广西喀斯特人工林生态恢复土壤微食物网演变特征及机制

发布时间：2020-11-12 11:43

　　 作为“中国三大生态灾害”之一的“石漠化”,是我国西南喀斯特地区的重要生态环境问题,其极易引发洪水、泥石流、山体滑坡等自然灾害,对生态、地质安全构成极大威胁。长期以来,人们广泛采取植树造林等生态恢复重建措施进行石漠化喀斯特的环境治理。生态恢复过程通常是一个复杂系统的过程,地上植被和地下土壤系统往往相互作用和关联,可以进行协同演替。由“微生物-原生动物-线虫”构成的土壤微食物网(Soil micro-food web)作为生态系统的重要组分部分,参与有机质分解和养分循环等诸多生态过程,在生态系统功能的维持上发挥重要作用,并可以作为生态系统恢复演替的良好指示者。深入研究喀斯特生态恢复过程中土壤微食物网的演变特征,不仅有助于更好的认识退化喀斯特的生态恢复过程及机理,亦可为喀斯特系统的生态恢复评价和环境治理提供一定的理论参考。本文以广西环江典型喀斯特系统为代表,采用空间序列代替时间序列的方法,选取相对邻近的裸地(石漠化对照样地)和系列年限(2、4、8、16年)香椿树人工林生态恢复样地,通过S型多点混合取样法采取表层(0～10 cm)土样,经过实验室测定分析,研究了退化喀斯特生态恢复过程中:土壤微生物群落大小、活性、多样性、结构、生理生态及化学计量等方面的演变特征;土壤原生动物群落组成、大小和多样性的演变特征;土壤线虫群落组成、多样性、代谢足迹和结构等方面的演变特征;运用冗余分析、典型对应分析-方差分解分析(CCA-VPA)和结构方程模型等统计分析方法,结合植被、地下资源输入和土壤关键理化性质的相关关系分析,探讨土壤微食物网演变机制和主要驱动因子。采用氯仿熏蒸法测定微生物生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN),室内培养-碱液吸收法测定基础呼吸(BR),荧光微平板法测定C、N相关酶活性,磷脂脂肪酸(PLFA)法测定微生物群落结构。结果显示:随着喀斯特人工林生态恢复年限的延长,土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、细菌磷脂脂肪酸含量、腐生真菌磷脂脂肪酸含量、丛枝菌根真菌磷脂脂肪酸含量均趋于增加,基础呼吸(BR)和p-葡萄糖苷酶(BG)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性亦呈逐渐升高趋势,微生物磷脂脂肪酸的类群数逐渐增多,均匀度指数(J')和香农指数(H')也有升高趋势,而优势度指数(λ)逐渐降低。这些结果结合相关分析表明,喀斯特生态恢复过程中,由于根系、有机质等底物资源的增多和土壤孔隙度、湿度等环境条件的改善,所以土壤微生物群落大小、活性和多样性提高。根据CCA-VPA的分析结果,总的来说有机质等底物资源的增多是微生物群落演变的主要驱动因子。石漠化对照样地的土壤微生物商(MBC%)小于2.0,而呼吸熵(qCO2)数值大于2.0,反映了石漠化胁迫生境对微生物群落的生理抑制作用;生态恢复后微生物商和特征酶活性(基于土壤有机质的酶活性)趋于升高而呼吸熵趋于降低,说明喀斯特生态环境得到改善,胁迫作用减弱。与植被根系C/N比和土壤C/N比的变化规律一致,微生物C/N比和特征酶活比(BG/(NAG+LAP))均呈升高趋势,表明微生物群落对资源化学计量的适应性响应。喀斯特生态恢复过程中,由于根系资源的质量(可分解性)趋于降低(表现为C/N和木质素含量趋于增加,而N含量趋于减少),相对更加有利于真菌的分解利用,所以真菌/细菌比例(F/B)趋于升高,说明土壤腐屑食物网分解通道向以真菌分解为主的方向发生变化。采用三级10倍环式稀释培养法,显微镜下观察鉴定并计数原生动物,通过相关公式计算原生动物生物量碳。结果显示:随着喀斯特人工林生态恢复年限的延长,土壤鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫以及总的原生动物数量及生物量均呈增加趋势,土壤原生动物类群数逐渐增多,丰富度指数(SR)和香农指数(H')也有所升高,而优势度指数(λ)显著降低,表明喀斯特生态恢复过程中土壤原生动物群落大小和多样性提高。相关分析结果表明,微生物等食物资源和土壤湿度等环境条件共同驱动了 土壤原生动物群落的演变。采用浅盘法分离提取线虫,之后在解剖镜下计数,光学显微镜下进行科属鉴定,并测量记录线虫体长和最大体径,最后通过相关公式计算物种丰富度指数(SR)、成熟度指数(MI)、结构指数(SI)、功能足迹(Ff)和线虫通路比值(NCR)等一系列线虫生态指数。研究结果显示:随着喀斯特生态恢复年限的延长,土壤各营养类群线虫数量、生物量及碳足迹趋于增加,富集足迹(Fe)、结构足迹(Fs)和功能足迹(Ff)亦呈增加趋势,线虫群落的类群数、丰富度指数(SR)、均匀度指数(J')和香农指数(H')均趋于升高,而优势度指数(λ)降低;成熟度指数(MI、MI2-5)和结构指数(SI)以生态恢复后期相对较高。这些结果表明,喀斯特生态恢复过程中线虫群落大小和代谢活动增加,且群落趋于结构化、复杂化。相关分析结果表明,土壤线虫群落的演变主要归因于根系、微生物、原生动物等食物资源的增多和土壤孔隙度、湿度等环境条件的改善。根据CCA-VPA的分析结果,总的来说较低营养级的r-策略者主要受微生物等食物资源的驱动,而土壤湿度等环境条件是较高营养级K-策略者的主要驱动因子。结构方程模型分析结果很好的展示了上行效应(Bottom-upeffect)作为土壤线虫微食物网演变的重要驱动力。喀斯特生态恢复过程中,随着真菌:细菌比例(F/B)的升高,进而食真菌线虫:食细菌线虫碳足迹比例(FFC/BFC)也趋于升高,而线虫通路比值(NCR)呈降低趋势,这进一步表明土壤腐屑食物网分解通道倾向于向真菌分解为主的方向变化。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X171.4;S714.3
【部分图文】：

物网分析需要对整个土壤食物网中的各功能类群进行划分、计数，其工作量较大，??而且数学模型的分析过程十分复杂［３１］。由“微生物－原生动物－线虫”构成的土壤??微食物网（图１．２）直接参与和间接调控土壤有机质分解和养分循环［３５］，是土壤生??态系统的重要组成部分。线虫作为土壤中数量最丰富的后生动物，普遍存在于各??类土壤当中，包含了较高的生物多样性信息，包括物种多样性、营养多样性、生??活史策略多样性、以及功能团多样性（表１．３），并在土壤食物网中占据着多个营养??级和各类能量通道（细菌、真菌、植物通道，图１．２），处于食物网的中心位置［３６？］；??线虫易于分离提取和分类鉴定，方法成熟，其群落组成承载着丰富的内禀信息［３８］。??所有这些特点，奠定了线虫作为土壤食物网结构和功能指示生物的生态学基础［３９］。??－６－??

根系?碎屑??图１．１?土壤食物网结构图［２４］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｏｉｌ?ｆｏｏｄ?ｗｅｂ?ｄｉａｇｒａｍ［２４１??１．２．２?土壤微食物网研究进展??对于土壤整体食物网的结构和功能分析通常存在很大困难，例如在连通网分??析中，各类功能群的划分、取食关系存在较多模糊不清的地方；能流网分析中，??能量模型的一些参数尚不确定，有待进一步的验证。更为重要的是，整体土壤食??物网分析需要对整个土壤食物网中的各功能类群进行划分、计数，其工作量较大，??而且数学模型的分析过程十分复杂［３１］。由“微生物－原生动物－线虫”构成的土壤??微食物网（图１．２）直接参与和间接调控土壤有机质分解和养分循环［３５］，是土壤生??态系统的重要组成部分。线虫作为土壤中数量最丰富的后生动物，普遍存在于各??类土壤当中，包含了较高的生物多样性信息，包括物种多样性、营养多样性、生??活史策略多样性、以及功能团多样性（表１．３）

１．４．１研究地点概况??研究地点位于广西壮族自治区西北部环江毛南族自治县（２４°４ｆ？２５°３３＾?Ｎ，??１０７°５ｒ？１０８°４３飞，图１．４），拥有典型的喀斯特景观地貌，属中亚热带南缘季风气??候，年均气温１９．９?°Ｃ，年均降雨１３８９?＿，土壤类型有红壤、黄红壤、黄壤、棕色??石灰土和黑色石灰土。由于长期强烈的不合理开垦等人类活动千扰，该地区的土??壤侵蚀和石漠化问题十分严重，以致于存在大面积的的废弃裸地。自上世纪９０年??代以来，陆续采取了退耕还林还草等生态恢复重建措施进行喀斯特环境治理，其??中香椿树种植是常见的人工林生态恢复措施之一。??广．叫??二爹？环＊??图１．４研究地点（广西环江）??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｔｕｄｙ?ｓｉｔｅ?（Ｈｕａｎｊｉａｎｇ?Ｃｏｕｎｔｙ，?Ｇｕａｎｇｘｉ?Ｐｒｏｖｉｎｃｅ）??在保持土壤类型相同（碳酸岩发育的棕色石灰土），控制海拔（４１２？４６５?ｍ）、??坡度（６°？９°）和利用历史（恢复前为长期耕作导致的退化裸地）等背景条件基本??一致的前提下，采用空间序列代替时间序列的方法，选取相对邻近的裸地（石漠??－２４－??
【参考文献】

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本文编号：2880709