农业开垦对长白山区泥炭沼泽土壤种子库特征及其植被恢复潜力影响研究

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泥炭沼泽作为重要的湿地类型,具有高效固碳、涵养水源、生物多样性维护等多种生态系统服务功能。然而,近几十年来,迫于农牧业对于土地的需求,我国泥炭沼泽面积迅速减小,已成为区域/流域生态系统服务质量下降的重要驱动因素。因此,针对农业开垦的泥炭沼泽开展生态功能恢复理论和技术的研究既是国家生态环境建设的迫切需求,也是恢复生态学领域急需创新的一个热点问题。湿地土壤种子库作为繁殖体的储备库,是湿地植被再生的潜在力量,在退化湿地植被恢复过程中具有不可替代的作用。本文通过野外植被调查、温室萌发实验以及室内分析测定等方法,研究农业开垦活动对长白山区泥炭沼泽土壤种子库规模和物种组成的影响,探究不同开垦强度泥炭沼泽土壤种子库的植被恢复潜力及其主要影响因素,同时,根据潜力分析结果对开垦泥炭沼泽实施土壤种子库植被恢复潜力提升技术,并对其恢复效果进行综合评估,为不同退化程度的开垦湿地植被恢复提出相应对策。主要结论如下:(1)农业开垦显著改变了泥炭沼泽土壤种子库规模和物种组成。开垦后泥炭沼泽土壤种子库中种子密度和物种丰富度显著增高(p<0.05),但开垦造成了泥炭沼泽土壤种子库中部分原始湿地物种缺失;天然泥炭沼泽土壤种子库萌发物种以瘤嚢薹草为优势,而开垦后萌发物种则以陌上菜和雨久花等田间杂草为优势,薹草作为原始优势物种,其种子密度显著下降(p<0.05),甚至消失。(2)天然和开垦泥炭沼泽土壤种子库都具有明显的垂直分布格局,种子密度和物种丰富度均随着土壤深度的加深呈递减趋势。土壤种子库的垂直分布格局受农业耕作的影响,天然泥炭沼泽中绝大多数物种种子主要集中于表层0-10 cm土壤中,但轻度开垦泥炭沼泽土壤亚表层仍有一定规模的种子萌发。(3)水位对泥炭沼泽土壤种子库萌发特征具有显著影响。湿润条件下种子萌发密度和物种丰富度显著高于淹水状态(p<0.05)。水位显著影响土壤种子库萌发的植物种类,湿润条件下天然和开垦泥炭沼泽种子库萌发物种分别以湿生草本瘤囊薹草和球穗扁莎占优势,而在淹水条件下主要以宽叶香蒲、金鱼藻以及雨久花等水生植物为主。(4)农业开垦强度对泥炭沼泽土壤种子库以及土壤环境特征具有显著影响。重度开垦泥炭沼泽土壤结构恶化、养分流失,且原始湿地物种极少保留在土壤种子库中,目标种薹草种源缺失是限制其自然恢复的关键因素。而轻度开垦泥炭沼泽在0-30 cm深度各土层土壤种子库中均保留有一定比例的瘤嚢薹草等典型湿地物种种子,且土壤亚表层20-30 cm泥炭保存较好,下层土壤种子因缺少萌发条件而形成持久性种子库,土壤种子库依然具有一定的自然恢复潜力。(5)开垦后土壤环境的改变对土壤种子库的物种萌发具有显著影响,其中土壤有机碳含量、含水量、容重、粒度、可溶性有机碳以及速效氮含量是造成天然和开垦泥炭沼泽萌发物种组成差异的主要环境因素(p<0.05)。开垦造成的种源缺失是导致土壤种子库结构和物种组成差异的主导因素,开垦强度影响泥炭沼泽土壤种子库规模和物种组成,是决定土壤种子库植被恢复潜力的关键因素。(6)农业开垦泥炭沼泽土壤种子库植被恢复潜力提升技术通过表层矿质土壤清除结合前期低水位管理,有效提高土壤养分含量,改善土壤结构,为目标种薹草种子萌发和幼苗定植创建了适宜的土壤环境和水位条件。同时,清除表层矿质土可降低土壤中杂草种子密度,有助于植物群落向结构稳定的单一优势种薹草群落演替,加快了湿地植物群落的恢复进程,是一种低成本,高效率的开垦湿地植被恢复技术。农业开垦改变了泥炭沼泽土壤种子库的规模和结构,开垦强度显著影响泥炭沼泽土壤种子库的植被恢复潜力。本研究有助于揭示在农业开垦活动影响下泥炭沼泽土壤种子库特征的变化趋势以及影响土壤种子库恢复力的主要因素,并针对不同退化程度的开垦湿地植被恢复提出相应对策,为退化湿地最优恢复策略的选择提供理论依据,为湿地生态系统的恢复和重建提供决策参考和技术支持。
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