青藏高原高寒草甸土發(fā)生季節(jié)性潛育化及其生態(tài)學(xué)意義

林笠 王其兵 賀金生,

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青藏高原高寒草甸土發(fā)生季節(jié)性潛育化及其生態(tài)學(xué)意義

林笠1王其兵2,?賀金生1,?

1. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院生態(tài)學(xué)系, 地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871; 2. 中國科學(xué)院植物研究所, 植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100093; ? 通信作者, E-mail: qwang@ibcas.ac.cn (王其兵), jshe@pku.edu.cn (賀金生)

為了探究青藏高原高寒草甸非水成化土壤是否發(fā)生潛育化, 在 2013 年 12 月 至 2014 年 3 月非生長季的野外觀測過程中, 發(fā)現(xiàn)青藏高原東北部高寒草甸非水成化土壤存在季節(jié)性潛育化, 主要由較高的有機(jī)質(zhì)含量以及土壤季節(jié)性凍融產(chǎn)生的厭氧環(huán)境造成。在土壤腐殖質(zhì)層觀察到鐵錳結(jié)核和膠膜層, 呈藍(lán)灰色, 潛育類型屬于輕潛型和假潛育型。通過分析得出, 土壤潛育化主要發(fā)生在土壤季節(jié)性凍融期間, 潛育層厚度與凍融層厚度之間顯著正相關(guān)。2014年1月的取樣分析結(jié)果顯示, 潛育化顯著降低微生物生物量碳, 提高了活性態(tài)鐵錳含量、陽離子交換量和有效磷含量。季節(jié)性潛育化可能對凍融過程中微生物群落結(jié)構(gòu)、根系動態(tài)、溫室氣體排放以及養(yǎng)分循環(huán)等方面產(chǎn)生重要影響。由于潛育化只發(fā)生在非生長季, 這一現(xiàn)象容易被忽略, 但其對土壤生態(tài)過程產(chǎn)生的影響值得關(guān)注。

潛育化; 高寒草甸; 土壤凍融過程

土壤潛育化是所有水成土共同經(jīng)歷的過程之一, 主要受淹水程度、淹水類型以及母質(zhì)性質(zhì)等環(huán)境因素影響[1], 導(dǎo)致水成土發(fā)育成不同類型的潛育土[2]。土壤潛育化一般發(fā)生在具有充足的水分、豐富的有機(jī)質(zhì)以及兼性或嫌氣性微生物區(qū)系的區(qū)域。在我國南方地區(qū), 潛育化水稻土廣泛分布, 特別是江蘇、江西、浙江、廣西等省[3]。水稻土潛育化已經(jīng)嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。潛育化的水稻土還原性物質(zhì)多, 重金屬活性增強(qiáng), 土壤微生物活性下降, 易導(dǎo)致作物幼苗發(fā)僵或坐蔸。研究表明, 潛育化的水稻土每公頃產(chǎn)量比一般稻田低1500~2250 kg[2]。目前關(guān)于土壤潛育化過程的研究集中在水稻田、濕地以及南方丘陵地區(qū)[4–5], 對于高寒地區(qū)土壤潛育化的野外觀測以及潛育化過程的研究則很少。

高寒草甸土是青藏高原高寒地區(qū)的重要土壤類型之一。由于受地下水浸沒的影響, 使其形成半水成土, 同時存在潛育化現(xiàn)象[6]。對于不受地下水影響的高寒草甸土壤, 普遍認(rèn)為不存在潛育化。我們在2013年12月至2014年3月非生長季的野外觀測過程中發(fā)現(xiàn), 雖然高寒草甸非水成化土壤不受地下水影響, 但由于受土壤季節(jié)性凍融過程影響[7–8]以及土壤有機(jī)質(zhì)含量高的特點(diǎn), 高寒草甸土也發(fā)生潛育化。

本文選取青藏高原高寒草甸非水成化潛育化土壤作為研究對象, 利用土壤剖面法和微根管觀察法相結(jié)合的技術(shù)手段, 比較發(fā)生季節(jié)性潛育化土壤的剖面, 研究發(fā)生季節(jié)性潛育化的形成原因, 探討其對非生長季地下生態(tài)學(xué)過程的可能影響, 為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和地球化學(xué)循環(huán)研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

本實(shí)驗(yàn)完成于中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究站(海北站)。海北站位于青藏高原東北部的祁連山谷地(101°12′E, 37°30′N, 海拔 3200 m), 該區(qū)域?qū)儆诘湫偷母咴箨懶詺夂? 夏季受東南季風(fēng)氣候影響, 冬季受西伯利亞寒流影響。年平均溫度為–2 °C, 年平均降水量為 500 mm, 超過 80% 的降水分配到生長季[9]。土壤為草氈寒凍雛形土(即高寒草甸土)[10], 有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分豐富。在0~10 cm和 10~20 cm土層, 土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為63和36 g/kg, 容重分別為 0.82 和 0.98 g/cm3, 土壤pH值分別為 7.86 和 7.96。該地區(qū)為典型的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng), 植被類型主要為青藏高原典型的地帶性植被——以金露梅為建群種的高寒灌叢草甸和以嵩草屬植物為建群種的高寒嵩草草甸, 主要物種有,,,,,和[11–12]。樣地的具體信息參見文獻(xiàn)[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤剖面觀察及理化性質(zhì)測定

每個時期隨機(jī)挖取海北站綜合觀測場土壤剖面(長 0.5 m, 寬 0.5 m, 深 1 m) 5 個。按照土層的形態(tài)特征, 自上而下劃分土壤各層分布, 觀察并記錄各層土壤顏色、潛育程度及結(jié)核分布情況(包括顏色、豐度、分布面積以及結(jié)核大小等), 取樣測定土壤pH和質(zhì)地。

2014 年 1 月采集腐殖質(zhì)層、潛育層和淋溶層的土壤樣品, 在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后, 研磨過10目和100 目篩。土壤 Ph 采用 pH 計(jì)法測定, 水土比為5:1; 土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化滴定法測定; 土壤 Eh 采用電極法測定; 陽離子交換量采用NH4Cl-NH4Oac 法測定; 土壤還原態(tài)活性鐵和錳含量采用 DTPA 溶液浸提–原子吸收光譜法測定; 土壤速效磷含量采用 Olsen-P 法測定; 土壤微生物生物量碳含量采用氯仿–熏蒸法測定(Kec=0.45)。以上土壤理化性質(zhì)的測定方法參照文獻(xiàn)[14]。

1.2.2 凍融層觀測

采用微根管法觀測凍融層的厚度。2012 年 10月在海北站綜合觀測區(qū)野外隨機(jī)安裝 5 根微根管, 管徑為 7 cm, 深度為 80 cm。2013 年 10 月至 2014年4月, 采用CI-600儀器(CID, Camas, Wash., 美國)每隔 1 個月掃描 1 次, 得到土壤剖面圖片。用Photoshop CS5軟件(Adobe Systems, Inc. 2010) 對觀測到的凍融層動態(tài)劃定凍融層上線、下線位置(靠近地面為凍融層上線, 遠(yuǎn)離地面為凍融層下線), 計(jì)算凍融層厚度。

1.3 統(tǒng)計(jì)與繪圖

土壤不同層間各理化指標(biāo)差異的分析統(tǒng)計(jì)采用單因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)多重比較分析方法。土壤凍融層與潛育層厚度關(guān)系分析采用一元線性回歸。所有數(shù)據(jù)處理采用SPSS軟件 (Version 20), 作圖采用Sigmaplot 10.0 軟件(Systat Software, Inc. 2005)。

2 結(jié)果與分析

2.1 潛育化土壤剖面形態(tài)特征

在 12 月下旬至 3 月上旬, 我們在海北站觀測場發(fā)現(xiàn)土壤存在潛育層(圖 1)。潛育化只發(fā)生在冬季, 呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性(圖 2)。

根據(jù)土壤剖面各層形態(tài)特征以及理化性質(zhì)進(jìn)行分層[15], 可大致分為 4 層: A, Ag, Br, C, 即腐殖質(zhì)層、潛育層(銹斑層)、礫冪淀積層和母質(zhì)層。

1) 腐殖質(zhì)層: 土體顏色偏黑, 腐殖化程度較差, 位于土壤剖面0~40 cm, 該層存在大量活根和死根殘?bào)w, 土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。

2) 潛育層: 即氧化還原淀積層, 土體顏色偏青灰, 位于土壤剖面 10~25 cm, 位于土壤腐殖質(zhì)層中間位置。該層具有灰藍(lán)色的鐵錳結(jié)核和膠膜層。

3) 礫冪淀積層: 土體偏黃, 位于土壤剖面40~70 cm。該層黏土顆粒多, 土壤有機(jī)質(zhì)含量低。

4) 母質(zhì)層: 有部分的白色母質(zhì)出現(xiàn), 位于土壤剖面約70 cm以下。

2.2 潛育層與凍融層的關(guān)系

高寒草甸地區(qū)由于非生長季氣溫低且土壤含水量高, 土壤0~40 cm 存在季節(jié)性凍土。微根管觀測結(jié)果表明(圖 3), 非生長季凍土層存在 150 天左右。2013 年 12 月 8 日, 開始觀測到土壤凍土層; 2014 年 4 月 28 日, 土壤凍土層完全消失。土壤凍土層的厚度在1月達(dá)到最厚, 為 42.7 cm。2013 年11 月至 2014 年 1 月, 土壤下層不斷凍結(jié), 凍土層厚度不斷增加。2014年2月至4月, 土壤表層和底層同時解凍。我們通過土壤剖面觀測到, 2014 年 1—2 月出現(xiàn)的潛育化程度最高, 潛育層厚度最大, 分別達(dá)到23.5和20.3 cm; 新生體結(jié)核分布面積大, 顏色呈青灰色偏藍(lán)(見圖 1 和2)。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明, 高寒草甸土壤凍土層與土壤潛育層出現(xiàn)在同一時期, 并且二者的厚度之間極顯著地正相關(guān) (2=0.97,0.05)(圖 4)。高寒草甸土壤凍融過程與潛育化之間存在密切的關(guān)系。

2.3 土壤分層理化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 高寒草甸土壤淺層具有較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量(表 1)。潛育層和腐殖質(zhì)層有機(jī)碳含量均顯著高于淋溶層, 腐殖質(zhì)層高達(dá)46.7 g/kg, 潛育層高達(dá)32.4 g/kg。潛育層土壤陽離子交換量、有效鐵和有效錳含量顯著增加, 分別高出腐殖質(zhì)層和淋溶層 16.8%~45.0%, 8.7%~24.6%, 20.22%~ 30.3%。潛育層土壤 pH 為 8.05, 比腐殖質(zhì)層高0.1。潛育層土壤 Eh 為 167 mV, 顯著低于腐殖質(zhì)層 69.5%。低于 200 mV, 說明土壤處于還原狀態(tài)。潛育層土壤有效磷含量高達(dá)2.49 mg/kg, 顯著高于腐殖質(zhì)層 12.9%。潛育層土壤微生物生物量碳為177.6 mg/kg, 顯著低于腐殖質(zhì)層43%。

表1 土壤剖面各層基本理化性質(zhì)(2014年1月)

注: 不同字母表示顯著性差異(<0.5)。

潛育化土壤有兩種分類方法。一種是根據(jù)潛育層發(fā)生環(huán)境的不同, 劃分為礦質(zhì)潛育土、潛育土、假潛育土與滯水潛育土等[1]。潛育土與礦質(zhì)潛育土主要受地下水影響發(fā)育而成, 假潛育土與滯水潛育土則主要受表層潛水層影響發(fā)育而成。按照高寒草甸土潛育的形成原因, 我們判斷其為假潛育土。另一種是根據(jù)土壤潛育化程度的強(qiáng)弱劃分為沼澤型潛育土、重潛育型潛育土、中輕度潛育型潛育土和潴育型潛育土 4 種類型[2]。按照高寒草甸土養(yǎng)分含量以及潛育程度因素, 我們判斷其屬于輕潛型潛育土。

3 討論

3.1 非水成化土發(fā)生季節(jié)性潛育化的成因

Von Brümmer等[16]通過總結(jié) 190 多篇文獻(xiàn), 認(rèn)為土壤潛育化發(fā)生的必須條件是具有充足的水分、豐富的有機(jī)質(zhì)以及兼性或嫌氣性微生物區(qū)系。青藏高原高寒草甸非水成土雖然不受地下水浸沒的影響, 但受季節(jié)性凍融影響。季節(jié)性凍結(jié)和融化過程使表層土浸沒在冰水中, 造成土壤與大氣無法進(jìn)行氣體交換, 不能形成良好的封閉層, 為潛育化的過程提供天然的還原條件[17–20]。潛育化發(fā)生的另一個重要成因是土壤有機(jī)質(zhì)含量足夠高。我們發(fā)現(xiàn)潛育層只發(fā)生在腐殖質(zhì)層, 即使凍融層出現(xiàn)在腐殖質(zhì)層與淋溶層的過渡位置, 但是由于 40 cm以下土層有機(jī)質(zhì)含量低, 土壤也不發(fā)生潛育化。

高寒草甸非水成化土壤與半水成化土壤發(fā)生潛育的成因、部位與程度明顯不同。長期受地下水影響的高寒草甸土, 潛育化發(fā)生在淋溶層, 終年出現(xiàn)銹色斑紋層或鐵錳結(jié)核等特征[6]。不受地下水影響的高寒草甸土潛育只發(fā)生在地表和冬季。并且在土壤的淋溶層, 由于富集鈣及三氧化物, 潛育化作用受到抑制[21], 因此, 高寒草甸非水成化土壤淋溶層不會形成潛育層。

3.2 非水成化土發(fā)生季節(jié)性潛育化的形成過程

青藏高原高寒草甸土壤潛育化過程分成3個階段: 潛育初期、中期和后期。在潛育初期, 土壤凍土層使土壤與大氣的氣體交換受阻, 導(dǎo)致土體內(nèi)的氧氣被好氧微生物消耗盡, 形成缺氧還原性厭氧環(huán)境; 在潛育中期, 土壤中豐富的有機(jī)質(zhì)在厭氧細(xì)菌的作用下產(chǎn)生大量還原性物質(zhì)[22], 使土壤中穩(wěn)定態(tài)的三價鐵離子和四價錳離子還原成活性態(tài)的二價鐵離子和二價錳。土壤中的氧化物與活性態(tài)鐵錳離子結(jié)合, 形成土壤新生體鐵錳結(jié)核和鐵錳氧化物, 使土體層呈現(xiàn)青色和青藍(lán)色; 在潛育后期, 土壤凍土層解凍, 結(jié)束厭氧封閉狀態(tài), 鐵錳結(jié)核重新被氧化, 潛育層逐漸消失。

3.3 季節(jié)性潛育化的生態(tài)學(xué)意義

大量農(nóng)田和濕地潛育化研究結(jié)果表明, 土壤潛育化影響多種生態(tài)過程[23–24], 比如抑制植物生 長[25]、改變微生物群落[26–27]等。在高寒草甸土潛育層土壤中, 有效鐵錳的含量顯著高于其他土層, 大量穩(wěn)定的 Fe3+和 Mn4+轉(zhuǎn)變成具有活性的 Fe2+和 Mn2+, 大大增加了形成鐵錳毒害的可能性。Laan等[28]和Batty等[29]研究表明, 鐵錳毒最直接傷害的部位是根分生區(qū)。鐵錳毒使根分生區(qū)表面形成鐵氧化物和錳氧化物, 進(jìn)而可能導(dǎo)致多年生根系在冬季大量死亡。

活性態(tài)鐵錳含量的增加降低了微生物生物量碳含量, 說明可能改變了微生物的群落結(jié)構(gòu)和功 能[30–31]。在厭氧環(huán)境下, 好氧性微生物活動受到抑制, 厭氧微生物的數(shù)量和活性增加, 可能會改變物質(zhì)循環(huán)(例如有機(jī)質(zhì)分解礦化等過程)[32–33]。同時, 土壤鐵錳濃度的增加能夠促進(jìn)土壤氧化物溶解度提高和有效磷的釋放。這種養(yǎng)分濃度升高現(xiàn)象可能會在早春期間為植物萌發(fā)、返青和生長提供更多的養(yǎng)分。

4 結(jié)論

青藏高原高寒草甸非水成化土壤潛育化只發(fā)生在非生長季腐殖質(zhì)層, 主要原因是季節(jié)性凍土層產(chǎn)生的厭氧環(huán)境以及腐殖質(zhì)層高含量土壤有機(jī)質(zhì)。潛育化顯著降低土壤微生物生物量碳, 提高了土壤pH 值、CEC、還原態(tài)鐵錳含量以及有效磷含量, 進(jìn)而可能影響微生物群落結(jié)構(gòu)、根系周轉(zhuǎn)以及土壤養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)學(xué)過程。因此, 研究青藏高原高寒草甸土壤潛育化具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

致謝 中國科學(xué)院西北高原生物研究所在野外研究期間給予支持, 中國科學(xué)院植物研究所對樣品采集與分析給予幫助, 北京大學(xué)朱彪研究員, 中國科學(xué)院西北高原生物研究所張振華、陳立同助理研究員以及北京大學(xué)宋維民博士、王永慧博士、楊新宇碩士在文章修改方面提出建議, 在此一并致謝。

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Soil Seasonal Gleization and Its Ecological Implications in the Alpine Meadow on the Tibetan Plateau

LINLi1, WANGQibing2,?, HE Jinsheng1,?

1. Key Laboratory for Earth Surface Processes of the Ministry of Education, Department of Ecology, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093; ? Corresponding authors, E-mail: qwang@ibcas.ac.cn (WANG Qibing), jshe@pku.edu.cn (HE Jinsheng)

In order to investigate soil seasonal gleization process in the alpine meadow on the Tibetan plateau, the soil gleization and its two main controls (high soil organic carbon content (SOC) content and anaerobic environment) were reported in the alpine grassland from Dec. 2013 to March 2014. The results show that the soil seasonal gleization occurres in the humus layer with blue-gray iron and manganese plaques.The soil seasonal gleization occures during the period of soil freezing and thawing, and a positive relationship between the thickness of gleization layer and frozen layer is observed.The process is pseudogley at mild level, with decreasing soil microbial biomass carbon, and increasing cation exchange capacity (CEC), active Fe2+, Mn2+and availble phosphuros. The reults suggest that soil gleization may subsequently affect microbial community, root mortality, greenhouse gas emmission and nutrient cycling. Although soil gleization appears in the non-growing season, its impacts on the soil ecological processes should not be ignored.

soil gleization; alpine grassland; soil freezing and thawing

10.13209/j.0479-8023.2016.107

S154

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB954003, 2014CB954004)資助

2015-05-24;

2015-06-09;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-11-05