城市森林球囊霉素相关土壤蛋白特征差异研究

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 : 2次 | 上传用户:ahdx2009
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快速的城市化导致绿色植被分布空间有限,植被赖以生存的土壤环境恶化,包括土壤紧实度高、有机质缺乏、养分低、蓄水能力下降等诸多问题。球囊霉素相关土壤蛋白(Glomalin-related soil protein,GRSP)多认为与土壤丛枝菌根真菌代谢紧密相关,GRSP土壤累积可以有效地改良土壤结构、改善退化土壤质量。根据Bradford比色法提取GRSP,将其分为易提取GRSP(Easily extractable GRSP,EEG)和总GRSP(Total GRSP,TG)。以往对GRSP的研究多集中于自然生态环境,其对城市化进程的响应以及与城市森林特征的耦合关系尚存在知识空缺,这限制了基于GRSP的退化城市土壤质量科学提升。本研究以哈尔滨市和长春市为代表研究城市,按照环路发展梯度带、建成历史梯度带和不透水面梯度带研究城市化对GRSP含量和结构组成特征的影响,并分析可能造成GRSP含量和结构组成特征变化的森林特征、土壤理化性质及城市化原因。选择纬度不同的7个城市(长春市、乌兰浩特市、赤峰市、深圳市、兰州市、洛阳市、宣城市)进行GRSP含量和结构组成特征差异研究,并分析造成大尺度上GRSP含量和结构组成特征产生差异的气候、土壤及城市化原因。最后,定位开展城市森林管理控制实验,初步探索施肥管理提升GRSP的可能性及其与土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、氮(Nitrogen,N)、磷(Phosphorus,P)的相互作用机制。初步结论如下:(1)哈尔滨:城市化可以显著降低市中心土壤的GRSP在SOC库中的贡献。同时,城市化可以显著增加市中心乔木丰富度、灌木丰富度、针叶树比例、土壤pH、建筑面积比例,并且显著降低绿地面积比例。土壤理化性质(pH、电导率、容重和SOC)变化是GRSP含量产生差异的主要原因,其次是森林特征(树木大小、密度、丰富度等)和城市化因子(道路、建筑、绿地和水体面积比例)。在哈尔滨未来的城市土壤管理中,冬季应减少融雪剂的使用、定期疏松土壤和降低针叶树比例能有助于GRSP的提升。(2)长春:与哈尔滨类似,城市化可以减少市中心森林土壤的GRSP对SOC库的贡献。冗余排序等分析发现,土壤理化性质、森林特征和城市化因子与GRSP含量变化密切相关,其中土壤理化性质是主要原因,其次是森林特征和城市化因子;未来GRSP管理也应该减少冬季融雪剂的使用,同时降低灌木丰富度和增加绿地面积多伴随GRSP的累积。关于长春GRSP化学组成结构的结果表明,不同方向的城乡梯度带GRSP结构特征变化趋势不同。GRSP-官能团特征、蛋白衍射峰特征和荧光特征分别在相同方向的城乡梯度带上具有相似的变化规律。GRSP的相对结晶度与树木生长指标(胸径、树高、冠幅和枝下高)、杨柳科植物比例、电导率和SOC呈正相关;GRSP的晶粒尺寸与阔叶树比例、建筑面积比例、土壤温度和pH呈正相关,而与绿地面积比例和针叶树植物比例呈负相关;GRSP的类色氨酸和类可溶性微生物代谢产物与绿地面积比例和针叶树植物比例呈正相关;GRSP的红外官能团(IV:羧酸盐类中对称的COO–伸缩振动带,–CH2–和–CH3基团的C–H弯曲收缩带和VII:O–H弯曲收缩带)与蔷薇科植物比例呈正相关。(3)哈尔滨和长春城市间差异:城市间存在1.2–1.7倍的GRSP含量差异,大于林型间GRSP含量的差异(最高值/最低值:1.1–1.3倍)。哈尔滨的GRSP/SOC比长春的值高1.7倍,林型间的差异也略低于城市间差异。相反,林型间土壤理化性质、城市化因子和部分森林特征(树木密度、乔木丰富度、灌木丰富度和枝下高)的差异通常大于城市间相关的差异。土壤理化性质呈最大的GRSP差异解释量:40.3%,其次是城市化因子:33%,森林特征可解释14.5%。结构方程模型分析显示:城市间地理位置差异可以直接或者通过乔木丰富度、灌木丰富度、建筑面积比例和绿地面积比例等变化间接地影响GRSP含量和GRSP/SOC。林型变化可以通过土壤pH、电导率、建筑面积比例和绿地面积比例等变化间接地影响TG含量、EEG/TG和EEG/SOC。(4)多城市GRSP含量和结构特征差异:选择南至深圳、北至乌兰浩特、西至兰州和东至长春等7个不同纬度的城市,比较发现,兰州EEG含量最高(1.44g/kg),显著高于深圳(0.11 g/kg)和宣城(0.58 g/kg)(p<0.05);TG含量呈与EEG含量类似规律,兰州为11.87 g/kg,显著高于深圳和洛阳(p<0.05);深圳和洛阳的EEG/TG是长春和乌兰浩特的3.32倍(p<0.05);但是EEG/SOC不同城市间无差异(p>0.05);TG/SOC最大宣城为0.70,显著高于洛阳(0.31)(p<0.05)。不同城市间GRSP的红外官能团(IV、V、VI和VII)、荧光物质和重金属(Cr、Cu、Zn、Cd和Pb)含量存在显著差异。GRSP中类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸、类可溶性微生物代谢产物、类腐殖酸和类硝基苯等荧光物质和重金属含量均表现为深圳高于其他城市。GRSP含量与自身重金属和荧光物质含量显著负相关。多城市GRSP含量产生差异的原因主要是土壤理化性质、地理位置和城市化因子交互作用的结果。GRSP结构组成特征产生差异的最主要影响因子包括SOC、年均温、年均降雨量、建成区面积和国内生产总值等。(5)城市森林的集约管理可以影响GRSP累积。杨树林样地施肥管理显示:施有机碳肥可以显著提升GRSP累积(p<0.05);施菌肥仅可以显著增加TG含量(p<0.05);施N、P肥未能显著增加GRSP含量(p>0.05)。线性相关关系和结构方程模型分析发现,施肥后的GRSP含量与SOC含量、P含量的正相关关系与对照组相比达到显著水平。综合来看:城市化能够显著降低GRSP对土壤碳库的贡献,不同城市间存在明显的差异,主要是受土壤理化性质的影响,城市森林管理以及城市化对GRSP特征的影响也多是通过影响土壤理化性质实现。
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