雅鲁藏布江下游隧道工程对土壤有机碳稳定性的影响_赵润英.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0089赵润英，李凛，唐晓鹿，陈果，李景吉，曹龙熹，王国严，石松林，罗建，裴向军.雅鲁藏布江下游隧道工程对土壤有机碳稳定性的影响.草业科学,2023,40(1):15-24.ZHAORY,LIL,TANGXL,CHENG,LIJJ,CAOLX,WANGGY,SHISL,LUOJ,PEIXJ.EffectsoftheconstructionofthelowerYarlungTsangpoRivertunnelprojectonthestabilityofsoilorganiccarbon.PrataculturalScience,2023,40(1):15-24.雅鲁藏布江下游隧道工程对土壤有机碳稳定性的影响赵润英，李凛，唐晓鹿，陈果，李景吉，曹龙熹，王国严，石松林，罗建，裴向军（成都理工大学生态环境学院,四川成都610059）摘要：隧道在高原山岭等地区道路建设中被广泛采用，但其对土壤有机碳稳定性的影响研究较少。土壤有机碳稳定性是评价土壤生态系统对外界环境变化响应的重要指标。为阐明土壤有机碳(SOC)对隧道工程建设的抗干扰能力，本研究以雅鲁藏布江下游隧道建设为依托，设置工程影响区(ED)和非影响区(CK)监测样地，从土壤活性有机碳(LOC)、团聚体和土壤酶活性等角度探究隧道建设对 SOC 稳定性的影响。结果表明，工程影响区 SOC、LOC 含量分别为 291.40 和 110.28mgkg1，CK 区域中分别为 255.31 和 91.19mgkg1，两个区域差异不显著(P0.05)。ED 和 CK中，土壤粒径0.25mm 的团聚体占比均超过 80%，随着团聚体粒径减小，ED 的 SOC 含量呈现降低趋势，但 ED 与CK 差异不显著。本研究表明，隧道建设未改变植被凋落物量，对 SOC 的输入与输出未产生显著影响。ED 与 CK 区土壤酶、微生物生物量碳及土壤团聚体组成无显著差异，表明隧道工程建设对 SOC 稳定性的微生物学调控机制及土壤团聚体物理保护机制无显著影响，对 SOC 稳定性无显著影响。综上，雅鲁藏布江下游隧道工程建设对土壤有机碳稳定性未产生显著影响，本研究为隧道建设对环境的影响评价提供了参考依据，也为雅鲁藏布江下游地区生态环境保护提供数据和理论依据。关键词：雅鲁藏布江下游；隧道工程；土壤有机碳；有机碳稳定性；活性有机碳；土壤微生物生物量碳；土壤酶；土壤团聚体文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)01-0015-10Effects of the construction of the lower Yarlung Tsangpo River tunnelproject on the stability of soil organic carbonZHAORunying,LILin,TANGXiaolu,CHENGuo,LIJingji,CAOLongxi,WANGGuoyan,SHISonglin,LUOJian,PEIXiangjun(CollegeEcologicalandEnvironment,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,Sichuan,China)Abstract:Tunnelshavebeenwidelyconstructedinplateaumountains.However,theeffectsoftunnelconstructiononsoilorganiccarbonstabilityhavenotbeenextensivelystudied.Soilorganiccarbonstabilityisanimportantindicatortoevaluatetheresponseofsoilecosystemstoenvironmentalchanges.Todetecttheresistanceofsoilorganiccarbon(SOC)totunnelconstructioninthelowerYarlungTsangpoRivertunnel,wecomparedtheresponseofSOCstabilitytotunnelconstructionin收稿日期：2022-02-16接受日期：2022-04-29基金项目：成都理工大学珠峰科学研究计划(80000-2021ZF11410)；雅鲁藏布江下游水电站截弯引水发电工程区生态地质环境评价与生态修复技术研究(80303-AHH110)第一作者：赵润英(1994-)，女(白族)，云南洱源人，初级工程师，在读硕士生，研究方向为生态修复。E-mail:通信作者：裴向军(1970-)，男(蒙古族)，内蒙赤峰人，教授，博士，研究方向为地质灾害、岩石力学、工程边坡稳定性评价及工程治理。E-mail:第40卷第1期草业科学15-24Vol.40,No.1PRATACULTURALSCIENCE1/2023http:/theengineeringimpact(ED)andundisturbed(CK)areasbycombininglabileorganiccarbon(LOC),soilagglomerates,andsoilenzymes.TheresultsshowednosignificantdifferencesamongCK255.31and91.19mgkg1andED291.40and110.28mgkg1intermsofSOCandLOCcontents(P0.05),respectively.Theproportionof0.25mmaggregatesinallsoilfractionswasover80%.Withthedecreaseofaggregatesize,thecontentoforganiccarboninaggregateshowedadecreasingtrend,but no significant difference between the ED and CK areas was observed.This study showed that the tunnelconstruction did not change litterfall,indicating that tunnel construction did not affect the input and output of SOC.Moreover,therewerenosignificantdifferencesinsoilenzymes,microbialbiomasscarbon,andsoilagglomeratecompositionbetweenEDandCK,indicatingthatthetunnelconstructionhadnosignificanteffectonthemicrobiologicalregulationmechanismofSOCstabilityandthephysicalprotectionmechanismofsoilagglomerates.Inconclusion,ourstudyindicatedthatthetunnelconstructioninthelowerYarlungTsangpoRiverdidnothaveasignificanteffectonthestabilityofsoilorganiccarbon.ThesefindingscanaidinevaluatingtheimpactoftunnelconstructionontheenvironmentandprovidinganimportantbasisforecologicalprotectioninthelowerYarlungTsangpoRiver.Keywords:lowerreachesofYarlungZangboRiver;tunnelengineering;soilorganiccarbon;soilorganiccarbonstability;reactiveorganiccarbon;soilmicrobialbiomasscarbon;soilenzymeactivities;soilaggregateCorresponding author:PEIXiangJunE-mail:隧道工程是道路建设中控制性工程，具有克服地形高差大、优化线型和缩短距离等优势1，在山岭等艰险地区的道路建设中被广泛采用。隧道建设促进经济发展的同时，也可能会打破原有生态平衡，引起地面塌陷、土壤质量下降、植被退化等，降低区域环境承载力2。因此，阐明隧道工程建设对生态环境的影响及其机制，为实现“工程生态环境”协调发展提供了重要支撑。近年来，隧道建设规模逐年增加，对生态环境的影响引起了众多学者的关注，但研究多集中水文地质以及隧道疏排水诱发地质灾害、植被利用水等方面3-5，而鲜有雅鲁藏布江下游(简称雅江下游)地区工程建设对生态环境影响的研究6，尤其是针对工程建设对土壤有机碳稳定性的影响研究。土壤有机碳(soilorganiccarbon,SOC)稳定性对 SOC 的积累和分解7、土壤生态系统的功能都有重要影响8。SOC 对外界环境变化反应相对较慢，活性有机碳(labileorganiccarbon,LOC)是碳循环的动力9。由于其性质不稳定，对外界变化反映速度快，因此，被认为是 SOC变化的敏感指标10，也是评价 SOC 稳定性的重要指标11。众多研究用易氧化有机碳(easilyoxidizablecarbon,EOC)、微生物生物量碳(microbialbiomasscarbon,MBC)、可溶 性 有 机 碳(dissolved organic carbon,DOC)表 征LOC12-14。土壤酶主要源于土壤微生物以及活体动植物分泌物，酶活性对微生物活性具有重要指示意义15。其中碳转化酶与 SOC 的转化存在密切关系16，碳转化酶的变化对准确评估碳组分的变化具有重要指示作用。雅江下游位于青藏高原藏东南地区，青藏高原是全球生态安全屏障，有“江河源”“生态源”之称17，其生态脆弱，一旦受到外界影响，极难恢复6。然而，雅江下游水资源丰富，在“十三五”“十四五”规划的实施下，青藏高原亦是我国重大工程的密集区，如川藏铁路建设、水电开发的重点18，其生态环境可能受到影响19。因此，本研究以雅江下游隧道工程建设为依托，以隧道建设影响区为对象，以非影响区为对照，从土壤活性有机碳组分、团聚体、土壤酶活性角度，阐明隧道工程建设对土壤有机碳稳定性和生态环境的影响，将为隧道建设对环境的影响评价提供参考依据，也为雅江下游生态环境保护提供了理论与数据支撑，对实现人与自然和谐共处具有重要意义。1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区(图 1)位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江下游墨脱县境内(2935N，9517E)，属于东喜马拉雅构造结东缘，造山带挤压造山作用强烈，地形主要为 10003500m的中山20。研究区属亚热带湿润气候，年均温为 16，无霜期 340d 以上，日照时数达 2000h。年降水量 20003000mm21。16草业科学第40卷http:/研究区域内岩层普遍发生强变质，基性和超基性岩构造侵位，大块、超大快岩石遍布，物理风化作用不强22。研究区水热条件好，因而土壤具有明显的腐殖质积累过程，淋溶作用强烈23，土层较薄。样地内主要植被包括大叶桂(Cinnamomum iners)、稠李(Padus avium)、棒果森林榕(Ficus neriifolia)、润楠(Machilus nees)、中平树(Macaranga denticulata)、柃木(Eurya japonica)、檧木(Aralia elata)等(表 1)。表 1 影响区和非影响区中植被基本情况Table 1 Basic situation of vegetation in disturbed and undisturbed areas处理Treatment平均海拔Averageelevation/mpH植被密度Vegetationdensity/(plantm2)平均胸径MeanDBH/cm凋落物量Litterbiomass/(gm2)ED169332a5.40.9a0.290.08a22.0313.74a440.5340.31aCK174612a5.10.3a0.280.02a19.7512.12a322.76178.51aED为影响区，CK为非影响区；不同小写字母表示影响区与非影响区的指标差异显著(P2mm)、中团聚体(0.252mm)、微团聚体(0.0530.25mm)、粉+黏团聚体(0.05)(图 3)。ED 中 EOC为 108.48gkg1，DOC 为 0.22gkg1，含量略高于 CK区域的 88.26 和 0.20gkg1，差异均不显著；MBC含量在 ED 区域中低于 CK1.15gkg1，分别为 1.58和2.73gkg1，差异不显著；在ED 和CK 区域中，EOC、MBC、DOC 表征的活性有机碳(LOC)在 SOC 中的占比分别为 37.85%和 35.72%。2.2 隧道工程建设对土壤团聚体及其有机碳含量的影响在大团聚体(2mm)中，ED 和 CK 占比分别为 45.58%和 31.89%，ED 中大团聚体略高于 CK 区域，但差异不显著(P0.05)(图 4)；中团聚体(0.252mm)在 ED 中略低于 CK 区域，ED 和 CK 中团聚体含量分别为 45.37%和 56.03%，差异不显著；微团聚体(0.0530.25mm)在 ED 中为 5.84%，CK 中为8.11%，差异均不显著；ED 和 CK 中粉+黏团聚体(0.05)。微团聚体粒径(0.0530.25mm)中，ED 和 CK 的 SOC 含量分别为 19.36 和 22.66gg1，无显著差异。粉+黏团聚体组分(0.05)，不同小写字母表示差异显著(P0.05)；下图同。Samelowercaselettersindicatenosignificantdifferencebetweentreatmentsatthe0.05level;Differentlowercaselettersindicatesignificantdiffrencebetweentreatmentsatthe0.05levels;thisisapplicableforthefollowingfiguresaswell.18草业科学第40卷http:/mgg1，ED 中蔗糖酶活性比 CK 区域高 11.18mgg1(图 6)，具有显著差异(P0.05)；ED 和 CK 的多酚氧化酶活性分别为 220.49和 157gg1，ED 区域比 CK 中增加 63.49gg1，无显著差异；ED 和 CK 中-葡萄糖苷酶活性分别为1.14 和1.89mgg1，ED 中比CK 区域下降0.75mgg1，无显著差异。3 讨论 3.1 隧道工程建设对土壤有机碳的影响本研究中隧道工程建设对 SOC 无显著影响，这与彭学义2的研究发现隧道建设降低了 SOC 含量的结果不同，可能是两个研究区的隧道工程区地质条件、降水、植被类型、土地利用类型等不同导致研究结果不一致。植被生产量(数量、质量)的输入和分解速率通常对 SOC 的积累存在重要影响，植被生产量的输入受植被类型、群落生物量、温度、降水等因子调控29，降解受微生物生命活动的影响30。本研究中 SOC 含量无显著差异，可能是由于 ED、CK中林分密度和凋落物量相似(表 1)，保证了 SOC 的主要输入来源。隧道建设未降低土壤酶活性，表明微生物活性未受到抑制，对 SOC 的分解未产生显著影响，原因可能是隧道建设对植物生长无显著影响，而植物根际多样性对微生物、相关酶活性以及土壤养分的调控作用未被改变31。研究结果显示，蔗糖酶活性在 ED 中显著高于 CK 区域，其原因可能是 ED 区域中 SOC 含量更高有关，有研究表明在SOC 多的处理中，蔗糖酶活性高于 SOC 少的处0102030405060EDCK各粒级团聚体所占百分比Percentage of aggregates in eachgrade/%020406080EDCK0.02.55.07.510.0EDCK0.02.55.07.5aaaaaaaaEDCK(2 mm)处理 Treatment(0.252 mm)(0.0530.25 mm)(0.053 mm)图 4 不同区域中各粒级团聚体所占百分比Figure 4 Percentage of aggregates in different regions504030201004030201003020100aaaaaaEDCKEDCKEDCK不同粒级团聚体有机碳含量Carbon content of aggregates ofdifferent grades/(gkg1)(0.252 mm)(0.0530.25 mm)(0.053 mm)处理 Treatment图 5 不同区域中土壤团聚体粒级中有机碳含量Figure 5 Organic carbon content in soil aggregate components in different grades第1期赵润英等：雅鲁藏布江下游隧道工程对土壤有机碳稳定性的影响19http:/理32；也可能是隧道工程建设造成的“环境胁迫”效应，微生物底物对碳源的代谢酶系表达，被选择性的激发33。3.2 隧道工程建设对土壤活性有机碳的影响活性有机碳(LOC)性质活跃，易被微生物利用，易被外界环境影响34，在 SOC 中的占比可在一定程度上表征 SOC 稳定程度，EOC 是微生物以及土壤酶分解后能被微生物快速利用的有机化合物，表征 SOC 的稳定性26。MBC 性质活跃，可反映微生物活性，是存在于微生物体内的有机碳组分35。DOC 的形成主要是在微生物分解过程以及腐殖质的淋溶作用中36。研究区中 EOC、DOC、MBC 含量在 ED 和 CK 中差异均不显著，主要是由于研究区气温高降水量大，有利于植被和微生物生长代谢，因而微生物对 LOC 组分的分解利用以及植被生长未被影响。土壤酶活性与碳循环紧密相关，有研究表明-葡萄糖苷酶能够将纤维素转化为 LOC37，李增强等38研究得出提升-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性能增加 DOC、MBC 的含量，-葡萄糖苷酶和酚氧化酶是 LOC 形成的关键39。研究区中隧道建设未对-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性产生显著影响，这也可能是 LOC 组分无显著变化的原因之一。在不同区域中，EOC、LOC 组分在 SOC 中的占比无显著变化，表明隧道建设对 SOC 的稳定性无显著影响。3.3 隧道工程建设对土壤有机碳稳定性的影响机制SOC 稳定机制中包括团聚体形成与氧化物、微生物以及土壤酶的“隔离”29，从而降低 SOC 的矿化速率，被认为是土壤碳固定和稳定的主要机制40。ED、CK 中团聚体组成及其 SOC 含量差异不显著，表明隧道建设未破坏土壤结构及其对 SOC 的保护作用。主要原因可能是团聚体的稳定性和组成分布受成土母质的影响41，研究区大块岩石遍布，物理风化作用不强22，土壤结构不易被外力破坏。也可能是由于研究区植被丰富，植被凋落物的覆盖有效缓解了雨水侵蚀对大团聚体的破坏42。团聚体的形成依赖于有机质的胶结作用43，研究区中 SOC 含量无显著变化，也是团聚体组成无显著变化的原因。微生物分解对 SOC 的稳定性具有重要影响26，研究区中微生物活性无显著变化，故对 SOC 的分解活动无显著变化。SOC 含量、组分、稳定的主要机制以及微生物活性均无显著变化，因此，隧道建设对SOC 的稳定性无显著影响。隧道工程建设对生态环境的影响主要是由隧道疏排水导致水资源分配不均限制植被生长和土壤物质循环等引起的44。当地下水补给能满足生态系统的需求时，隧道疏排水可能不会对生态环境产生显著影响，这也可能是本研究与前人研究结果不一致的主要原因之一。研究区墨脱县年降水量超过2093mm45，且中雨可达 268d46，土壤含水率和田间持水率较高，可为植被生长提高充足的水分。因此，隧道工程的地下水疏排可能对植被生长不会产生显著影响，不会影响土壤碳输入与输出，从而对SOC 稳定性的影响不显著。另一方面，也可能是隧道工程施工时间较短，目前未对 SOC 稳定性产生显0.00.51.01.52.02.5EDCK多酚氧化酶Polyphenol oxidase/ug(g2 h)1050100150200250过氧化氢酶Catalase/mL(g20 min)1010203040蔗糖酶Sucrase/mg(gh)10.00.51.01.52.02.5-葡萄糖苷酶-Glucosidase/mg(gh)1aaaaabaaEDCKEDCKEDCK处理 Treatment图 6 不同区域中土壤酶活性分布Figure 6 Distribution of soil enzyme activity in different regions20草业科学第40卷http:/著的影响。隧道工程建设对生态环境影响的研究与传统的生态学研究中样地设置略有不同，由于隧道工程影响区有一定的范围而限制了样地的布设位置。本研究规划在隧道顶部和两侧共设置 3 个固定监测样地，但由于隧道顶部无植被分布，因此，仅在隧道两侧设置监测样地。因样地重复偏少，可能会对数据结果带来一定的不确定性。本研究是一重要的探索性工作，可为将来类似研究提供样地设置方面的参考。同时，建议更新或改进研究样地布设方法，以满足“工程建设”对生态环境影响研究的需要。4 结论本研究以雅鲁藏布江下游隧道工程建设为依托，通过设置固定监测样地，研究隧道工程建设对SOC 稳定性的影响。研究结果表明，隧道工程建设对 SOC 含量、组分及稳定性、土壤团聚体及酶活性未产生显著影响，且隧道建设对土壤酶活性、MBC 以及土壤团聚体组成也无显著影响，综上，表明雅鲁藏布江下游隧道建设对土壤有机碳稳定性未产生显著影响，研究结果可为隧道建设对环境的影响评价提供参考依据，也为雅鲁藏布江下游地区生态环境保护提供数据和理论依据。参考文献 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