河口濕地圍墾后長期耕作下土壤理化性質(zhì)演變、碳固定機制及細菌群落演替的研究.pdf

1、土壤發(fā)育對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。了解土壤在長期農(nóng)業(yè)利用下如何演變，有助于制定合理的土地利用策略及預(yù)測農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方向。然而，目前生態(tài)學(xué)研究很少涉及農(nóng)業(yè)土壤發(fā)育，而傳統(tǒng)的土壤發(fā)育研究又偏重土壤發(fā)生學(xué)方面，很少關(guān)注土壤發(fā)育中的生物地球化學(xué)過程和土壤生物的動態(tài)。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的原理，著眼于探討土壤礦質(zhì)-有機質(zhì)-土壤微生物群落如何共同驅(qū)動農(nóng)業(yè)土壤的長期發(fā)育;從基本土壤理化性質(zhì)演變、土壤碳固定機制以及土壤細菌群落演替等

2、三方面，系統(tǒng)地研究了位于長江河口的崇明島濕地圍墾后500年內(nèi)耕作土壤的發(fā)育過程和模式，同時分析了近年土地利用方式（水-早輪作和純旱作）對土壤發(fā)育的影響。
　　本研究在崇明島的濕地及圍墾距今時間為8、16、40、75、120、300、500年的土地上，對近年土地利用方式較穩(wěn)定的水、旱田（持續(xù)時間約8-100年）進行了廣泛的土壤采樣（主要在表層），分析其主要理化性質(zhì)的演變，研究土壤基本發(fā)生過程;用碳分組技術(shù)探討土壤碳的固定機制;用16

3、S rRNA基因的末端限制性片段長度多態(tài)性(T-RFLP)及454高通量測序技術(shù)，分析土壤細菌群落的分類組成、多樣性及群落結(jié)構(gòu)，探討了土壤細菌的演替模式。主要結(jié)果如下:
　　圍墾后500年內(nèi)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)變化明顯，呈現(xiàn)出清晰的發(fā)育模式。對土壤理化性質(zhì)演變的分析表明，圍墾后土壤在長期耕作下的基本土壤發(fā)生過程包括:土壤顆粒的細化和團聚性的提高、鐵氧化物的積累和老化、土壤有機質(zhì)的增加、鹽基離子的淋溶、脫鈣。土壤發(fā)育過程中多數(shù)土壤指標與

4、有機質(zhì)顯著相關(guān)，表明土壤有機質(zhì)是指示和影響圍墾后耕作土壤發(fā)育進程的最關(guān)鍵因子。在發(fā)育500年后，土壤肥力整體上升，但在濕地圍墾后的短期內(nèi)（本研究中約16年），多數(shù)重要土壤指標（如SOC、TN、CEC、鐵鋁氧化物等）下降，出現(xiàn)一個土壤肥力整體惡化的階段，這與濕地圍墾導(dǎo)致的土壤有機質(zhì)急劇喪失有關(guān)。主成分分析(PCA)結(jié)果表明，圍墾后耕作土壤理化性質(zhì)的長期演變表現(xiàn)出明顯的方向性，近期的土地利用導(dǎo)致了演變路徑的偏移，但未改變土壤理化性質(zhì)演變的整

5、體方向。
　　圍墾后500年內(nèi)，農(nóng)田土壤有機碳初期（本研究中約16年）急劇喪失、其后長期積累。在此過程中土壤的碳固定機制發(fā)生了深刻變化。土壤有機碳在圍墾初期的急劇喪失主要與Fe/Al-鍵有機碳和輕組有機碳的下降有關(guān)，二者的下降分別占全土有機碳下降的60％和30％;前者的下降可能跟非晶質(zhì)鐵氧化物的淋溶有關(guān)，后者則由于未得到土壤保護而被迅速分解。土壤有機碳的長期積累主要是由于土壤礦質(zhì)對碳的化學(xué)保護作用和土壤微團聚體＜50μm)對顆粒有

6、機碳的物理保護作用，這兩種機制所保護的碳分別占全土有機碳(SOC)的74％和15％，對SOC隨時間積累的貢獻率平均分別為75％和19％。此外，化學(xué)保護對碳固定的重要性隨時間有上升趨勢，物理保護的重要性則隨時間略有下降。這些都表明土壤礦質(zhì)的化學(xué)保護對崇明島農(nóng)田碳固定的作用比微團聚體物理保護更大。但是，土壤微團聚體內(nèi)部粉-粘粒（S+C_μ）的碳濃度高于團聚體外的游離粉-粘粒(S+C_f)，且S+C_μ占SOC的比例隨土壤發(fā)育時間上升，S+C

7、_f則不變或下降，這表明土壤有機碳的化學(xué)和物理保護機制間存在交互作用:土壤團聚體的形成不僅對顆粒有機碳有物理保護作用，還通過增加其內(nèi)部粉-粘粒的碳固定促進全土SOC的積累。在土壤礦質(zhì)化學(xué)保護的有機碳中，Ca-鍵和Fe/Al-鍵碳占全土SOC的比例平均分別為11％和49％。Ca-鍵和Fe/Al-鍵碳對碳固定的貢獻隨時間呈下降趨勢:在濕地及圍墾后16年內(nèi)，二者共占SOC的74-88％;而在最老的土壤中，二者僅占SOC的31-36％?？梢姡S

8、土壤發(fā)育，Ca-鍵和Fe/Al-鍵對土壤碳化學(xué)保護的重要性隨時間逐漸下降，土壤礦質(zhì)其他部分的作用則逐漸上升。在整個土壤發(fā)育過程中，水田土壤的SOC高于旱田，且這一差異在土壤發(fā)育后期最為明顯。水、旱田土壤SOC差異的25％可由微團聚體物理保護碳的差異解釋，60％可由礦質(zhì)保護碳的差異解釋?？梢?，土壤礦質(zhì)的化學(xué)保護才是造成水田土壤更強固碳能力的主要原因。在礦質(zhì)保護的碳中，水田Fe/Al-鍵碳含量比旱田高約10％，除Ca-和Fe/Al-鍵外的礦

9、質(zhì)部分結(jié)合碳比旱田高約23％，表明鐵鋁氧化物對碳的保護并非水田化學(xué)固碳能力強于旱田的最重要原因。此外，水田的輕組碳比旱田高約28％，表明水田土壤更高的碳投入也是導(dǎo)致其更高SOC的重要機制。
　　圍墾后500年內(nèi)農(nóng)田土壤細菌群落隨時間發(fā)生了明顯的演替。T-RFLP和UniFrac分析一致表明:圍墾后500年內(nèi)，農(nóng)田細菌的群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的方向性變化。同時454高通量測序結(jié)果顯示，至少4個細菌門（變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門

10、）的多度隨土壤發(fā)育呈現(xiàn)明顯的時間趨勢，其中變形菌門（尤其α-變形菌綱）和疣微菌門與細菌群落結(jié)構(gòu)隨時間的變化最為相關(guān)。這些都表明土壤細菌群落演替的發(fā)生。圍墾后耕作土壤細菌的演替呈現(xiàn)與土壤理化性質(zhì)演變呈現(xiàn)類似的模式，即都有明顯的方向性;且在圍墾后短期內(nèi)演替速度較快，此后則較為緩慢。為此可將細菌演替劃分為圍墾初期的“快速演替階段”和此后長期的“漸進演替階段”。在快速演替階段，細菌的整體多樣性（以Shannon指數(shù)指示）、物種豐富度（以Chao

11、l值指示）和均勻度（以Simpson指數(shù)指示）皆呈明顯而快速的上升，而在漸進演替階段，雖然土壤微生物量隨時間上升，細菌的整體多樣性、豐富度和均勻度卻有輕微下降的趨勢。此外，T-RFLP和UniFrac分析都表明，近年的土地利用并未改變土壤細菌群落演替的整體方向，只是導(dǎo)致演替路徑發(fā)生了偏移。在整個演替過程中，水田比旱田具有更多酸桿菌門、綠彎菌門和擬桿菌門細菌，旱田則具有更多的放線菌門和厚壁菌門細菌。
　　總之，本研究初步揭示了農(nóng)業(yè)土

12、壤長期發(fā)育過程中土壤礦質(zhì)部分理化性質(zhì)的演變、碳過程和微生物群落演替間存在復(fù)雜的促進或反饋關(guān)系。一方面，土壤礦質(zhì)部分隨時間的演變深刻影響了有機碳的固定，如微團聚體含量隨時間的增加提高了S+C_μ碳庫，脫鈣降低了Ca-鍵碳庫，鐵氧化物的老化則降低了Fe/Al-鍵碳庫。另一方面，土壤發(fā)育過程中多數(shù)土壤指標的時間動態(tài)都與有機質(zhì)顯著相關(guān)，這似乎表明土壤碳過程對土壤礦質(zhì)部分的演變具有一定反饋作用。另一方面，典范對應(yīng)分析(CCA)表明，土壤發(fā)育過程中