不同结皮类型对植被混凝土基材团聚体及有机碳的影响.pdf

第4 3卷第3期2 0 2 3年6月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.3J u n.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 9 修回日期:2 0 2 2-1 1-0 2 资助项目:国家自然科学基金面上项目“干旱碱性环境下丛枝菌根对植被混凝土生态修复植物抗逆性的影响”(5 1 9 7 9 1 4 7);内蒙古自治区科技重大专项课题“改性湖泊底泥协同寒旱地区堆填场生态修复技术研究”(2 0 2 1 Z D 0 0 0 7-0 3)第一作者:闫书星(1 9 9 8),男(汉族),安徽省六安市人,硕士研究生,研究方向为边坡生态修护。E m a i l:2 2 8 6 7 4 8 4 4 6q q.c o m。通信作者:夏栋(1 9 8 5),男(汉族),湖北省黄冈市人,博士,副教授,主要从事生态修复与水土保持相关研究。E m a i l:x i a d o n g s a n x i a 1 6 3.c o m。不同结皮类型对植被混凝土基材团聚体及有机碳的影响闫书星1,2,夏 栋1,2,艾尚进1,2,马佳鑫1,3,刘 芳1,2,刘黎明1,4,林茂锋2(1.三峡大学 水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;2.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;3.三峡大学 生药与制药学院,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;4.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2)摘 要:目的分析土壤团聚体分布和有机碳含量特征,揭示生物结皮对边坡稳定和养分固持的影响,为生物结皮在修复工程中的运用提供参考和指导意见。方法以植被混凝土基材修复边坡为例,运用土壤干筛法、土壤湿筛法分别对结皮覆盖和无结皮覆盖坡面土壤的结皮层(02c m)和结皮下层(27c m)团聚体和有机碳特征进行研究。结果生物结皮的存在明显影响了土壤团聚体分布、机械稳定性及R0.2 5含量。结皮覆盖层较C K(无结皮覆盖坡面)稳定性指标分别增加2 7.4 2%3 3.5 1%(MWD),2 1.6 6%2 8.8 8%(GMD),大团聚体含量(R0.2 5)增加1 0.6 8%,且苔藓类结皮影响最为显著。湿筛法测定的不同结皮类型土壤团聚体均以0.2 5mm粒径为主,其中结皮覆盖边坡的团聚体水稳性参数MWD,GMD,R0.2 5分别介于1.9 35.3 3mm,0.8 53.1 6mm,7 0.9 7%8 7.5 0%,以苔藓覆盖边坡最大,Dd值介于2.4 82.7 4间,以苔藓类值最小。团聚体水稳定性表现为苔藓覆盖边坡最好,裸坡最差。结皮的存在促进了土壤有机碳累积,有机碳含量是C K组的两倍以上。其中对表层土壤有机碳水平提升作用明显,对下层土壤作用较低。土壤有机碳含量与土壤水稳性参数MWD,GMD,R0.2 5呈显著正相关性(p0.2 5mm.T h ew a t e rs t a b i l i t yp a r a m e t e r sMWD,GMD,a n dR0.2 5o ft h ec r u s t-c o v e r e ds l o p e sw e r eb e t w e e n1.9 3a n d5.3 3mm,0.8 5a n d3.1 6mm,a n d7 0.9 7%a n d8 7.5 0%,w i t hm o s s-c o v e r e ds l o p e sh a v i n gt h e l a r g e s tv a l u e s.T h eDdv a l u e sw e r eb e t w e e n2.4 8a n d2.7 4,w i t ht h es m a l l e s tv a l u e so b s e r v e df o rm o s s-c o v e r e ds l o p e s.T h ew a t e rs t a b i l i t yo f a g g r e g a t e sw a sb e s t f o rm o s s-c o v e r e ds l o p e sa n dw o r s t f o rb a r es l o p e s.T h ep r e s e n c eo fc r u s tp r o m o t e dt h ea c c u m u l a t i o no f o r g a n i c c a r b o n i n t h e s o i l,a n d t h eo r g a n i c c a r b o nc o n t e n tw a sm o r e t h a nt w i c e t h a to f t h eC Kt r e a t m e n t.T h ee f f e c to nt h eo r g a n i cc a r b o nl e v e l f o r t h es u r f a c es o i lw a so b v i o u s,a n dt h ee f f e c t f o r t h e s u b s u r f a c e s o i l l a y e rw a s l o w.T h e r ew a s a s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e ns o i l o r g a n i cc a r b o nc o n t e n t a n ds o i lw a t e rs t a b i l i t yp a r a m e t e r sMWD,GMD,a n dR0.2 5(p0.2 5(3)Dd=3-l g(Wi/W0)l g(di/dm a x)di+1(4)式中:Wi为第i粒级土壤团聚体所占百分比;xi为第i粒级土壤团聚体平均直径(mm);Wi为直径小于di的累积质量(g);W0为土壤各粒径的总质量(g);di为相邻径级di与di+1间土粒平均直径(mm);dm a x为最大粒级土粒平均直径(mm);Mi0.2 5为0.2 5mm的团聚体质量。使用M i c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9软件对测定的原始数据初步整理和统计,并用S P S S2 6.0进行单因素方差分析(o n e-w a yANOVA)和P e a r s o n相关性分析,最后使用O r i g i n2 0 2 1绘制成图表。2 结果与分析2.1 不同结皮类型的基材团聚体分布和有机碳特征由图1可知,干筛后各结皮类型及土层团聚体含量均随着粒径的减小,呈先减后增的“V”字型变化趋势。干筛后结皮覆盖坡面5mm粒径团聚体分布均大于C K,苔藓类、混生类和藻类分别是C K的2.0 5,2.0 8,1.7 8倍(表层土壤)及2.9 7,2.7 2,2.8 5倍(下层土壤),5,52,0.2 5mm,3个粒径团聚体分布差异性显著(p5mm粒径团聚体分布以混生结皮表层较多为6 8.6 3%,52 mm粒径团聚体分布以 混 生 结 皮 层 及 下 层 最 少 分 别 为1 4.2 7%和1 8.2 1%,5mm和 0.2 5mm粒径团聚体分布间差异性显著(p0.0 5)。其余粒径52,21,10.5mm以及0.50.2 5mm粒径团聚体中结皮层和下层差异性不显著。注:不同小写字母表示同一土壤层在不同结皮类型间差异显著p0.0 5;不同大写字母表示同一结皮 类型在不同土 层间差异显著p5mm粒径团聚体分布明显减少,而52,21,10.5,0.50.2 5,5mm粒径为主且大于C K,苔藓类、混生类和藻类分别是C K的4.5 1,2.9 9,2.5 2倍(表层土壤)及2 5.5 0,2 1.5 6,8.5 4倍(下层土壤),5,1 0.5,0.5 0.2 5,0.2 5mm,4个粒径团聚体分布差异性显著(p5mm粒径团聚体分布苔藓结皮下层较多为6 4.1 0%,0.50.2 5mm和10.5mm粒径团聚体分布以苔藓结皮表层 及 下 层 最 少 分 别 为3.6 3%,3.4 3%和5.1 4%,4.1 6%,0.2 5mm粒径团聚体苔藓结皮表层及下层分布最少分别为1 5.9 1%和1 2.4 0%。不同结皮类型及土层间21,10.5,0.50.2 5mm团聚体无显著性差异外,其余均表现出显著性差异(p0.0 5)。图2 不同结皮类型及下层土壤水稳定性团聚体粒径分布F i g.2 P a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no fa g g r e g a t e sw i t hd i f f e r e n tc r u s t t y p e sa n d l o w e r s o i lw a t e r s t a b i l i t y由表2可知,结皮层土壤有机碳含量均略大于下层土壤,变化范围为(6.9 11 5.9 6g/k g)。苔藓结皮层有机碳含量最高,混生结皮表层次之,藻类结皮下层有 机 碳 含 量 最 小,结 皮 表 层 较 下 层 分 别 增 加3 8.3%,7.6%,2 5.6%,且结皮覆盖坡面有机碳含量是C K组的12倍。同一结皮类型的土壤上下层间有机碳含量不具有显著性差异(p0.0 5),不同结皮类型间土壤有机碳含量具有显著性差异(p混生藻类C K,且表层土壤的MWD和GMD值大于下层土壤。不同结皮类型及结皮层与下层MWD,GMD值差异性显著(p0.0 5)。由图3可知,结皮覆盖坡面R0.2 5值大于C K,结皮层值大于下层,且苔藓结皮层值最大。同一土层中不同结皮类型的机械稳定性团聚体R0.2 5值差异性显著(p0.0 5)。结皮覆盖坡面Dd值较C K分别降低1 3.1 5%,6.1 7%,1 4.0 5(表层土壤)及1 3.7 9%,4.6 5%,1 3.6 6%(下层土壤),表层土壤Dd714第3期 闫书星等:不同结皮类型对植被混凝土基材团聚体及有机碳的影响值小于下层土壤,其中藻类结皮表层值最小,不同结皮类型覆盖土层间差异性显著(p混生藻类C K,且结皮覆盖的下层土壤MWD和GMD值大于表层土壤。不同结皮类型及结皮层与下层之的MWD,GMD值具有差异性显著(p0.0 5)。结皮覆盖坡面R0.2 5值大于C K,结皮下层值大于表层,且苔藓结皮上下层的值较大。不同结皮类型及分层间水稳定性团聚体R0.2 5值差异性显著(p5mm水稳性团聚体含量与土壤水稳性参数MWD,GMD间具有极显著相关性(p0.0 1),与R0.2 5,土壤总有机碳含量具有显著相关性(p0.0 5),与Dd具有负显著相关性(p0.0 5)。团聚体水稳性参数MWD,GMD,R0.2 5和Dd,微团聚体含量(0.2 5mm粒级)显著负相关性(p 0.0 5)。总有机碳含量与52,21,0.2 5mm团聚体和Dd负相关性,与土壤水稳性参数MWD,GMD,R0.2 5显著正相关性(p0.0 5),说明土壤稳定性与有机碳含量间是联系密切且相互影响,有机碳累积水平越高,胶结作用越强,MWD,GMD值越大,土壤结构越稳定,这和已有研究结果一致。图4 土壤水稳定性团聚体稳定性指标Dd,MWD,GMD和R0.2 5F i g.4 S o i lw a t e r s t a b i l i t ya g g r e g a t e s t a b i l i t y i n d e xMWD,GMD,R0.2 5a n dDd注:*代表显著性相关(p0.0 5);*代表极显著相关(p5mm粒径团聚体分布远胜于裸坡,结皮层优于结皮下层,其中混生结皮表层分布更多。其原 因 可 能 与 有 机 碳 水 平 和 结 皮 类 型 相 关:814 水土保持通报 第4 3卷有机碳是团聚体形成的主要物质基础2 3,结皮覆盖下大大提高了枯枝落叶的分解速率,累积了大量有机碳,其提供的胶结物质促进微团聚体向大团聚体转化,但随着土层的加深,胶结物质被一些物质吸附,团聚体胶结剂减少,影响着大团聚体的形成与稳定2 4;不同结皮类型协同作用,藻类为锋物种,在生物结皮发育初期能够向体外分泌以多糖为主的物质,促进生物结皮形成2 5,而藓类结皮会产生多糖物质与土壤颗粒结合,增加土壤稳定性2 6,协同作用增加了土壤胶结物质,增加土壤稳定性。然而经湿筛后大团聚体容易破碎消散为微团聚体,造成土壤结构的破坏,其中结皮覆盖层表现最为明显。原因在于湿筛过程中大量溶解性有机碳、颗粒有机碳发生转移,有机碳水平降低2 7,胶结作用减弱,大团聚体破碎成微团聚体。此外,结皮和植物根系也是影响团聚体分布的可能因素之一。一方面生物结皮生成的大量假根生与分泌物,使得土颗粒紧密胶结在一起形成较稳定的大团聚体,但受假根的脆弱性和长度限制,未形成较强的抗水蚀能力,使得大团聚体遇水后分散、崩解成大量微小团聚体。另一方面生物结皮的生长发育过程中,通过菌丝体、藻丝、假根等黏结和捆绑土壤颗粒,使得土壤中孔隙增大2 8,促进土壤表层聚集的有机碳、养分随水流进入到土壤深层,促使植物根系向深层穿插,捆绑土颗粒和根系分泌物胶结作用,使得结皮下层土壤湿筛后不容易崩解。3.2 不同结皮类型对植被混凝土基材团聚体稳定性的影响本研究中4个评价指标均表明团聚体机械稳定性随边坡土层加深略有降低,而随着结皮向更高一级演替团聚体机械稳定性有增加趋势。其原因可能是结皮良好的保温和保水性,使土壤表层存在着大量的微生物菌丝体、藻类和地衣、苔藓的假根,通过有机质、养分淋溶和分泌物多聚糖、黏液质鞘的作用,使下层土壤条件得到改善2 9。但是,受有机碳含量和假根长度限制,随着深度的增加有机碳水平降低,假根数量锐减,其影响程度也会随着土层深度的增加而明显下降。另一方面可能是随着生物结皮的演替,地表生物量和种类增加,改变了土壤结构,影响着土壤稳定性。而水稳定性团聚体指标表现与机械稳定略有不同,4个评价指标均表明结皮下层团聚体水稳定性略胜于结皮层,其原因可能有:土壤入水后一部分有机碳发生迁移,胶结物质随之降低,从而影响土壤团聚体稳定性;结皮下层土壤的作用多源于草、灌植物,其大量根系既有利于结皮层养分的淋溶,死亡根系又能分解也会逐步改善下层土壤的性状2 9。3.3 不同结皮类型对植被混凝土基材有机碳的影响土壤有机碳是土壤物质的基础,是土壤肥力的主要标志,改善土壤结构,保持土壤水分,改变土壤的渗透性、腐蚀性和养分循环等特性3 0。本研究表明,3类结皮均能增加有机碳的累积量,且主要集中于表层,其中苔藓结皮累积量最大。造成土层间有机碳含量的差异,原因可能是:结皮假根限 制,仅限于2c m以上土层,对下层土壤影响有限;生物结皮良好的保水性,增加了表层土壤微生物活性,增加了土壤有机碳和土壤养分的积累3 1,但是高陡边坡中坡面水流绝大部分以径流形式流出,水分淋溶作用有限,减弱了对有机碳和养分的输送作用。而苔藓结皮有较高的有机碳积累,其原因可能是:从裸坡藻类混生苔藓结皮演替过程中,结皮在坡面的粗糙度和覆盖面积有增加趋势,对大气尘土富集作用逐渐增强,使土壤有机碳和养分含量增加;有研究表明藓结皮的固碳能力高于藻结皮3 2,藓结皮明显提高7种土壤酶活性,可能对于藓结皮提升土壤肥力具有重要的积极作用。以及生物结皮的演替,群落结构及多样性的变化促进结皮改善土壤理化性质,提高土壤酶活性3 3,促进土壤酶的分解作用,提高土壤有机碳累积。因此,微生物及土壤酶对有机碳的累积作用是一个值得进一步探讨的问题。4 结 论(1)生物结皮的存在明显影响了植被混凝土基材土壤团聚体分布、机械稳定性及R0.2 5含量。结皮覆盖层较C K(无结皮覆盖坡面)机械稳定性指标分别增加2 7.4 2%3 3.5 1%(MWD),2 1.6 6%2 8.8 8%(GMD),大团聚体含量(R0.2 5)增加1 0.6 8%,且苔藓类结皮影响最为显著。(2)湿筛法测定的不同结皮类型土壤团聚体均以0.2 5mm粒径为主,以苔藓覆盖边坡最大,Dd值介于2.4 82.7 4间以苔藓类值最小。团聚体水稳定性表现为苔藓覆盖边坡最好,裸坡最差。(3)结皮的存在对有机碳累积具有明显的促进作用,其累积量是C K组的两倍以上。其中对土壤表层有机碳含量的提升作用明显,对下层土壤有机碳累积作用较低,苔藓类结皮固碳效果最优。(4)土壤有机碳含量与土壤水稳性参数MWD,GMD,R0.2 5显著正相关性(p0.0 5),土壤总有机碳水平和团聚体稳定性联系密切,相互影响。即土壤有机碳水平的提高对于增加土壤团聚体稳定性具有重要作用。914第3期 闫书星等:不同结皮类型对植被混凝土基材团聚体及有机碳的影响 参考文献1 S u nF u h a i.T o w a r d sm o s sb i o c r u s t e f f e c t so ns u r f a c e s o i lw a t e rh o l d i n gc a p a c i t y:S o i lw a t e r r e t e n t i o nc u r v ea n a l y-s i sa n dm o d e l i n gJ.G e o d e r m a,2 0 2 1,3 9 9:1 1 5 1 2 0.2 R o d r g u e z-C a b a l l e r oE.E c o s y s t e ms e r v i c e sp r o v i d e db yb i o c r u s t s:F r o m e c o s y s t e m f u n c t i o n st os o c i a lv a l u e sJ.J o u r n a l o fA r i dE n v i r o n m e n t s,2 0 1 8,1 5 9:4 5-5 3.3 张丙昌,武志芳,李彬.黄土高原生物土壤结皮研究进展与展望J.土壤学报,2 0 2 1,5 8(5):1 1 2 3-1 1 3 1.4 Z h a oY a n g.T h es e a s o n a la n ds u c c e s s i o n a lv a r i a t i o n so fc a r b o nr e l e a s e f r o mb i o l o g i c a l s o i l c r u s t-c o v e r e ds o 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