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鄱阳湖湿地围垦后土壤团聚体结构、有机碳及微生物多样性变化的研究

陶金  
【摘要】:围垦是导致湿地资源锐减的主要原因之一,湿地被围垦后显著的改变了土壤结构和团聚体中有机碳的分布。土壤总有机碳和团聚体有机碳是土壤质量与环境稳定的重要指标,在众多影响土壤有机碳库与湿地碳循环的因素中,土地利用变化是关键因子之一,同时土壤微生物群落结构及多样性与土壤质量的演变机制及土地利用的科学管理密切相关。本研究基于生态系统生态学的原理,从有机碳分布、团聚体结构及土壤微生物多样性演变三个方面,系统的研究了鄱阳湖湿地围垦后不同围垦年限与不同土地利用方式对湿地土壤的影响。 本研究在鄱阳湖自然湿地及围垦距今38、48、92年的土地上展开,并对围垦38年区域内土地利用方式较为典型的水稻田、菜地、荒地和鱼塘底泥进行土壤采样(0-20cm表层土壤),在围垦年限与土地利用方式两个影响因子下,分析了土壤有机碳动态,通过团聚体分布,土壤MWD与GMD值探讨团聚体结构,利用PCR-DGGE技术分析了土壤细菌群落结构与多样性,探讨土壤微生物演替,通过CCA分析探讨了土壤微生物群落多样性与土壤环境因子,尤其是与有机碳动态之间的相互关系。主要结果如下: 围垦后92年内农田土壤团聚体结构、有机碳含量及团聚体有机碳变化明显。围垦0-48年,大量微团聚体因耕作影响从大团聚体中分离出来,且存在逐级连续分解的过程,团聚体稳定性降低;围垦48-92年间,不易分解的结胶物质不断积累,同时在土壤系统自我调节作用下,形成了新的保护机制,稳定性升高。围垦后土壤有机碳含量表现出随围垦年限增加而升高的趋势,并在围垦48年后逐渐趋于稳定,表明土壤有机碳含量存在饱和值。各级别团聚体有机碳含量均表现出不断增加并趋于稳定的趋势。对土壤总有机碳含量升高贡献最大的是4.75mm和0.075mm团聚体,来自1.18-0.3mm团聚体的作用最小。 鄱阳湖湿地围垦后,土地利用方式显著改变了土壤团聚体结构与有机碳分布。团聚体MWD和GMD值的规律表现为:鱼塘底泥自然湿地退耕地水稻田荒地菜地。菜地与荒地这两种土地利用方式显著破坏了土壤团聚体与有机碳稳定性,其中菜地土壤有机碳含量降低最为显著,仅为自然湿地的36.37%,降低主要来自于1.18~0.3mm和0.3-0.075mm团聚体中有机碳的损失;水稻田土壤有机碳含量显著升高,其中0.075mm团聚体的贡献率最大;退耕地在退田还湖之后,总有机碳恢复至自然湿地水平,但0.3~0.075mm和0.075mm团聚体有机碳与自然湿地差异显著,土壤团聚体稳定性仍低于自然湿地;鱼塘底泥在各指标上均与自然湿地无显著差异,很好的保护了土壤团聚体及有机碳分布。 围垦年限显著改变了土壤细菌,真菌群落结构与多样性。围垦0~48年间,农田土壤系统对细菌群落的选择及土壤资源均质化过程中细菌间竞争关系的加强,造成细菌多样性指数不断降低;在强烈的竞争环境下,真菌能够更有效地利用土壤碳源,多样性指数升高。围垦48-92年间,农田土壤中新的平衡已经形成,细菌多样性指数趋于稳定,真菌多样性指数开始降低。不同围垦年限下,真菌对围垦年限的变化响应更加敏感,多样性指数始终高于细菌且幅度越来越大,表明土壤微生物群落逐渐由细菌主导变为真菌主导。 不同土地利用方式显著改变了土壤细菌,真菌群落结构及多样性。与自然湿地相比,地上植被是造成四种不同土地利用方式细菌,真菌群落多样性降低的主要原因,同时耕作也降低了水稻田与菜地土壤微生物多样性,水稻田长期使用化肥,菜地多使用有机肥,造成水稻田微生物多样性下降幅度更大。荒地与鱼塘底泥由于没有人为耕作过程的影响,丰富度下降的幅度不大。真菌群落对土地利用变化的响应更加敏感。 围垦后,农田土壤细菌群落结构发生了相应的演替过程。土壤细菌丰富度,多样性指数均随土壤发育呈现明显的时间趋势。土壤细菌的演替过程表现出与土壤结构(团聚体分布)相似的模式,在围垦48年时,演替均发生了方向性上的变化,围垦48年内属于“快速演替阶段”,细菌群落整体多样性,物种丰富度都明显而快速的降低;围垦48-92年属于“渐进演替阶段”,细菌群落整体多样性、物种丰富度趋于稳定,略微有所升高。 在围垦过程中,有机碳含量并不是限制细菌群落多样性的主要因素,不同的碳组分及其有效性可能是细菌多样性的限制因子。CCA分析结果显示,有机碳含量(TOC)的指向与围垦年限(RY)最为接近,是土壤细菌,真菌群落结构在围垦时间序列下变异的关键因素。这表明围垦活动通过改变土壤化学性质,尤其是有机碳含量来驱动微生物群落演替。湿地围垦后,土壤有机碳动态与微生物群落演替间存在协同反馈的关系。


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