橡胶人工林生态系统土壤质量特征变化及其影响因素研究 ——以海南大丰农场为例

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橡胶人工林是热带地区重要的经济作物和典型的人工林生态系统。由于天然橡胶价格持续上涨,橡胶树种植面积迅速扩增,引发了人们关于种植橡胶树是否会给生态环境产生负面影响的诸多争议。有研究认为大规模植胶导致土壤肥力下降、水土流失、微生物生物量和数量减少等。为了正确评价橡胶人工林土壤质量现状,明确橡胶人工林土壤质量是否退化的问题。本文选取不同林龄橡胶人工林即幼龄期(5a)、初产期(10a和13a)、旺产期(18a)和降产期(25a和30a)作为试验样地,从土壤物理性质、化学性质和微生态特征三大方面对橡胶人工林土壤质量特征变化进行了系统和全面的研究,评价了不同林龄橡胶人工林土壤质量现状,并分析了橡胶人工林土壤质量的影响因素和引起变化的原因,提出相应的调控措施。主要研究结果如下:(1)橡胶人工林土壤物理性质变化土壤容重随土层深度增加而提高。土壤总孔隙度、毛管孔隙度,以及饱和持水量、毛管持水量随土层深度增加而下降。非毛管孔隙度和非毛管持水量在0-20cm和20-40cm 土层差异不明显。不同林龄橡胶人工林土壤容重、孔隙度和持水量变化主要表现在0-20cm 土层,在20-40cm 土层差异不明显。0-20cm 土层内,土壤容重以5a橡胶人工林最低,30a橡胶人工林最高,10a、13a、18a、25a橡胶人工林间差异不明显。土壤总孔隙度、含水量、饱和持水量以5a橡胶人工林最高,10a、13a、18a、25a和30a橡胶人工林间差异不明显。土壤毛管孔隙度和毛管持水量均以5a橡胶人工林最高,其次为25a橡胶人工林,其它林龄间差异不明显。不同林龄橡胶人工林土壤非毛管孔隙度和非毛管持水量差异不明显。(2)橡胶人工林土壤化学性质变化橡胶人工林土壤为酸性,pH值在4.7-5.2之间,随土层深度增加而升高,随橡胶树林龄增长而降低。土壤有机质含量中等,阳离子交换量、全氮、全磷和全钾含量低,尤其缺磷和钾。有机质、全氮和速效钾含量随土层深度增加而下降,而全氮、全钾、全氮和全磷含量在0-20cm与20-40cm 土层差异不明显。不同林龄橡胶人工林土壤养分含量存在差异。(3)橡胶人工林土壤微生态特征变化橡胶人工林土壤过氧化氢酶、磷酸酶和脲酶分别介于0.41-0.61 mg/kg,731.39-2393.05 ug/g和271.33-324.26 ug/g之间。不同林龄橡胶人工林土壤过氧化氢酶、磷酸酶和脲酶活性均以5a橡胶人工林最高,其次为18a、25a和30a橡胶人工林,10a和13a橡胶人工林最低。橡胶人工林土壤微生物碳含量介于30.23-85.81mg/kg之间。10a和13a橡胶人工林最高,5a、18a、25a和30a橡胶人工林间差异不明显。割胶前土壤微生物功能多样性高于割胶后。不同林龄橡胶人工林土壤微生物功能多样性差异在割胶前后不同。橡胶人工林土壤微生物群落利用羧酸类、氨基酸类、胺类和糖及衍生物类碳源能力较强,而利用酚酸类和多聚物类碳源能力较差。采用高通量测序技术,共获得细菌16S rDNA基因序列438870个,OTU 2073个,真菌ITS基因序列563658个,OTU 2521个。土壤细菌群落多样性Ace、Chao、Shannon-Wiener、Simpson 和 Coverage 指数分别介于 1331-1695、1334-1732、5.46-6.02、0.007-0.018和0.983-0.987之间。10a、13a、18a和30a橡胶人工林土壤细菌多样性高于5a和25a橡胶人工林。土壤真菌群落多样性Ace、Chao、Shannon-Wiener、Simpson和 Coverage 指数分别介于 601-824、598-815、3.77-4.40、0.035-0.098 和 0.991-0.994之间。不同林龄橡胶人工林土壤真菌多样性Shannon和Simpson指数差异不明显,但Chao、Ace和Coverage指数存在差异。99.89%细菌基因序列注释为28个门,66个纲,139个目,245个科,355个属,645个种,1.01%为Bacteria unclassified。66.15%真菌基因序列注释为6个门,25个纲,77个目,170个科,357个属,558个种,33.85%为Fungiunclassified。酸杆菌门(Acidobacteria),变形菌门(Proteobacteria),绿弯菌门(Chloroflexi),放线菌门(Actinobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)是橡胶人工林土壤细菌群落的主要类群。子囊菌门(Ascomycota),接合菌门(Zygomycota)和担子菌门(Basidiomycota)是橡胶人工林土壤真菌群落的主要类群。不同林龄橡胶人工林土壤细菌和真菌群落组成分别具有相似性又存在差异。(4)橡胶人工林土壤质量评价、影响因素及调控橡胶人工林土壤质量以幼龄期(5a)最高,初产期(10a和13a)降低,旺产期(18a)和降产期(25a和30a)土壤质量逐渐恢复。土壤容重、有机质、全钾、细菌群落多样性Ace和Chao指数以及真菌群落多样性Shannon-Wiener指数是评价橡胶人工林土壤质量的主要指标。土壤理化性质与橡胶人工林林地生产力密切相关。土壤容重随橡胶树生物量增长而提高。土壤孔隙度和持水能力随橡胶树生物量增长而降低,随林下植物生物量和个体数量增加而提高。pH与橡胶树生物量、林下植物物种、林下植物个体密切相关。CEC与林下植物生物量、橡胶树生物量密切相关。土壤养分含量与林下植物生物量、林下植物物种、林下植物个体密切相关。过氧化氢酶、脲酶和MBC是影响橡胶人工林土壤微生物群落功能多样性的主要因素。橡胶树生物量、林下植物个体、pH和磷酸酶是影响橡胶人工林土壤细菌群落多样性的主要因素。AN、AK、TK、SOM、TN、林下植物生物量和磷酸酶是影响橡胶人工林土壤真菌群落多样性的主要因素。橡胶人工林土壤质量调控措施主要是:采取合理的割胶制度及抚育管理措施;平衡施肥,提高土壤肥力水平;减少人为干扰,构建复合生态系统。
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