三峽庫(kù)區(qū)消落帶落羽杉(Taxodiumdistichum)與柳樹(shù)(Salixmatsudana)人工植被對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

任慶水,馬 朋,李昌曉,楊予靜,馬 駿

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715

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三峽庫(kù)區(qū)消落帶落羽杉(Taxodiumdistichum)與柳樹(shù)(Salixmatsudana)人工植被對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

任慶水,馬 朋,李昌曉*,楊予靜,馬 駿

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715

落羽杉與柳樹(shù)被認(rèn)為是三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被修復(fù)的適生樹(shù)種。2012年7月(T1)及2013年7月(T2)在消落帶人工基地取樣,研究了消落帶人工植被(處理組)及裸地土壤(對(duì)照組)的營(yíng)養(yǎng)元素含量,并對(duì)植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果表明：(1)對(duì)比處理組與對(duì)照組養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn),T1時(shí)除土壤pH值外,其他養(yǎng)分含量在處理組與對(duì)照組間均存在差異。T2時(shí)只有pH值、磷(包括有效磷AP、全磷TP)、速效鉀(AK)含量在處理組與對(duì)照組中差異顯著。(2)對(duì)同一植被類型而言,T2時(shí)落羽杉土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)含量(OM)均顯著低于T1,同樣,T2時(shí)柳樹(shù)實(shí)生土壤OM也顯著降低；處理組土壤中堿解氮(AN)、AP、全鉀(TK)含量極顯著的低于淹水前,而TP含量卻顯著升高；與T1相比,T2時(shí)裸地土壤除AN含量降低、AK含量顯著升高外,其它養(yǎng)分含量均未呈現(xiàn)顯著差異。(3)相關(guān)性分析表明,土壤pH值與TP含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),而OM與AN、AP、TK分別呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)。AN、AP分別與TP表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與TK表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系。TK與TP也呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,植物高度、基徑與冠幅三項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤中的pH值、OM、AN、AP(高度除外)、TK呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象。研究表明,落羽杉與柳樹(shù)人工植被對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要出現(xiàn)在水淹之前,進(jìn)一步證實(shí)在三峽庫(kù)區(qū)消落帶開(kāi)展科學(xué)的植被修復(fù)與重建值得提倡和肯定。

三峽庫(kù)區(qū)；消落帶；植被修復(fù)；土壤養(yǎng)分

三峽水庫(kù)水位每年均在145—175 m之間變動(dòng)[1],這種以年度為周期的“冬蓄夏排”的水位調(diào)度方式使得庫(kù)周形成垂直落差達(dá)30 m、面積近400 km2的消落帶。該消落帶區(qū)域是具有獨(dú)特的反季節(jié)水文變化特征的生態(tài)區(qū)域[2]。由于庫(kù)區(qū)消落帶水位周期性變化,使得土壤含水量呈現(xiàn)出從干旱狀態(tài)到全水淹狀態(tài)的一系列梯度變化[3]。生長(zhǎng)于該消落帶區(qū)域的原有植物種類,因不能適應(yīng)這種大跨度、長(zhǎng)時(shí)間、反季節(jié)的水淹-干旱-水淹的交替性水文變化節(jié)律,基本上消失殆盡。失去了植被覆蓋的三峽庫(kù)區(qū)消落帶,生物多樣性顯著降低,生態(tài)服務(wù)功能退化甚至喪失,本應(yīng)擁有的生態(tài)屏障功能極度減弱[4]。加之庫(kù)區(qū)周邊群眾對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶土地的不合理開(kāi)發(fā)利用,導(dǎo)致消落帶生境遭到嚴(yán)重?fù)p壞,引發(fā)諸多環(huán)境問(wèn)題,如關(guān)鍵種群?jiǎn)适5]、水體富營(yíng)養(yǎng)化加速[6- 7]、景觀破碎化嚴(yán)重[8]、極易引發(fā)流行疫情[9]等。因此,三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被的修復(fù)與重建引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[10- 12]。已有研究表明,落羽杉(Taxodiumdistichum)與柳樹(shù)(Salixmatsudana)是三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被構(gòu)建的適宜樹(shù)種[13- 14]。

盡管目前已有關(guān)于三峽庫(kù)區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)元素動(dòng)態(tài)變化的研究報(bào)道,如植物群落與水淹對(duì)土壤的影響[15],消落帶土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量分布特征[16],三峽庫(kù)區(qū)初期土壤養(yǎng)分變化特征[2]等,但均未針對(duì)消落帶特定的人工喬木樹(shù)種下土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量開(kāi)展深入細(xì)致的研究,尤其是對(duì)生長(zhǎng)于三峽庫(kù)區(qū)消落帶的人工植被落羽杉和柳樹(shù)是否會(huì)改變土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量,氮磷含量增加后是否影響到水體的富營(yíng)養(yǎng)化目前還未見(jiàn)報(bào)道。因此,本文擬通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶落羽杉、柳樹(shù)實(shí)生土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量變化的研究,為三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被的修復(fù)與重建工作提供技術(shù)和理論支撐。

1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于三峽庫(kù)區(qū)重慶忠縣境內(nèi)的汝溪河流域,地處107°32′—108°14′E, 30°03′—30°35′N,屬于重慶東北部地區(qū)三峽庫(kù)區(qū)中心地帶。境內(nèi)河流交錯(cuò),低山連綿起伏,屬丘陵地貌,擁有典型岸坡系統(tǒng)。地質(zhì)巖層以侏羅紀(jì)蓬萊組砂頁(yè)巖為主,土壤類型有紫色土、水稻土和黃壤。該地區(qū)屬亞熱帶東南季風(fēng)氣候,年積溫5787 ℃,年均溫18.2 ℃,無(wú)霜期341 d,日照時(shí)數(shù)1327.5 h,日照率29%,年降雨量1200 mm,相對(duì)濕度80%。自三峽工程竣工以來(lái),生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出,消落帶原始植被嚴(yán)重破壞,土壤侵蝕及水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)?shù)匮匕洞迕窭猛怂蟪雎兜南鋷Ю^續(xù)進(jìn)行農(nóng)事耕種,翻耕土壤、施用化肥和農(nóng)藥的現(xiàn)象較為普遍。

為進(jìn)行三峽水庫(kù)消落區(qū)的生態(tài)修復(fù),課題組于2012年3月(T0)在重慶忠縣石寶鎮(zhèn)汝溪河流域建立植被生態(tài)修復(fù)示范基地,面積0.133 km2,示范基地內(nèi)土壤質(zhì)地、肥力狀況基本一致(表1)。研究區(qū)域內(nèi),在165—175 m海拔高程按1 m×1 m的行間距栽植落羽杉、柳樹(shù)兩種帶狀混交植被(落羽杉苗木由重慶市江北區(qū)機(jī)場(chǎng)附近的苗圃提供,柳樹(shù)苗木由重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)一苗圃提供)。所選岸坡樣地平均坡度為26°,岸坡上接受光照輻射強(qiáng)度大致相同,土壤預(yù)熱條件基本一致。所栽植苗木的規(guī)格均為兩年生健康苗木,栽種時(shí)苗木的基本情況如表2所示。兩次取樣時(shí)植被成活率均為100%,生長(zhǎng)狀況良好。

表1 土壤養(yǎng)分含量初始值

表2 落羽杉與柳樹(shù)苗木栽植規(guī)格(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

根據(jù)三峽水庫(kù)水位在忠縣汝溪河流域的變化(圖1),于2012年7月(T1)水位上漲前取樣一次,然后于2013年7月(T2)水位消落后進(jìn)行第二次野外取樣。兩次取樣時(shí),土壤物理性質(zhì)如下(表3)。

圖1 2011年5月至2013年10月重慶忠縣水位變化Fig.1 Water level change of the hydro-fluctuation zone in Zhongxian County from May 2011 to October 2013

植被類型Vegetationtypes含水量Watercontent/%容重Volume-weight/(g/cm3)孔隙度Porosity/%電導(dǎo)率Conductivity/(s/m)T1T2T1T2T1T2T1T2落羽杉T.distichum13.8019.201.611.4438.4945.79105.83135.92柳樹(shù)S.matsudana12.7024.701.441.2941.2051.50114150.50裸地Unplantedsoil12.4010.501.611.2538.6847.26131.75132.08

在采樣區(qū)域內(nèi),落羽杉取樣地理坐標(biāo)為108°08′11″E, 30°21′09″N,柳樹(shù)取樣地理坐標(biāo)為108°09′24″E,30°21′12″N,每種植被類型下均隨機(jī)劃定6塊5 m×5 m樣方,每個(gè)樣方內(nèi)按梅花形設(shè)置5個(gè)重復(fù)取樣點(diǎn),各樣方間隔10m。同時(shí)選取試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)相同海拔段的無(wú)植被裸地土壤(108°07′14″E, 30°21′14″N)作為對(duì)照。野外操作時(shí)采用IQ150土壤原位pH計(jì)(IQ Scientific Instruments, Inc., San Diego, CA USA)測(cè)定土壤pH值,同時(shí)在各樣地隨機(jī)選取5株植物,記錄生長(zhǎng)狀況,用卷尺測(cè)量株高與冠幅,用游標(biāo)卡尺測(cè)定基徑,相關(guān)方法參考方精云等《植物群落查清的主要內(nèi)容,方法和技術(shù)規(guī)范》[17]；每個(gè)采樣點(diǎn)采集0—20 cm土層的土壤樣品,并將每個(gè)樣地的土壤樣品按四分法混合后,用聚乙烯自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干后以供土壤化學(xué)分析。

土壤有機(jī)質(zhì)(OM)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮(TN)含量測(cè)定采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(瑞士Büchi公司生產(chǎn)的Distillation Unit B- 324)；用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮(AN)含量；土壤全磷(TP)、速效磷(AP)含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法；全鉀(TK)、速效鉀(AK)含量測(cè)定采用原子吸收光譜儀(美國(guó)PE公司生產(chǎn)的AA800)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)定土壤指標(biāo),采用重復(fù)度量方差分析(Repeated measures ANOVA)分析不同取樣時(shí)間與不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響,并用Tukey檢驗(yàn)法檢驗(yàn)每個(gè)指標(biāo)在不同植被類型間的差異顯著性(α=0.05)；采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析1a水淹落干之后,同一植被類型各化學(xué)指標(biāo)在前后兩次測(cè)定之間的差異顯著性；并采用Pearson相關(guān)系數(shù)法評(píng)價(jià)土壤各化學(xué)特性之間的相關(guān)性。本研究采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用Origin 8.6軟件制圖。

3 結(jié)果

3.1 人工植被生長(zhǎng)狀況

落羽杉和柳樹(shù)在T2時(shí)期的株高、胸徑和冠幅較T1時(shí)均有顯著增加(P<0.05)(圖2),落羽杉所測(cè)上述3項(xiàng)指標(biāo)依次增加37%、167%、126%,柳樹(shù)上述3項(xiàng)指標(biāo)則依次增加47%、124%、108%。與T0時(shí)剛栽種相比,落羽杉在T2時(shí)的株高、胸徑和冠幅分別增加53%、336%和265%；同樣的,柳樹(shù)在T2時(shí)則依次分別增加74%、232%和211%。

圖2 消落帶植被樣地樹(shù)木生長(zhǎng)狀況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Growth circumstance of sampling trees in the Three Gorges Reservoir Area (Means ± SE)**P < 0.01

3.2 土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量的變化

對(duì)土壤pH值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),植被類型、取樣時(shí)間均對(duì)土壤pH值產(chǎn)生顯著影響,而二者交互作用并未顯著影響土壤pH值(表4)。在同一植被處理組內(nèi),T2時(shí)柳樹(shù)實(shí)生土壤與裸地土壤pH值分別與各自T1時(shí)的值相比均未呈現(xiàn)出顯著差異；與之不同,與T1時(shí)相比,落羽杉實(shí)生土壤T2時(shí)的pH值極顯著降低23%(P<0.001,表5)。

重復(fù)度量方差分析表明,植被類型、取樣時(shí)間以及二者的交互作用均會(huì)對(duì)土壤OM含量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05,表4)。此外,在同一處理組內(nèi),裸地土壤在T2時(shí)的OM含量與T1時(shí)相比無(wú)顯著性差異存在,這與落羽杉和柳樹(shù)實(shí)生土壤T2時(shí)的OM含量較T1時(shí)分別顯著降低25%和42%形成鮮明對(duì)比(P<0.05,表5)。

表4 土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的重復(fù)度量方差分析

nsP> 0.05；*P< 0.05；**P< 0.01；***P<0.001

表5 不同植被類型T1與T2取樣時(shí)土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

不同字母表示同一時(shí)間不同人工植被類型的土壤pH值與OM含量存在顯著差異

3.3 土壤氮磷鉀速效養(yǎng)分含量的變化

對(duì)土壤AN含量而言,T1時(shí),3種植被類型AN含量差異顯著,而經(jīng)過(guò)水淹后差異被消除(圖3)。重復(fù)度量方差分析表明,取樣時(shí)間、取樣時(shí)間與植被類型的交互作用也極顯著影響土壤的AN含量(P<0.01,表4)。就同一植被處理組內(nèi)AN含量而言,與T1時(shí)相比,不論是人工植被土壤還是裸地土壤,其AN含量均極顯著降低(P<0.001),落羽杉、柳樹(shù)、裸地土壤AN含量在T2時(shí)分別下降35%、43%和28%(圖4)。

T1時(shí)落羽杉實(shí)生土壤AP含量與裸地與柳樹(shù)實(shí)生土壤相比,分別顯著降低42%和40%,T2時(shí)則僅較裸地顯著降低65%,而與柳樹(shù)實(shí)生土壤無(wú)顯著差異(P<0.05，圖3)。然而,柳樹(shù)實(shí)生土壤AP含量在T1時(shí)與裸地土壤之間則并無(wú)顯著性差異存在,T2時(shí)顯著低于裸地土壤。植被類型、取樣時(shí)間以及植被類型與取樣時(shí)間的交互作用均對(duì)土壤AP含量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05,表4)。在相同植被類型下,落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤在T2時(shí)的AP含量較T1時(shí)分別顯著下降54%和51%,這與裸地土壤前后兩次測(cè)定的平均值之間并未產(chǎn)生顯著差異形成明顯對(duì)比(圖4)。

植被處理組并未顯著改變土壤AK含量,與之相同,時(shí)間因素對(duì)AK含量無(wú)顯著影響,植被與時(shí)間的交互作用也未顯著影響土壤的AK含量(P>0.05,表4)。對(duì)同一處理組內(nèi)前后不同測(cè)定時(shí)間的T檢驗(yàn)結(jié)果表明,落羽杉和柳樹(shù)在T2時(shí)的土壤AK含量較T1時(shí)并無(wú)顯著變化(圖4),但裸地土壤T2時(shí)的AK含量與T1相比則顯著增加41%。

圖3 相同取樣時(shí)間落羽杉、柳樹(shù)及裸地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Soil AN, AP, and AK content under different vegetation types in the same time(Means±SE)不同大寫(xiě)字母表示T1時(shí)不同人工植被類型的土壤性質(zhì)存在顯著差異。不同小寫(xiě)字母表示T2時(shí)不同人工植被類型的土壤性質(zhì)存在顯著差異

圖4 落羽杉、柳樹(shù)及裸地土壤在不同取樣時(shí)間的堿解氮、有效磷、速效鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.4 Soil AN, AP, and AK content under different vegetation types (Means±SE)ns P>0.05；**P<0.01；***P<0.001

3.4 土壤氮磷鉀全量含量的變化

不同人工植被處理對(duì)土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量的影響不盡相同。T1時(shí),柳樹(shù)實(shí)生土壤TN含量極顯著高于落羽杉與裸地土壤,分別顯著高出24%和23%,T2時(shí)TN含量在2種植被處理組間無(wú)顯著差異存在(圖5)。重復(fù)度量方差分析表明,植被類型對(duì)TN含量無(wú)顯著影響,與植被因素相似,植被與取樣時(shí)間的交互作用對(duì)土壤TN含量也無(wú)顯著影響(P>0.05,表4)；但與之不同的是,取樣時(shí)間則顯著影響各處理組的土壤TN含量(P<0.05,表4)。T檢驗(yàn)結(jié)果表明,在每個(gè)處理組內(nèi),前后兩次取樣的土壤的TN含量均無(wú)顯著差異存在(P>0.05，圖6)。

取樣時(shí)間以及取樣時(shí)間與植被互作也極顯著影響土壤的TP含量(P<0.01,表4)。在每個(gè)處理組內(nèi),T2時(shí)落羽杉與柳樹(shù)土壤的TP含量與T1測(cè)定時(shí)相比均極顯著地增加(P<0.01,圖6),而與之相反,T2時(shí)裸地土壤的TP含量較T1時(shí)并無(wú)顯著差異存在(P>0.05,圖6)。

柳樹(shù)植被處理組土壤的TK含量最高,分別顯著高出落羽杉和裸地土壤33%和65%。與此同時(shí),落羽杉比裸地土壤也顯著高出24%。然而落羽杉、柳樹(shù)與裸地三者TK含量的差異主要表現(xiàn)在水淹前(T1),水淹后三者差異則被消除(圖5)。土壤TK含量受時(shí)間、植被類型以及二者交互作用的顯著影響(表4)。對(duì)同一處理組內(nèi)前后兩次不同測(cè)定時(shí)間的T檢驗(yàn)表明,T2時(shí)落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤的TK含量較T1時(shí)均極顯著降低(P<0.01,圖6),分別降低37%和57%,與裸地土壤的TK含量在前后兩次測(cè)定值之間無(wú)顯著差異形成鮮明對(duì)比(P>0.05,圖6)。

圖5 相同取樣時(shí)間落羽杉、柳樹(shù)及裸地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.5 Soil TN, TP, and TK content under different vegetation types in the same time (Means±SE)

圖6 落羽杉、柳樹(shù)及裸地土壤在不同取樣時(shí)間的全氮、全磷、全鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.6 Soil TN, TP, and TK content under different vegetation types (Mean ± SE)

3.5 土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明,土壤pH值與TP含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),而OM與AN、AP、TK分別呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)。與此同時(shí),AN、AP分別與TP表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與TK表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系。TK與TP也呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。植物高度、基徑與冠幅3項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo),與TN和AK均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,而與土壤pH值、OM、AN、AP(高度除外)、TK含量均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外,植物的株高與TP呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性。

表6 人工植被土壤營(yíng)養(yǎng)元素間的相關(guān)性分析

**a=0.01下相關(guān)性達(dá)到極顯著水平； *a=0.05下相關(guān)性達(dá)到顯著水平(兩尾檢驗(yàn))

4 討論

消落帶為陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶,存在頻繁的物質(zhì)交換。在人工植被構(gòu)建后,植被-土壤之間存在季節(jié)性的干濕交替,伴隨著土壤理化性質(zhì)、好氧厭氧狀態(tài)、植被生長(zhǎng)狀態(tài)等一系列復(fù)雜變化。同時(shí),水土-河岸土壤之間也發(fā)生著強(qiáng)烈的物質(zhì)交換,水分條件通過(guò)影響土壤濕度、氧化還原電位、通氣條件等影響土壤養(yǎng)分及土壤化學(xué)過(guò)程。

4.1 植被生長(zhǎng)狀況

落羽杉是杉科落羽杉屬的落葉喬木,柳樹(shù)屬于楊柳科柳屬落葉喬木,二者均易繁殖,耐水淹能力強(qiáng),是園林綠化、用材和農(nóng)田防護(hù)林的常用樹(shù)種[18- 21]。目前,對(duì)落羽杉的研究主要集中在水淹條件下其光合特性的變化[3]、根部次生代謝物質(zhì)含量及根生物量的變化[13]等方面；而對(duì)柳樹(shù)的研究則主要集中在水分脅迫下其生理生化反應(yīng)[22]、柳樹(shù)對(duì)重金屬的耐受性[21]等。

在消落帶人工建植的落羽杉與柳樹(shù)示范基地內(nèi),盡管2012年7月人工植被構(gòu)建初期(T1時(shí)),落羽杉與柳樹(shù)相比,二者株高和基徑并無(wú)顯著差異(P>0.05),但經(jīng)過(guò)三峽水庫(kù)的1個(gè)水淹周期之后,落羽杉胸徑、冠幅均顯著高于柳樹(shù)(P<0.05,圖2)。有研究表明,完全水淹條件下氧氣供應(yīng)減少,使植物生長(zhǎng)遭受脅迫,導(dǎo)致植物對(duì)碳水化合物利用率降低,加劇營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的消耗[23]；加之水中二氧化碳含量較少,植物的光合作用受阻[24],故水淹會(huì)引起植物生長(zhǎng)狀況下降,生物量減少,以致植物生長(zhǎng)隨著水淹和退水發(fā)生改變。就本研究而言,植被生長(zhǎng)一年之后,樹(shù)木的株高、基徑、冠幅均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),且兩種樹(shù)木的長(zhǎng)勢(shì)較為明顯,這應(yīng)與其根系分泌物活化土壤難溶態(tài)元素、增加植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收及提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效率密切相關(guān)。由此較好地解釋了植物高度、基徑與冠幅3項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤中的一些營(yíng)養(yǎng)元素含量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象(表6)。同時(shí),土壤微生物對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響可以調(diào)節(jié)土壤質(zhì)量,進(jìn)而影響地表植被生長(zhǎng)[25],也可能是植被生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生差異的原因,但仍需后續(xù)進(jìn)一步探究。

4.2 土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量的變化

土壤OM主要來(lái)源于植被凋落物以及土內(nèi)微生物和土壤動(dòng)物、植物根系的殘基。其中,凋落物是土壤養(yǎng)分重要的物質(zhì)與能量來(lái)源,凋落物自身的營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)分解后歸還土壤,可以顯著提高土壤肥力[34]。Aert等[35]研究發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的供給與循環(huán)存在正反饋?zhàn)饔?凋落物產(chǎn)量增加時(shí),反饋也不斷加強(qiáng)[36]。本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的水淹—落干之后的消落帶裸地土壤的OM含量存在一定程度升高的現(xiàn)象(表5),這與已有的國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果基本一致[37- 38]。因?yàn)樘幱谘退疇顟B(tài)下的土壤,其氧化還原電位會(huì)降低,易產(chǎn)生還原性物質(zhì),有利于OM的積累[39- 40]；與此同時(shí),漬水厭氧條件使生物活動(dòng)減弱,OM的分解減少[41],有利于其含量的維持甚至于增加。與裸地相反,種植落羽杉與柳樹(shù)的土壤OM在經(jīng)歷1個(gè)水淹周期之后含量均降低且差異顯著(表5),主要是由于栽植林木之后的消落帶土壤通透性及親水性增強(qiáng),江水浸泡之后易發(fā)生軟化,江水、雨水的淘蝕沖擊作用加大,極易導(dǎo)致土壤OM的流出,進(jìn)而降低幼樹(shù)實(shí)生土壤中OM的含量。

本研究中落羽杉、柳樹(shù)、裸地3種不同處理的土壤OM含量存在差異的現(xiàn)象,充分說(shuō)明不同植被類型將會(huì)影響土壤OM甚至土壤養(yǎng)分含量的變化[42],尤其是不同植被之間的凋落物數(shù)量與生物量差異較大,導(dǎo)致進(jìn)入土壤中的有機(jī)物數(shù)量不同[6,35,43]。然而,柳樹(shù)處理組的OM含量顯著高于落羽杉及裸地處理組,主要是由于淹水前(即T1)土壤中的OM含量差異引起,淹水后(即T2)3個(gè)處理組的土壤OM含量并無(wú)顯著差異存在(表5)。在三峽水庫(kù)水位漲落過(guò)程中,柳樹(shù)與落羽杉凋落物容易懸浮在水體表面,且隨著水流離開(kāi)土壤,加之較長(zhǎng)時(shí)間的水淹浸泡,各處理組土壤的OM含量容易呈現(xiàn)出均質(zhì)化、且相互之間無(wú)顯著差異的現(xiàn)象(表5)[44- 45]。

4.3 土壤氮磷鉀速效養(yǎng)分含量的變化

在淹水還原條件下,土壤中磷的含量受土壤pH值、Eh以及無(wú)定型鐵的影響[47- 48],其溶解性和有效性會(huì)增加[49]。本研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的水淹之后,落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤的AP含量均低于水淹之前,且柳樹(shù)土壤AP含量下降更為顯著,極有可能是由于柳樹(shù)對(duì)磷的吸收強(qiáng)度顯著高于落羽杉所致。盡管淹水在一定程度上可以增加土壤中速效磷的有效性,但三峽水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間的淹水以及江水的擾動(dòng)均可能造成沉積物中速效磷的大量物理釋放；另外,淹水造成的較長(zhǎng)期強(qiáng)烈厭氧環(huán)境,使Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2 +,后者可與磷結(jié)合產(chǎn)生可溶性的磷酸亞鐵鹽釋入上覆水中[50],進(jìn)而使AP含量降低。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裸地土壤的AK含量較淹水前顯著升高(圖3),可能是由于水浸促進(jìn)了含鉀礦物的風(fēng)化,使難溶態(tài)鉀向可溶態(tài)鉀轉(zhuǎn)化。然而,落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤的AK含量在淹水前后分別并無(wú)顯著差異,說(shuō)明有植被生長(zhǎng)的消落帶土壤對(duì)AK的供給相對(duì)較為穩(wěn)定。盡管土壤鉀元素容易受到雨水淋溶作用的影響,且AK極易在水分脅迫條件下從土壤中溶出,從而降低土壤的AK含量,但在三峽庫(kù)區(qū)消落帶的特定環(huán)境條件下,尤其是在消落帶植被得到修復(fù)重建后,土壤AK含量保持較為平穩(wěn),這從一個(gè)側(cè)面反映出消落帶植被的修復(fù)與重建所起的重要作用。

4.4 土壤氮磷鉀全量含量的變化

在外界土壤環(huán)境與氣候狀況相同的條件下,不同的植被類型將對(duì)土壤的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。這表明土壤特性除了與其環(huán)境氣候、成土母巖、自然條件密切相關(guān)外,植被的作用也不容忽視。事實(shí)上,植物群落對(duì)土壤發(fā)育的作用,一是可以通過(guò)根系、凋落物等返還土壤而直接參與土壤的成土過(guò)程,二是可以通過(guò)改變?nèi)郝渌疅岘h(huán)境而間接影響土壤的發(fā)育[5]。在消落帶水位漲落前后,本研究中落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤TN含量均未發(fā)生顯著改變(圖4),而TP含量與TN相比結(jié)果卻截然不同(圖4)。由此充分說(shuō)明,落羽杉與柳樹(shù)種植初期土壤氮素養(yǎng)分總量將不會(huì)得到顯著增加,但會(huì)顯著增加土壤磷元素的總量。這可能是由于植被構(gòu)建之后,土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)得到改善[51],土壤孔隙度有所增加,進(jìn)而促進(jìn)了固磷細(xì)菌對(duì)磷元素的礦化；此外,土壤中的TP大部分是無(wú)機(jī)磷,含量取決于成土母質(zhì)的風(fēng)化程度及礦物組成,在本研究中,測(cè)定時(shí)間T2處于2013年7月,土壤溫度較高,較高的溫度將促進(jìn)砂土風(fēng)化,這也可能導(dǎo)致土壤TP含量顯著增加。

本實(shí)驗(yàn)中落羽杉與柳樹(shù)林地經(jīng)歷1年的水淹周期之后,土壤TK含量均有所降低,這極有可能是植物生長(zhǎng)利用消耗以及雨水淋溶損耗所致。有研究指出OM具有突出的保鉀作用[52- 53],本研究發(fā)現(xiàn)消落帶土壤OM與TK含量存在顯著的正相關(guān)(表4),因此TK含量降低也應(yīng)與OM的含量減少(表5)密切相關(guān)。特別值得指出的是,消落帶裸地土壤的TN、TP、TK含量均在淹水前后差異分別不顯著,可能與其成土母質(zhì)類型相對(duì)穩(wěn)定有一定關(guān)系[44]。

4.5 土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量之間的相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn)pH值與TP含量呈顯著負(fù)相關(guān)性(表4)表明,土壤磷元素的總量受到土壤pH值的強(qiáng)烈影響,pH值越低,消落帶土壤中的磷元素總量將有所增加。這從一個(gè)側(cè)面較好地解釋了在T2時(shí)落羽杉與柳樹(shù)適生土壤因較低的pH值TP含量較裸地相比均顯著增加(圖4)的現(xiàn)象。在含磷化合物中,可被植物吸收的只有正磷酸鹽和有機(jī)磷兩種形式,pH值的變化會(huì)引起磷的存在形式的改變,抑制了磷元素的固定作用,促進(jìn)了磷元素的有效利用,故土壤變酸或變堿都會(huì)造成正磷酸鹽含量降低[54]。

三峽庫(kù)區(qū)消落帶土壤OM與AN含量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性,是因?yàn)橥寥赖刂饕嬖谟贠M中,氮素的輸入量主要依賴于植物殘?bào)w的歸還量和生物固氮[2,55]。本研究中不同植被類型速效氮含量與OM含量有相同的消長(zhǎng)趨勢(shì),這與之前的研究結(jié)論一致[32,56]。

一般而言,土壤中鉀元素的有效態(tài)主要為交換態(tài),其含量大小主要取決于土壤本身含量和土壤表面的聚集作用[57]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤TK與OM含量呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性,這極有可能系消落帶水淹和植被修復(fù)重建所致,因?yàn)镺M的積累能改善土壤的物理性質(zhì),使鉀元素更易累積和轉(zhuǎn)移,促使難溶性鉀的釋放,提高AK的利用效率[2]。本實(shí)驗(yàn)中落羽杉與柳樹(shù)實(shí)生土壤OM含量在T2時(shí)較T1時(shí)顯著降低,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致鉀元素的累積和轉(zhuǎn)移速率相對(duì)變緩,但由于土壤中AK的供給仍保持相對(duì)穩(wěn)定(圖3),故土壤中TK總量在T2時(shí)的顯著降低可能是由于落羽杉與柳樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程消耗所致。

土壤中的AP含量因植被生長(zhǎng)吸收減少,而植被為獲取更多的AP,促使土壤釋放大量TP,且使其向?qū)?yīng)的速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,以滿足自身生長(zhǎng)需求,這不但與上述TP含量升高相吻合,且可以較好的體現(xiàn)AP與TP之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。消落帶中,植物的生長(zhǎng)與土壤pH值及營(yíng)養(yǎng)元素含量密切相關(guān),本研究中植物生長(zhǎng)過(guò)程中根系分泌有機(jī)酸造成土壤pH降低,是植被生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤pH值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的主要原因,與此同時(shí)植被為滿足自身生長(zhǎng)發(fā)育需要,吸收土壤中的OM、AN與AP,促使土壤中OM、AN及AP含量降低；而OM具有保鉀作用,因此植被生長(zhǎng)吸收造成OM含量的降低,可能間接影響土壤中的TK含量,使植被生長(zhǎng)與土壤TK呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié)論

在三峽庫(kù)區(qū)消落帶種植的人工植被落羽杉與柳樹(shù),在經(jīng)歷一個(gè)水淹—落干的水文變動(dòng)周期后,兩樹(shù)種實(shí)生土壤在T2時(shí)的pH值均顯著低于同時(shí)段的裸地(表5),并且OM含量、AN(圖3)、AP(圖3)、AK(圖3)、TN(圖5)、TK(圖5)分別均未顯著高出裸地對(duì)照組。與T2時(shí)的裸地相比,只有柳樹(shù)人工植被實(shí)生土壤的TP含量顯著升高(落羽杉與裸地在T2時(shí)的TP含量無(wú)顯著差異,P>0.05,圖5)。

綜上所述,落羽杉與柳樹(shù)人工植被對(duì)土壤養(yǎng)分的影響,主要出現(xiàn)在水淹之前(即T1時(shí)期)。在經(jīng)歷一個(gè)水淹-落干的水文變化周期之后,各處理組土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的均一化現(xiàn)象明顯。這進(jìn)一步證實(shí)在三峽庫(kù)區(qū)消落帶開(kāi)展科學(xué)的植被修復(fù)與重建值得提倡和肯定,人工植被產(chǎn)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)較低。當(dāng)然,需要特別注意柳樹(shù)實(shí)生土壤向水體中釋放P元素的風(fēng)險(xiǎn),加強(qiáng)對(duì)水體P含量的檢測(cè)。由于本研究?jī)H涉及到一個(gè)水淹周期,時(shí)間相對(duì)較短,開(kāi)展長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)跟蹤研究顯得十分必要,這也是課題組目前正在進(jìn)行的工作之一。

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Effects ofTaxodiumdistichumandSalixmatsudanaon the contents of nutrient elements in the hydro-fluctuation belt of the Three Gorges Reservoir Area

REN Qingshui,MA Peng,LI Changxiao*, YANG Yujing, MA Jun

KeyLaboratoryfortheEco-EnvironmentoftheThreeGorgesReservoirRegionoftheMinistryofEducation,schoolofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

The purpose of this study was to examine the dynamics of the chemical properties of soil in the water level fluctuating zone of the Three Gorges Reservoir (TGR) region. In addition, the potential impact of vegetation reconstruction on water quality was investigated. Bald cypress (Taxodiumdistichum) and Chinese willow (Salixmatsudana) are the two dominant species in the riparian zone of the TGR area. Soil samples were taken from vegetation planted below eitherT.distichum,S.matsudana(treatments), or bare soil (control) in July 2012 (T1) and July 2013 (T2), before flooding and after water flooding respectively. The following parameters were measured: soil pH, organic matter (OM), alkali hydrolysable nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), and plant growth. The results showed that: (1) At T1, the treatment and control soil nutrient contents were significantly different, whilst pH did not differ between these groups. In contrast, at T2, only the pH, AP, TP, and AK showed significant differences between the treatments and control. (2) The pH value and OM content ofT.distichumin T2, as well as OM content inS.matsudanain T2, were significantly lower than those in T1. After flooding (T1), although AN, AP, and TK contents below the experimental vegetation were significantly lower than the control, TP content was significantly increased. In contrast, at T2, besides an obvious decrease of AN content and a significant increase in AK, the other nutrient elements did not have any notable differences. (3) Correlation analysis showed that pH values were negatively correlated with TP, and OM showed a positive correlation with AN, AP, and TK. Furthermore, AN and AP were negatively correlated with TP and positively correlated with TK. TP and TK had a strong negative relationship. The three growth indices including height, diameter at breast height (DBH), and canopy cover were negatively correlated with soil nutrient elements, including pH, OM content, AN, AP (except height), and TK, while the height showed a positive correlation with TP. In conclusion, this study suggests that the effects of artificially vegetating soil appear only before flooding (T1), but no tafter water flooding (T2). Soil chemical properties under different treatments were homogeneous, which further confirms that artificial revegetation can improve the soil ecological environment with a low chance of eutrophication of the water body. However, there is the potential risk of phosphorus being released from the revegetation soil underS.matsudana, and therefore the detection of water phosphorus content is an important factor to take into consideration.

Three Gorges Reservoir Area; hydro-fluctuation zone; revegetation; soil nutrients

重慶市林業(yè)重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(渝林科研2015- 6)；寧夏黃河流域生態(tài)體系優(yōu)化構(gòu)建技術(shù)合作研究(2011DFG32780)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013JJB00004)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(XDJK2013A011)；國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004039)；留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(教外司留[2010- 1561])；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目(渝林科推[2014- 10]); 重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS2015068)

2015- 04- 03;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201504030672

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lichangx@swu.edu.cn

任慶水,馬朋,李昌曉,楊予靜,馬駿.三峽庫(kù)區(qū)消落帶落羽杉(Taxodiumdistichum)與柳樹(shù)(Salixmatsudana)人工植被對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(20):6431- 6444.

Ren Q S,Ma P,Li C X, Yang Y J, Ma J.Effects ofTaxodiumdistichumandSalixmatsudanaon the contents of nutrient elements in the hydro-fluctuation belt of the Three Gorges Reservoir Area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6431- 6444.