低水位增加灌木多样性和生物量但降低土壤有机碳含量: 以鄂西南贫营养泥炭地为例 生物多样性    2023, 31 (3): 22600-.   DOI: 10.17520/biods.2022600

表1 鄂西南不同地下水位梯度下贫营养泥炭地土壤理化性质

正文中引用本图/表的段落

地下水位变化对泥炭地的植被组成及多样性具有明显的调控作用, 从而可能会深刻改变泥炭地的储碳潜力。目前, 有关泥炭地植物多样性和土壤有机碳含量对水位波动的响应还存在较大争议, 且有关亚热带贫营养泥炭地地下水位对植物多样性及生物量与土壤有机碳含量影响的研究鲜有报道。本研究选择鄂西南贫营养泥炭地为研究对象, 调查了4个地下水位梯度(-4 cm、-8 cm、-12 cm、-20 cm)下的植被组成、多样性、生物量及土壤有机碳含量, 以探究不同水位梯度对鄂西南贫营养泥炭地植物多样性、生物量及土壤有机碳含量的影响。结果表明: (1)地下水位下降, 土壤含水量、土壤有机碳含量和总酚含量显著降低, 而溶解氧含量显著增加(P < 0.05)。并且, 低水位(-20 cm)处土壤有机碳含量是高水位(-4 cm)处土壤有机碳含量的72%。(2)地下水位显著改变鄂西南贫营养泥炭地物种组成, 随着地下水位下降, 灌木物种数量增加, 且以浅根系的杜鹃花科和蔷薇科植物为主。(3)总体上, 随着地下水位的降低, 灌木多样性呈现显著增加的趋势(P < 0.05), 而草本植物多样性变化不显著。(4)地下水位对植被地上总体生物量影响不显著, 但随地下水位的降低, 灌木生物量极显著增加(P < 0.01)、草本生物量显著增加(P < 0.05), 而苔藓生物量降低。本研究表明, 较高的地下水位是维持鄂西南贫营养泥炭地土壤有机碳含量的关键, 维管植物多样性的提升并不能增加该泥炭地的固碳潜力。

随着地下水位降低, 大部分土壤理化性质都发生了显著变化。地下水位与土壤pH值、土壤容重及溶解氧含量呈显著线性负相关, 而与土壤含水量、总酚及有机碳含量呈显著线性正相关(表1)。随着地下水位下降, 土壤pH值略微上升, 土壤容重和地下水溶解氧含量显著增加, 土壤含水量、总酚及有机碳含量却显著降低(表1)。地下水位从-4 cm下降到-20 cm时土壤含水量减少了11.2%, 总酚含量降低了55%, 而溶解氧含量增加了35.4%。但是, 溶解氧含量最大值出现在地下水位-12 cm处, 为7.23 ± 0.18 mg/L。同时, 土壤有机碳含量最小值也出现在地下水位-12 cm处, 为23.58% ± 1.12%。当地下水位从-4 cm下降到-12 cm, 土壤有机碳含量降低了30% (表1)。

水位变化对泥炭地植被结构和特征具有明显的调控作用, 泥炭地水分条件和水位变化直接影响泥炭地植被的物种组成、物种多样性和植物群落演替(Straková et al, 2010; Simola et al, 2012)。本研究结果表明, 地下水位变化主要影响鄂西南贫营养泥炭地灌木多样性(P < 0.05), 对草本无显著影响, 随着地下水位下降, 灌木多样性呈显著增加的趋势。这与相关学者的研究结果基本一致。例如, Potvin等(2015)通过短期水位控制实验研究发现, 水位降低20 cm后, 泥炭藓生产力降低而小灌木多样性增加。Malhotra等(2020)研究发现, 在干燥的条件下, 灌木是通过细根的生长使其能够获得更多可用养分, 从而为维管植物的生长提供竞争优势, 提高维管植物多样性。北方寒温带泥炭地也有类似结论, 当较长时间的干旱导致地下水位波动时, 栖息在沼泽中的莎草会将空间让给灌木(Breeuwer et al, 2009)。同时, 泥炭地的灌木通常会在干燥条件下扩张, 这可以通过较高的地下水位对灌木丰度产生的负面影响得到证明(Jassey et al, 2018)。事实上, 地下水位下降往往会显著改变土壤理化性质, 从而影响植物地下根系分布(Murphy & Moore, 2010), 继而影响地上植物多样性(McPartland et al, 2019)。本研究发现, 溶解氧含量与灌木生物量及多样性随水位变化趋势一致。原因可能是地下水位下降显著降低了土壤含水量、增加了水体氧气含量(表1), 从而为深根性的灌木提供了适宜的生长环境, 对浅根系的草本植物影响不大(表2, 图2)。但是, 该结论与其他研究也有一定差异。有研究发现, 地下水位下降对灌木多样性的影响较为微弱(Weltzin et al, 2003), 这可能与不同地区灌木种类差异有关。有研究表明, 浅根系灌木随地下水位下降的变化不明显(Buttler et al, 2015), 而本研究区深根系的灌木较多(表2, 图2), 高水位使根系缺氧(Kozlowski, 1986), 从而导致高酸度和有毒化合物的积累(Pezeshki, 2001), 抑制深根系灌木生长。甚至还有研究发现, 地下水位下降会显著降低灌木多样性(Bakker et al, 2007)。这可能是因为有些灌木物种通过浅层生根、形成通气组织适应了积水环境, 从而获得与其他植物相比具备耐涝性的竞争优势, 而地下水位的下降反而降低了其竞争优势(Armstrong et al, 1991)。因此, 地下水位可能主要调控深根系植物的生长, 从而影响贫营养泥炭地植物组成与多样性。

尽管泥炭藓生物量随地下水位的变化并不显著, 但是, 另一方面, 土壤泥炭层通常是不饱和有氧的, 特别是在生长季节, 这增加了微生物呼吸和植物的活动, 较高的水位形成的缺氧层往往限制了微生物对泥炭藓的分解作用, 使得泥炭藓凋落物分解得更慢(Limpens et al, 2008), 而泥炭藓是积累泥炭的最重要植物之一(Waddington et al, 2003)。因此, 地下水位下降, 泥炭藓生物量减少及其分解加快导致碳积累降低可能会抵消甚至超过维管植物的碳输入量, 这与本文的科学假设一致。同时, 还有研究表明, 泥炭地水位下降, 土壤总碳含量显著增加, 认为水位对泥炭地碳含量的影响可能被土壤中增加的酚酸的作用所弥补(曾嘉等, 2022), 而本研究发现, 地下水位下降显著降低土壤总酚含量(表1), 酚类物质作为泥炭地重要的碳分解抑制剂, 能通过抑制微生物活动和土壤酶活性减缓泥炭地碳分解(杨刚等, 2018)。因此, 地下水位对贫营养泥炭地土壤有机碳含量的影响可能主要取决于植被光合产物输入与土壤碳分解之间的平衡, 而泥炭藓是贫营养泥炭地光合碳输入的主要贡献者(Fenner et al, 2004), 且较高水位的泥炭藓抗氧化和抗分解能力更强, 分解得更慢, 有利于土壤碳的沉积(Turetsky et al, 2008; Potvin et al, 2015)。

值得注意的是, 随着地下水位升高, 本研究区灌木层及草本层物种数都减少, 苔藓层物种更是单一, 仅有泥炭藓1种(图3), 但土壤有机碳含量却显著增加(表1), 侧面论证了这种“单一”的泥炭藓很可能是研究区高水位样地土壤碳的主要输入者。因此, 要提升鄂西南贫营养泥炭地的固碳潜力或提升土壤碳的含量, 应该维持较高的地下水位以促进造碳植物泥炭藓的生长及减缓其分解, 而不是简单的提升维管植物的多样性。另外, 本研究调查的是自然地下水位梯度下植物多样性与土壤有机碳含量的变化规律, 并不能完全排除不同水位梯度下植被生长年限及土壤碳沉积时间不一致的情况, 后期如果能够结合中宇宙控制实验探究地下水位对鄂西南贫营养泥炭地植物多样性与土壤有机碳含量的影响, 势必会更加客观地评价地下水位变化对贫营养泥炭地植被结构与生态系统碳循环的影响机理。同时, 本研究主要侧重地上植被与土壤有机碳含量的关系, 并没有直接测定地下水位下降对植被分解的影响, 尤其是地下水位对泥炭藓分解的影响。后期, 如果能够联动分析地下水位变化对植被生长及分解的影响及其如何调控土壤有机碳含量, 势必会深入理解地下水位对贫营养泥炭地碳循环的影响机理。

本文的其它图/表

• 图1 鄂西南贫营养泥炭地地下水位监测点分布图及其地下水位深度(cm)
  
• 表2 鄂西南不同地下水位梯度下贫营养泥炭地物种数
  
• 图2 鄂西南贫营养泥炭地不同优势科植物根系分布深度(平均值 ± 标准误)。不同小写字母表示不同科之间存在显著差异(P < 0.05)。
  
• 图3 鄂西南不同地下水位梯度下贫营养泥炭地灌木、草本和苔藓层物种数量(平均值± 标准误)。不同小写字母表示相同植被层不同水位梯度间存在显著差异(P < 0.05)。
  
• 图4 鄂西南不同地下水位梯度下贫营养泥炭地灌木层和草本层物种多样性(平均值 ± 标准误)。不同小写字母表示相同植被层不同水位梯度间存在显著差异(P < 0.05)。
  
• 图5 鄂西南不同地下水位梯度下贫营养泥炭地灌木、草本和苔藓层生物量。不同小写字母表示相同植被层不同水位梯度间存在显著差异(P < 0.05)。