劉芳,夏棟,4,馬佳鑫,羅婷,閆書星,張森

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002;3.三峽大學(xué)水泥基生態(tài)修復(fù)技術(shù)湖北省工程研究中心,湖北宜昌 443002;4.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院,湖北宜昌 443002;5.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北唐山 063210)

有機(jī)碳是表征土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo),其中不同組分的有機(jī)碳在土壤中的周轉(zhuǎn)周期不同,對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)也不盡相同。根據(jù)有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性可以分為極易氧化有機(jī)碳(F1)、容易氧化有機(jī)碳(F2)、較易氧化有機(jī)碳(F3)、穩(wěn)定有機(jī)碳(F4)[1,2]。碳氮磷化學(xué)計(jì)量比能反映碳氮磷含量之間的平衡關(guān)系,是描述土壤養(yǎng)分狀況,反映土壤生態(tài)過(guò)程變化中養(yǎng)分限制狀態(tài)的重要指標(biāo)[3]。人工修復(fù)邊坡土壤和天然土壤相比人為干擾更強(qiáng),植被恢復(fù)難度更大,研究人工修復(fù)邊坡土壤的有機(jī)碳組分和碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比對(duì)于其植被恢復(fù)有重要意義。

在植被的演替過(guò)程中,土壤肥力影響著群落優(yōu)勢(shì)物種的拓殖和更替,有研究表明演替初期是預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)的群落結(jié)構(gòu)、演替軌跡和功能動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵時(shí)期,演替初期土壤狀態(tài)的變化對(duì)植被群落的演替方向和演替速率具有重要的影響[4-6]。尤其退化土地植被演替前期往往受到土壤環(huán)境因素的制約,從而導(dǎo)致演替方向改變,演替速率變慢。目前許多學(xué)者對(duì)演替初期的土壤狀態(tài)進(jìn)行了研究,但研究大多集中在森林[7]、丘陵[8]、草地等[9]天然環(huán)境中,對(duì)于人為影響較大的人工修復(fù)的土壤報(bào)道較少。工程擾動(dòng)不可避免地形成了裸露邊坡,植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建可供植被生長(zhǎng)的生境基材進(jìn)行邊坡修復(fù),目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。植被混凝土修復(fù)基材符合典型的演替過(guò)程(裸地—草—草、灌)。在本地物種未大量入侵的演替初期,先鋒物種單一且為非本土物種容易受土壤環(huán)境制約而改變?nèi)郝溲萏娣较蚝脱萏嫠俾蔥10-11]。有研究表明向家壩水電站人工修復(fù)邊坡初始各物種重要值接近,后受環(huán)境因子的影響最終各樣地表現(xiàn)的生長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)明顯不一致[12]。因此開展演替初期的基材有機(jī)碳組分及C,N,P化學(xué)計(jì)量比的研究十分必要,不僅便于總體掌握基材質(zhì)量,還能為后期的養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)和建議,以保證人工修復(fù)邊坡向著預(yù)想的演替方向發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置

在廣東湛江(21.72°N,110.13°E)、廣西梧州(23.49°N,112.26°E)、湖北宜昌(30.41°N,111.22°E)、河南南陽(yáng)(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)選擇按《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》(NB/T35082-2016)[13]配制的初始基材,初始基材性質(zhì)相似、植物配制相近,修復(fù)2～4 a的典型植被混凝土修復(fù)邊坡進(jìn)行土樣采集、植被調(diào)查,各邊坡基本情況與基材性質(zhì)見表1。各樣地的年平均溫度和年平均降水信息來(lái)源于中國(guó)氣象信息中心。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample site

1.2 樣品采集

在采集土壤樣品的過(guò)程中,于每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置3個(gè)土壤取樣重復(fù)點(diǎn)。因人工植被恢復(fù)措施覆土層厚度約為10 cm,故各樣點(diǎn)取土?xí)r取表層土壤(0—10 cm)。在每個(gè)樣地內(nèi)按照“S”形,選取5～10個(gè)點(diǎn),去除土壤表層覆蓋的未完全腐化枯落物,將采集的土樣進(jìn)行混合,保存于密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,仔細(xì)去除其中的植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物,進(jìn)行自然風(fēng)干,過(guò)篩,用于土壤碳、氮、磷的測(cè)定以及有機(jī)碳組分的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

全氮采用半微量開氏法[3],全磷采用HCIO4-H2SO4法[8]。土壤TOC 采用重鉻酸鉀外加熱法,氧化有機(jī)碳組分采用改進(jìn)Walkley-Black方法[11]測(cè)定,在10 ml濃度為0.167 mol/L的重鉻酸鉀溶液中分別加入濃度為6,9,12 mol/L的硫酸5,10,20 ml,然后進(jìn)行加熱,后進(jìn)行滴定。其中極易氧化有機(jī)碳(F1)為6 mol/L時(shí)測(cè)得有機(jī)碳含量,容易氧化有機(jī)碳(F2)為9 mol/L測(cè)得有機(jī)碳含量與6 mol/L 測(cè)得有機(jī)碳含量之差,較易氧化有機(jī)碳含量(F3)為12 mol/L 測(cè)得有機(jī)碳含量與9 mol/L測(cè)得有機(jī)碳含量之差,難氧化有機(jī)碳含量(F4)為總有機(jī)碳(TOC)與12 mol/L 測(cè)得有機(jī)碳含量之差[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Office 2010進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析,圖形繪制采用Origin 2018,單因素方差分析(Tukey′s-b)和Pearson相關(guān)性分析采用SPSS 22.0進(jìn)行處理,冗余分析用CANOCO 5.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被演替初期基材有機(jī)碳組分

人工修復(fù)邊坡演替初期基材有機(jī)碳組分如圖1所示,F1含量的變化范圍為1.10～3.64 g/kg;F2含量的變化范圍為1.33～3.04 g/kg;F3含量的變化范圍為2.02～3.34 g/kg;F4含量的變化范圍為10.86～15.24 g/kg。其中F4含量最高,占TOC含量的50%以上,明顯高于其他3個(gè)組分,說(shuō)明人工修復(fù)邊坡在演替初期有機(jī)碳以惰性有機(jī)碳為優(yōu)勢(shì)。人工修復(fù)邊坡演替初期有機(jī)碳各組分占有機(jī)碳百分比如表2所示,F1/TOC,F2/TOC,F3/TOC,F4/TOC 的變化范圍為7.05%～16.55%,8.60%～13.82%,11.00%～14.36%,58.29%～69.98%。從熱帶到亞熱帶、暖溫帶再到高原氣候帶,各樣地的F1占TOC百分比呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),其中位于熱帶的ZJ F1占TOC百分比是位于高原氣候帶DG 的2.34倍。隨著氣候帶的變化F2占TOC 的百分比也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但下降幅度較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百分比隨氣候帶的變化無(wú)明顯規(guī)律,F4占TOC 百分比呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),從ZJ的58.29%上升到DG 的69.98%。不同氣候帶下F1,F2,F4含量有顯著性差異(p＜0.05),F3含量無(wú)顯著性差異(p＜0.05),表明氣候的變化主要影響F1,F2,F4的含量。

圖1 人工生態(tài)修復(fù)邊坡演替初期各組分有機(jī)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 演替初期人工生態(tài)修復(fù)邊坡有機(jī)碳組分占有機(jī)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 不同氣候帶植被演替初期基材C,N,P 含量及化學(xué)計(jì)量比

人工修復(fù)邊坡演替初期的TOC、TN、TP含量如圖2所示,其中TOC 含量變化范圍為15.52～24.71 g/kg;TN 含量變化范圍為0.61～0.93 g/kg;TP 含量的變化范圍為0.81～1.22 g/kg。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14],演替初期的人工修復(fù)邊坡TOC表現(xiàn)為中等(DG)、豐富(ZJ,YC,NY,WF)、很豐富(WZ,JZ);TN含量表現(xiàn)為很缺乏(DG)、缺乏(ZJ,WZ,YC,NY,JZ,WF);TP含量表現(xiàn)為中等(NY)、豐富(WZ,WF,DG)、很豐富(ZJ,YC,JZ)。隨著氣候帶的變化,除了JZ其他樣地的TOC總體上表現(xiàn)為下降的趨勢(shì);TN含量表現(xiàn)為熱帶＞亞熱帶＞暖溫帶＞高原氣候帶,且TOC和TN 的總體變化趨勢(shì)相同;TP含量隨著氣候帶的變化總體上無(wú)明顯規(guī)律。

圖2 人工生態(tài)修復(fù)邊坡演替初期TOC,TN,TP含量Fig.2 TOC,TN and TP contents in slope restoration by artificial ecology at the early stage of succession

人工修復(fù)邊坡演替初期碳氮磷化學(xué)計(jì)量比如表3所示,C:∶N 變化范圍為23.55～27.95;C∶P變化范圍為17.26～23.09;N∶P 的變化范圍為0.72～0.98;C∶N∶P的變化范圍為17.26∶0.75∶1～24.81∶0.95∶1。C∶N,C∶P,N∶P的變異系數(shù)分別為7.08%,11.99%,12.15%。從變異系數(shù)可以看出,不同氣候帶下修復(fù)樣地的碳氮比最穩(wěn)定,氮磷比最不穩(wěn)定,說(shuō)明氣候帶的不同對(duì)修復(fù)樣地的碳氮比變化影響最小,對(duì)氮磷比變化影響最大。

表3 演替初期人工生態(tài)修復(fù)邊坡碳氮磷化學(xué)計(jì)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 修復(fù)基材有機(jī)碳、全氮、全磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的相關(guān)性

以有機(jī)碳組分為響應(yīng)變量,以氣候、土壤性質(zhì)、物種豐富度為解釋變量進(jìn)行RAD 分析,分析結(jié)果見圖3,表明第一軸和第二軸分別解釋了69.07%,4.07%,其中年平均溫度、物種豐富度和年平均降水量的貢獻(xiàn)率為42.7%(p＜0.05),27.3%(p＜0.01),10.6%(p＜0.05),是有機(jī)碳組分的主要影響因子。年平均溫度、物種豐富度與F1,F2,F3,F4均為正相關(guān);年平均降水量與F1,F3,F4呈正相關(guān),與F2呈負(fù)相關(guān)。以碳氮磷以及碳氮磷化學(xué)計(jì)量比為響應(yīng)變量,以氣候、土壤性質(zhì)和物種豐富度為解釋變量進(jìn)行RAD 分析,分析結(jié)果顯示第一軸和第二軸分別解釋了56.41%,8.68%,其中年平均溫度、物種豐富度、p H、容重的貢獻(xiàn)率分別為32.6%(p＜0.05),33.9%(p＜0.01),13.4%(p＜0.05),13.4%(p＜0.01),為碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比的主要影響因子。年平均溫度、物種豐富度與碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比均為正相關(guān);p H 與氮磷比、碳磷比呈負(fù)相關(guān),與碳氮磷含量和碳氮比呈正相關(guān);容重與氮磷比呈負(fù)相關(guān),與碳氮磷含量、碳氮比、碳磷比呈正相關(guān)。

圖3 有機(jī)碳組分、碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比與環(huán)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 討論

3.1 演替初期土壤有機(jī)碳組分變化特征

有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性組分反映了有機(jī)碳氧化的難易程度,對(duì)土壤的質(zhì)量和碳循環(huán)有重要的意義。其中F1,F2化學(xué)穩(wěn)定性較差對(duì)環(huán)境變化十分敏感,容易被微生物分解利用,在土壤中周轉(zhuǎn)速率快;F3和F4化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),不易被分解利用,周轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)。凋落物在微生物的分解下可快速的轉(zhuǎn)化成活性有機(jī)碳,而活性有機(jī)碳向惰性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化較為緩慢[15-16]。地上生物量的增加會(huì)導(dǎo)致凋落物的增加。大量易分解的有機(jī)碳輸入土壤增加了活性有機(jī)碳含量,改變了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。此次研究的所有樣地的(F4+F3)/TOC的變化范圍為69.63%～84.34%,高于長(zhǎng)期施肥的黃土高原(28%)[17]和不同草地類型(35%)[18],基本低于貧瘠沙化土壤(84%)[19]。表明各樣地有機(jī)碳以惰性有機(jī)碳為主,且土壤有機(jī)碳質(zhì)量低于長(zhǎng)期施肥的黃土高原和不同類型的草地土壤,高于貧瘠沙化土壤。主要原因是演替初期地上生物量不足導(dǎo)致凋落物減少,凋落物數(shù)量的減少導(dǎo)致其所分解產(chǎn)生的活性有機(jī)碳也隨之減少。從表2可以看出,隨著氣候帶的變化,有機(jī)碳的氧化損失逐漸下降,有機(jī)碳的固存逐漸上升。溫度和降水會(huì)影響有機(jī)碳各組分的含量,而有機(jī)碳組分對(duì)溫度、降水的響應(yīng)程度主要取決于其對(duì)溫度、水分的敏感性大小[20]。F1,F2化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,對(duì)于環(huán)境的變化十分敏感。同時(shí)溫度和降水會(huì)降低微生物和酶的活性,減緩凋落物的分解,從而降低活性有機(jī)碳的輸入;溫度和降水的減少還會(huì)抑制有機(jī)碳的礦化,有利于有機(jī)碳的固存[21]。冗余分析也證實(shí)年平均溫度、年降水量和物種豐富度是有機(jī)碳組分主要影響因子。

3.2 演替初期土壤碳氮磷含量變化特征

土壤中的碳氮磷元素是植物生長(zhǎng)所必需的元素,其含量對(duì)植物的生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。土壤氮素輸出過(guò)程包括氣體丟失、淋溶和植物吸收利用。其中植物吸收利用的氮素主要是銨態(tài)氮(NH+4-N)和硝態(tài)氮(NO-3-N)兩種無(wú)機(jī)氮形態(tài)。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]發(fā)現(xiàn)人工修復(fù)邊坡演替初期表現(xiàn)為氮缺乏,可能是因?yàn)橹脖换炷寥斯ば迯?fù)邊坡為弱堿環(huán)境。有研究發(fā)現(xiàn)弱堿環(huán)境會(huì)加快土壤中氮的氨化和硝化作用,促進(jìn)氮素從有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮(NH+4-N)和硝態(tài)氮(NO-3-N),從而不僅易于被植物吸收利用還易于由地表徑流流失和變成氣體消失[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著氣候的變化TOC 和TN總體上都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),這可能是不同氣候帶雨熱條件差異引起的。土壤中的碳氮主要來(lái)源于植物根系分泌物和凋落物的分解[24]。溫度的升高和降水的增加一方面增加了凋落物的產(chǎn)量,另一方面提高了微生物和酶的活性,促進(jìn)了凋落物的分解。植被也是土壤碳氮含量的另一影響因子,植被主要通過(guò)凋落物的輸入和根系分泌物來(lái)影響土壤碳氮的含量[25]。低緯度地區(qū)較高的溫度、豐富的降水以及豐富的植被有利于碳氮的積累。不同氣候帶下各樣地基材中的TP含量有顯著性差異(p＜0.05),但從氣候帶上看無(wú)明顯規(guī)律,這與亞熱帶地區(qū)馬尾松人工林土壤TP含量的緯度格局一致。有研究發(fā)現(xiàn)土壤中的TP 含量在短期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定,受環(huán)境的影響較小,土壤TP 含量主要受土壤母質(zhì)、氣候和植物等多種因素的影響[26-27]。其中土壤母質(zhì)是土壤TP的主要來(lái)源,氣候主要通過(guò)降水和淋溶作用來(lái)影響土壤中的TP含量。本研究的樣地從南到北緯度跨越較大,土壤母質(zhì)也千差萬(wàn)別,因此本研究中土壤TP含量的變化可能是氣候和土壤母質(zhì)共同作用的結(jié)果。

3.3 演替初期土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比變化特征

土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比能有效反映土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)狀態(tài)。本研究中土壤C∶N 的變化范圍為22.98～27.95高于中國(guó)土壤C∶N 的平均值14.4,基材中氮缺乏造成C∶N 偏高。C∶P 的變化范圍為17.2～24.81遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國(guó)土壤C∶P的平均值136;N∶P的變化范圍為0.72～0.98顯著低于中國(guó)土壤N∶P平均值9.3[28],從基材碳氮磷化學(xué)計(jì)量比可以看出基材表現(xiàn)為明顯的磷富集。土壤中的磷元素主要來(lái)源于巖石的風(fēng)化,在植被演替過(guò)程中,植被對(duì)磷的吸收增加,導(dǎo)致磷元素逐漸下降[29]。但是由于本研究中人工修復(fù)邊坡演替時(shí)間短,短時(shí)間內(nèi)植被吸收的磷元素有限,且基質(zhì)中添加的活化添加劑中含有磷元素,因此本研究中人工修復(fù)邊坡基質(zhì)表現(xiàn)為磷富集。本研究中隨著氣候帶的變化各樣地基材的C∶N 比相對(duì)穩(wěn)定,變異系數(shù)為7.08%,表明碳氮的變化在空間上具有一致性,這與全國(guó)C∶N 相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果一致[30]。C∶N 和N∶P的變異系數(shù)相對(duì)較大,分別為11.99%,12.15%,主要是因?yàn)楦鳂拥鼗闹蠺P含量差異顯著(p＜0.05)且無(wú)明顯的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

演替初期人工修復(fù)邊坡有機(jī)碳組分主要以惰性有機(jī)碳為主,有機(jī)碳穩(wěn)定性較強(qiáng);溫度和水分會(huì)影響有機(jī)碳組分的含量且主要影響穩(wěn)定性較差的活性有機(jī)碳。在低緯度地區(qū)有機(jī)碳容易氧化損失,因此在后期養(yǎng)護(hù)中要對(duì)低緯度地區(qū)的有機(jī)碳含量進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè),以保證植物的正常生長(zhǎng)。

演替初期人工修復(fù)邊坡碳磷表現(xiàn)為中等及以上,氮表現(xiàn)為缺乏,并且溫度的降低和降水的減少會(huì)使土壤中碳氮的含量下降,對(duì)于磷素?zé)o明顯影響。在后期養(yǎng)護(hù)中需要施加氮肥,尤其是溫度低降水少的地區(qū),避免出現(xiàn)氮限制而抑制植物的生長(zhǎng)。演替初期的人工修復(fù)邊坡的碳氮磷化學(xué)計(jì)量比表現(xiàn)為磷富集,在后期的養(yǎng)護(hù)中可以避免因?yàn)榱紫拗贫种浦参锏纳L(zhǎng)。

人工修復(fù)邊坡演替初期基材中有機(jī)碳組分的主要影響因子為年平均溫度、物種豐富度和年平均降水;土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比主要影響因子為年平均溫度、物種豐富度、p H 和容重。