量变化范围为0.61～0.93 g/kg;TP 含量的变化范围为0.81～1.22 g/kg。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[14],演替初期的人工修复边坡TOC表现为中等(DG)、丰富(ZJ,YC,NY,WF)、很丰富(WZ,JZ);TN含量表现为很缺乏(DG)、缺乏(ZJ,WZ,YC,NY,JZ,WF);TP含量表现为中等(NY)、丰富(WZ,WF,DG)、很丰富(ZJ,YC,JZ)。随着气候带的变化,除了JZ其他样地的TOC总体上表现为下降的趋势;TN含量表现为热带＞亚热带＞暖温带＞高原气候带,且TOC和TN 的总体变化趋势相同;TP含量随着气候带的变化总体上无明显规律。

图2 人工生态修复边坡演替初期TOC,TN,TP含量Fig.2 TOC,TN and TP contents in slope restoration by artificial ecology at the early stage of succession

人工修复边坡演替初期碳氮磷化学计量比如表3所示,C:∶N 变化范围为23.55～27.95;C∶P变化范围为17.26～23.09;N∶P 的变化范围为0.72～0.98;C∶N∶P的变化范围为17.26∶0.75∶1～24.81∶0.95∶1。C∶N,C∶P,N∶P的变异系数分别为7.08%,11.99%,12.15%。从变异系数可以看出,不同气候带下修复样地的碳氮比最稳定,氮磷比最不稳定,说明气候带的不同对修复样地的碳氮比变化影响最小,对氮磷比变化影响最大。

表3 演替初期人工生态修复边坡碳氮磷化学计量比Table 3 Stoichiometric ratio of carbon,nitrogen and phosphorus in slope repaired by artificial ecology at the early stage of succession

2.3 修复基材有机碳、全氮、全磷含量及其生态化学计量比与环境因子的相关性

以有机碳组分为响应变量,以气候、土壤性质、物种丰富度为解释变量进行RAD 分析,分析结果见图3,表明第一轴和第二轴分别解释了69.07%,4.07%,其中年平均温度、物种丰富度和年平均降水量的贡献率为42.7%(p＜0.05),27.3%(p＜0.01),10.6%(p＜0.05),是有机碳组分的主要影响因子。年平均温度、物种丰富度与F1,F2,F3,F4均为正相关;年平均降水量与F1,F3,F4呈正相关,与F2呈负相关。以碳氮磷以及碳氮磷化学计量比为响应变量,以气候、土壤性质和物种丰富度为解释变量进行RAD 分析,分析结果显示第一轴和第二轴分别解释了56.41%,8.68%,其中年平均温度、物种丰富度、p H、容重的贡献率分别为32.6%(p＜0.05),33.9%(p＜0.01),13.4%(p＜0.05),13.4%(p＜0.01),为碳氮磷含量及其化学计量比的主要影响因子。年平均温度、物种丰富度与碳氮磷含量及其化学计量比均为正相关;p H 与氮磷比、碳磷比呈负相关,与碳氮磷含量和碳氮比呈正相关;容重与氮磷比呈负相关,与碳氮磷含量、碳氮比、碳磷比呈正相关。

图3 有机碳组分、碳氮磷含量及化学计量比与环境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of organic carbon component,carbon,nitrogen and phosphorus content,stoichiometric ratio and environmental factors

3 讨论

3.1 演替初期土壤有机碳组分变化特征

有机碳氧化稳定性组分反映了有机碳氧化的难易程度,对土壤的质量和碳循环有重要的意义。其中F1,F2化学稳定性较差对环境变化十分敏感,容易被微生物分解利用,在土壤中周转速率快;F3和F4化学稳定性强,不易被分解利用,周转周期长。凋落物在微生物的分解下可快速的转化成活性有机碳,而活性有机碳向惰性有机碳的转化较为缓慢[15-16]。地上生物量的增加会导致凋落物的增加。大量易分解的有机碳输入土壤增加了活性有机碳含量,改变了土壤有机碳的稳定性。此次研究的所有样地的(F4+F3)/TOC的变化范围为69.63%～84.34%,高于长期施肥的黄土高原(28%)[17]和不同草地类型(35%)[18],基本低于贫瘠沙化土壤(84%)[19]。表明各样地有机碳以惰性有机碳为主,且土壤有机碳质量低于长期施肥的黄土高原和不同类型的草地土壤,高于贫瘠沙化土壤。主要原因是演替初期地上生物量不足导致凋落物减少,凋落物数量的减少导致其所分解产生的活性有机碳也随之减少。从表2可以看出,随着气候带的变化,有机碳的氧化损失逐渐下降,有机碳的固存逐渐上升。温度和降水会影响有机碳各组分的含量,而有机碳组分对温度、降水的响应程度主要取决于其对温度、水分的敏感性大小[20]。F1,F2化学性质不稳定,对于环境的变化十分敏感。同时温度和降水会降低微生物和酶的活性,减缓凋落物的分解,从而降低活性有机碳的输入;温度和降水的减少还会抑制有机碳的矿化,有利于有机碳的固存[21]。冗余分析也证实年平均温度、年降水量和物种丰富度是有机碳组分主要影响因子。

3.2 演替初期土壤碳氮磷含量变化特征

土壤中的碳氮磷元素是植物生长所必需的元素,其含量对植物的生长和生态系统有重要影响。土壤氮素输出过程包括气体丢失、淋溶和植物吸收利用。其中植物吸收利用的氮素主要是铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N)两种无机氮形态。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[14]发现人工修复边坡演替初期表现为氮缺乏,可能是因为植被混凝土人工修复边坡为弱碱环境。有研究发现弱碱环境会加快土壤中氮的氨化和硝化作用,促进氮素从有机氮转化为铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N),从而不仅易于被植物吸收利用还易于由地表径流流失和变成气体消失[22-23]。本研究发现,随着气候的变化TOC 和TN总体上都呈现下降的趋势,这可能是不同气候带雨热条件差异引起的。土壤中的碳氮主要来源于植物根系分泌物和凋落物的分解[24]。温度的升高和降水的增加一方面增加了凋落物的产量,另一方面提高了微生物和酶的活性,促进了凋落物的分解。植被也是土壤碳氮含量的另一影响因子,植被主要通过凋落物的输入和根系分泌物来影响土壤碳氮的含量[25]。低纬度地区较高的温度、丰富的降水以及丰富的植被有利于碳氮的积累。不同气候带下各样地基材中的TP含量有显著性差异(p＜0.05),但从气候带上看无明显规律,这与亚热带地区马尾松人工林土壤TP含量的纬度格局一致。有研究发现土壤中的TP 含量在短期内相对稳定,受环境的影响较小,土壤TP 含量主要受土壤母质、气候和植物等多种因素的影响[26-27]。其中土壤母质是土壤TP的主要来源,气候主要通过降水和淋溶作用来影响土壤中的TP含量。本研究的样地从南到北纬度跨越较大,土壤母质也千差万别,因此本研究中土壤TP含量的变化可能是气候和土壤母质共同作用的结果。

3.3 演替初期土壤碳氮磷化学计量比变化特征

土壤碳氮磷化学计量比能有效反映土壤质量和养分循环状态。本研究中土壤C∶N 的变化范围为22.98～27.95高于中国土壤C∶N 的平均值14.4,基材中氮缺乏造成C∶N 偏高。C∶P 的变化范围为17.2～24.81远远低于中国土壤C∶P的平均值136;N∶P的变化范围为0.72～0.98显著低于中国土壤N∶P平均值9.3[28],从基材碳氮磷化学计量比可以看出基材表现为明显的磷富集。土壤中的磷元素主要来源于岩石的风化,在植被演替过程中,植被对磷的吸收增加,导致磷元素逐渐下降[29]。但是由于本研究中人工修复边坡演替时间短,短时间内植被吸收的磷元素有限,且基质中添加的活化添加剂中含有磷元素,因此本研究中人工修复边坡基质表现为磷富集。本研究中随着气候带的变化各样地基材的C∶N 比相对稳定,变异系数为7.08%,表明碳氮的变化在空间上具有一致性,这与全国C∶N 相对稳定的结果一致[30]。C∶N 和N∶P的变异系数相对较大,分别为11.99%,12.15%,主要是因为各样地基材中TP含量差异显著(p＜0.05)且无明显的变化规律。

4 结论

演替初期人工修复边坡有机碳组分主要以惰性有机碳为主,有机碳稳定性较强;温度和水分会影响有机碳组分的含量且主要影响稳定性较差的活性有机碳。在低纬度地区有机碳容易氧化损失,因此在后期养护中要对低纬度地区的有机碳含量进行适当的监测,以保证植物的正常生长。

演替初期人工修复边坡碳磷表现为中等及以上,氮表现为缺乏,并且温度的降低和降水的减少会使土壤中碳氮的含量下降,对于磷素无明显影响。在后期养护中需要施加氮肥,尤其是温度低降水少的地区,避免出现氮限制而抑制植物的生长。演替初期的人工修复边坡的碳氮磷化学计量比表现为磷富集,在后期的养护中可以避免因为磷限制而抑制植物的生长。

人工修复边坡演替初期基材中有机碳组分的主要影响因子为年平均温度、物种丰富度和年平均降水;土壤碳氮磷含量及其化学计量比主要影响因子为年平均温度、物种丰富度、p H 和容重。