黄土高原半干旱生态脆弱区土壤碳、氮和微生物对不同土地管理措施和冻融循环的响应

发布时间：2020-11-12 04:03

　　 黄土高原半干旱区是典型的雨养农业区,同时也是世界上生态系统退化最严重的区域之一。高强度的农业生产,加强了土壤的干扰,不断破坏土壤结构,加剧了土壤质量退化。草地恢复是一种成本低、有效且环境友好型的改善土壤质量的方法。然而,在不同环境下草地恢复对土壤质量的影响是不同的。因此,在黄土高原半干旱生态脆弱区,评估不同土地管理措施中土壤属性的变化对恢复土壤质量至关重要。本研究旨在探讨黄土高原半干旱生态脆弱区不同土地管理措施对土壤碳、氮储存量和微生物的影响,并且我们以一种气候事件?冻融循环事件为例,探讨土壤碳、氮和微生物对冻融循环事件的响应潜能,以此判断草地管理与农田土壤碳、氮储存量和微生物群落功能多样性的差异,旨在为改善和优化黄土高原半干旱生态脆弱区土壤质量提供参考。我们于2014年和2015年在兰州大学黄土高原半干旱生态系统试验站选择和设计了5种管理措施的土地,分别为:(1)封育撂荒草地(13年),(2)中龄人工苜蓿草地(15年),(3)新建人工苜蓿草地(2年),(4)休闲地(2年)和(5)农田,探讨地上生物量、土壤水分、土壤容重、土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、土壤微生物量和酶活性的变化;并选取封育撂荒草地、中龄人工苜蓿草地和农田(小麦地)三种典型的土地管理措施土壤进行室内模拟冻融循环事件,评估土壤碳、氮和微生物群落功能多样性对冻融循环的响应。不同土地管理措施下地上生物量的输出存在显著差异,大小顺序为:农田新建人工苜蓿草地中龄人工苜蓿草地封育撂荒草地休闲地(无地上生物量)。试验结束时(2015年10月),封育撂荒草地和中龄人工苜蓿草地0–3 m土层内土壤储水量最低,新建人工苜蓿草地和农田次之,休闲地最高。生长季内土壤水分的消耗因土地管理措施和年限的不同而存在差异:封育撂荒草地和农田主要消耗0–1 m内水分,新建人工苜蓿草地消耗1–3 m内水分,而中龄人工苜蓿草地和休闲地对0–3 m内土壤水分消耗很小。表层(0–20 cm)土壤容重大小顺序为:封育撂荒草地农田中龄人工苜蓿草地≈新建人工苜蓿草地。0–20 cm土层有机碳、全氮、全磷含量以及碳、氮储存量大小为:封育撂荒草地中龄人工苜蓿草地新建人工苜蓿草地≈农田≈休闲地。土壤有机碳和全氮储存量与地上生物量呈显著的负相关,说明地上生物量的输出影响土壤碳和氮的储存。封育撂荒草地和中龄人工苜蓿草地土壤微生物量碳和氮含量显著高于其他处理。土壤微生物量碳和氮与地上生物量呈显著负相关,而与有机碳储存量呈显著正相关,说明土壤微生物量与有机碳储存密切相关。封育撂荒草地和中龄人工苜蓿草地土壤可溶性碳高于新建人工苜蓿草地、休闲地和农田,而可溶性氮刚好相反,封育撂荒草地和中龄人工苜蓿草地最低。封育撂荒草地中土壤酸性、碱性磷酸酶活性最高,中龄人工苜蓿草地次之,新建人工苜蓿草地、休闲地和农田最低且三者之间无差异。土壤磷酸酶活性与有机碳储存量呈现显著正相关关系。室内模拟的冻融循环实验结果显示,土壤呼吸在三种土地管理措施中随冻融循环过程的进行逐渐下降,并在+3℃时升高、–2℃时下降,表明土壤微生物活性对温度波动的敏感响应。有机碳储存量高的封育撂荒草地土壤呼吸量和微生物量碳、氮在冻融循环过程中最高,中龄人工苜蓿草地次之,农田最低。Biolog生态板法和主成分分析结果显示,指示微生物活性的AWCD值和指示微生物种类的McIntosh指数在封育撂荒草地中最高,中龄人工苜蓿草地次之,农田最低,表明三种不同土地管理措施的土壤微生物已经形成不同功能群,有机碳储存量高的土地管理措施中土壤微生物群落对极端条件有更强的适应能力。综上所述,黄土高原半干旱生态脆弱区封育撂荒草地和中龄人工苜蓿草地可以有效的提高土壤有机碳和全氮的储存,增加土壤微生物量以及微生物群落功能多样性。另外,在黄土高原半干旱生态脆弱区管理人工苜蓿草地时,为了恢复土壤质量,应减少地上生物量的输出。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S151.9
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 文献综述
    1.1 相关生态学概念
        1.1.1 农业生态学
        1.1.2 恢复生态学
    1.2 土壤质量评价
        1.2.1 土壤碳和氮
        1.2.2 土壤微生物
        1.2.3 土壤酶活性
    1.3 不同土地管理措施对土壤质量的影响
    1.4 气候变化?冻融循环对土壤质量的影响
        1.4.1 冻融循环事件
        1.4.2 冻融循环对土壤质量的影响
        1.4.3 土壤质量与冻融循环的关系
    1.5 研究区域背景
        1.5.1 黄土高原半干旱生态脆弱区特点
        1.5.2 半干旱区生态系统现状
    1.6 研究内容
第二章 材料与方法
    2.1 试验区概况
    2.2 试验设计
    2.3 样品采集和测定
        2.3.1 地上生物量采集
        2.3.2 土壤水分测定
        2.3.3 土壤样品采集和测定
    2.4 室内冻融循环培养实验
        2.4.1 培养土样的采集
        2.4.2 冻融循环设计
        2.4.3 室内培养设计
        2.4.4 土壤有机碳、全氮和无机氮的测定
        2.4.5 土壤微生物量碳和氮以及可溶性碳和氮测定
        2.4.6 土壤微生物呼吸测定
        2.4.7 土壤微生物群落功能多样性分析
    2.5 数据计算与分析
        2.5.1 土壤含水量和蒸散量
        2.5.2 土壤碳和氮储存量
        2.5.3 土壤微生物量碳和氮含量
        2.5.4 Biolog生态板指数
        2.5.5 数据分析
第三章 不同土地管理措施对地上生物量和土壤属性的影响
    3.1 不同土地管理措施地上生物量
    3.2 不同土地管理措施土壤水分
        3.2.1 土壤含水量
        3.2.2 土壤储水量
        3.2.3 不同土层土壤耗水量和蒸散量
    3.3 不同土地管理措施土壤容重
    3.4 不同土地管理措施土壤有机碳和全氮含量及储存量
        3.4.1 土壤有机碳和全氮含量及储存量
        3.4.2 土壤碳氮比
        3.4.3 土壤碳和氮储存量与地上生物量的关系
    3.5 不同管理措施下土壤全磷和速效磷含量
        3.5.1 土壤全磷含量
        3.5.2 土壤速效磷含量
    3.6 不同土地管理措施土壤微生物和酶活性
        3.6.1 土壤微生物量碳、微生物量氮以及可溶性碳、氮
        3.6.2 土壤微生物量与地上生物量和土壤碳储存量的关系
        3.6.3 土壤磷酸酶活性
        3.6.4 土壤磷酸酶活性与地上生物量关系
        3.6.5 土壤微生物量碳氮比
        3.6.6 土壤微生物量碳和有机碳比值
    3.7 讨论
        3.7.1 不同土地管理措施的土壤水分动态
        3.7.2 不同土地管理措施土壤有机碳和全氮的变化
        3.7.3 不同土地管理措施土壤微生物属性的变化
            3.7.3.1 土壤可溶性碳和可溶性氮
            3.7.3.2 土壤微生物量碳和氮
            3.7.3.3 土壤微生物量碳氮比
        3.7.4 不同土地管理措施土壤酶活性的变化
第四章 不同土地管理措施土壤碳、氮和微生物对冻融循环的响应
    4.1 前言
    4.2 实验结果
        4.2.1 土壤呼吸
        4.2.2 土壤微生物量碳氮、可溶性碳和无机氮
        4.2.3 土壤微生物群落功能多样性
    4.3 讨论
第五章 结论
    5.1 主要结论
    5.2 不足和展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢

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本文编号：2880216