农田开垦和盐碱胁迫对松嫩平原西部沼泽湿地土壤种子库的影响

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jun13632594162
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近百年来,湿地排水、农业集约化等人类活动造成中国内陆沼泽湿地急剧减少。在气候变化和人类活动影响下,土壤盐碱化成为改变内陆沼泽湿地植物生理生态特征、物种分布、群落结构及生态功能的关键因素之一。松嫩平原是我国内陆沼泽和苏打盐碱地的集中分布区,对维持区域生态系统多样性等具有不可或缺的作用,但同时天然沼泽湿地面临因土壤盐碱化和农田开垦等引发的植被退化问题。土壤种子库作为植物群落物种补充和更新的储备库,对恢复退化或受损湿地植被、维持区域植物多样性和生态平衡等起到重要作用。在湿地保护和恢复备受关注的背景下,利用土壤种子库恢复农业活动干扰下的湿地植被的技术得到广泛应用。为了更好地了解松嫩平原西部沼泽湿地植被变化,并在此基础上评估退化湿地的植被恢复潜力,本论文通过野外土壤采集和植被调查、温室萌发和控制实验等方法,选取松嫩平原西部典型淡水沼泽化草甸湿地、苏打盐碱沼泽湿地及其开垦农田为研究对象,研究了天然沼泽湿地土壤种子库空间分布特征,农田开垦及农业活动造成的土壤盐碱胁迫对土壤种子库的影响,探讨了土壤种子库在沼泽湿地植被变化中的作用及恢复退化湿地植被的潜力,为沼泽湿地保护和恢复提供了参考依据。主要的结论如下:(1)松嫩平原西部天然沼泽湿地土壤环境因素在土壤非盐碱化逐渐转变为重度盐碱化的梯度上存在显著变化。由嫩江向莫莫格国家自然保护区深入方向,土壤含盐量由0.39 g/kg增加到6.40 g/kg,土壤碱化度由0.72%增加到49.3%,土壤p H由5.72增加到10.1,三者含量均显著增加(p<0.05),土壤含水率、有机质、全氮、铵态氮和有效磷含量均显著降低(p<0.05)。研究表明松嫩平原天然沼泽湿地在土壤盐碱化增加梯度上土壤环境逐渐恶化。同时,在土壤盐碱化加重梯度上湿地地表植物群落结构和物种组成显著改变,群落的优势物种由薹草种群转变为芦苇种群,物种多度和物种丰富度分别由504株/m~2和12种/m~2减少到148株/m~2和2种/m~2,两者均随着沼泽湿地土壤盐碱化程度加重呈显著下降趋势(p<0.05)。(2)土壤盐碱化显著影响湿地土壤种子库的结构和物种组成。在沼泽湿地土壤盐碱化加重梯度上,天然沼泽湿地土壤种子库平均萌发幼苗总量和物种丰富度分别由124株/盆和16种/盆减少到2株/盆和1种/盆,土壤种子库与地表植被物种组成的相似性指数由0.51下降到0。天然沼泽湿地的土壤含盐量、p H和碱化度的增加均显著降低了种子库中萌发幼苗数量、物种丰富度及土壤种子库与地表植被物种组成的相似性(p<0.05)。天然薹草群落土壤种子库共萌发物种39种,天然芦苇群落共萌发19种,因此天然薹草沼泽湿地土壤种子库幼苗数和物种丰富度高于芦苇群落。(3)影响天然沼泽湿地土壤种子库结构和物种组成的因素主要是地表植物群落和土壤环境因素。地表植物群落的物种多度和丰富度均与土壤种子库幼苗数和物种丰富度呈显著正相关关系(p<0.05)。土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮和有效磷含量与萌发幼苗数和丰富度呈正相关关系(p<0.05),土壤容重和硝态氮与两者呈负相关关系(p<0.05)。土壤盐碱化对土壤种子库结构和物种组成的影响主要通过两种途径:1)直接限制种子萌发影响土壤种子库萌发幼苗数量和物种丰富度;2)通过直接影响土壤环境中养分有效性和地上植被的物种组成和丰富度,间接影响土壤种子库结构和物种组成及其对地上植被的自然更新潜力。(4)农田开垦造成湿地土壤种子库中优势物种的种子缺失,导致依靠土壤种子库自然潜力很难实现植被恢复。天然薹草沼泽湿地及其旱地和水田土壤种子库萌发的平均幼苗总量分别为72株/盆、34株/盆和7株/盆;物种丰富度分别为13种/盆、9种/盆和5种/盆。天然芦苇沼泽湿地及其旱地和水田土壤种子库的平均幼苗总量分别为12株/盆、11株/盆和11株/盆;物种丰富度分别为5种/盆、3种/盆和7种/盆。研究结果表明农田开垦显著减少了薹草沼泽湿地土壤种子库中萌发幼苗总量和物种丰富度(p<0.05),而对芦苇群落土壤种子库的影响不显著(p>0.05),但均改变了湿地土壤种子库的结构和物种组成,使天然沼泽湿地土壤种子库萌发优势物种—瘤囊薹草和芦苇,分别被野稗、水烛、葶苈等非典型湿地物种取代。因此,湿地排水、农田开垦等农业活动造成了湿地土壤种子库中优势物种的种子缺失是天然湿地和农田土壤种子库结构和物种组成差异的主导因素,仅依靠残存土壤种子库自然潜力难以完全实现沼泽湿地植被恢复。(5)农田开垦同时改变了湿地土壤环境特征。薹草群落沼泽湿地开垦后,旱地和水田的土壤含盐量、土壤p H、土壤碱化度分别由1.87 g/kg和1.72 g/kg、7.70和7.47、4.55%和2.66%;土壤含水率、土壤有机质含量分别是29.3%和17.2%、1.90%和1.62%。因此,与天然薹草沼泽湿地相比农田土壤水分和养分显著减少但土壤盐碱化程度加重(p<0.05)。芦苇群落沼泽湿地开垦后,旱地和水田的土壤含盐量、土壤碱化度分别是5.23 g/kg和2.76 g/kg、17.6%和13.3%;土壤p H、土壤含水率分别是7.68和7.24、7.8%和26.7%。因此,与天然芦苇沼泽湿地相比农田土壤水分含量下降(p<0.05),土壤盐碱化程度分别由轻度和中度盐碱化转变为中度和重度盐碱化。湿地开垦后环境因素对土壤种子库的物种萌发具有显著影响。土壤含水量、含盐量、p H以及全氮含量是造成天然沼泽湿地和农田土壤种子库物种组成差异的主要环境因子。土壤盐度、碱度和土壤水分、养分通过限制种子萌发潜力,是分别影响薹草群落和芦苇群落天然沼泽湿地和农田土壤种子库结构与物种组成差异的非生物因素。(6)天然沼泽湿地土壤种子库对盐碱胁迫的响应与当前植物群落类型、结构和物种组成有关。在对照、轻度、中度和重度盐碱胁迫条件下,天然薹草群落湿地土壤种子库中萌发幼苗总量分别为82株/盆、60株/盆、32株/盆和18株/盆,其物种丰富度分别为13种/盆、11种/盆、7种/盆和4种/盆,萌发物种以莎草和杂草为主要功能群类型,两者数量均随着盐碱胁迫程度的增加显著降低(p<0.05)。因此,盐碱胁迫显著影响天然薹草群落湿地土壤种子库中物种萌发水平(p<0.05),但各物种之间对盐碱胁迫的耐受性存在较大差异,大约80%的淡水沼泽湿地物种在中度和重度盐碱胁迫环境中无法萌发。天然芦苇沼泽湿地土壤种子库中萌发幼苗总量分别为7株/盆、7株/盆、3株/盆和2株/盆,其物种丰富度分别是3种/盆、2种/盆、1种/盆和1种/盆,萌发物种以杂草和禾草为主要功能群类型,但不同浓度盐碱胁迫对天然芦苇沼泽湿地土壤种子库的萌发均无显著影响(p<0.05)。研究结果表明,天然芦苇沼泽湿地土壤种子库对盐碱胁迫耐受性更高,对地表植被更新潜力更大。(7)盐碱胁迫限制土壤种子库对地表植被的自然恢复潜力。薹草类型的旱地和水田在4种盐碱胁迫环境下土壤种子库萌发幼苗平均量分别为23.4株/盆和5.6株/盆、23株/盆和5.4株/盆、12.8株/盆和1株/盆、5.2株/盆和0株/盆;物种丰富度分别为6.6种/盆和4.2种/盆、5.8种/盆和2.6种/盆、3.4种/盆和1种/盆、1种/盆和0种/盆。芦苇类型的旱地和水田在4种盐碱胁迫环境下土壤种子库萌发幼苗平均量分别为8.6株/盆和12.8株/盆、3.4株/盆和2.7株/盆、1株/盆和1.3株/盆、1株/盆和2.7株/盆;物种丰富度分别为2.8种/盆和7.8种/盆、1.8种/盆和1.7种/盆、0.8种/盆和1.3种/盆、0.8种/盆和1.7种/盆。研究结果表明,中度和重度盐碱胁迫对农田土壤种子库中物种萌发均造成不利影响,使其土壤种子库萌发幼苗数量和物种丰富度与对照组相比显著降低(p<0.05)。轻度盐碱胁迫条件下,薹草群落的农田土壤种子库中物种萌发不受胁迫的影响(p>0.05),而芦苇群落的农田萌发量和物种丰富度显著下降(p<0.05)。水烛、野稗等对盐碱胁迫耐受性较强的物种,成为农田土壤种子库的优势物种,因此盐碱胁迫可能通过限制土壤种子库的种子萌发影响湿地植物群落的物种组成和分布。
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