模拟放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮土壤碳循环的影响及机制

发布时间：2020-06-11 17:22

【摘要】：生物土壤结皮(简称“生物结皮”)是干旱、半干旱地区生态系统的重要组成部分,可以通过光合作用固定大气中的CO_2,影响土壤水热环境及土壤碳排放等,显著影响土壤碳循环。干扰是自然中常见现象,可显著影响生物结皮的盖度、组成及土壤理化性质等,进而可能影响生物结皮土壤碳循环。本论文以黄土丘陵区稳定发育期的藻藓混合生物结皮为研究对象,采用野外小区定位监测试验,以不干扰生物结皮为对照,研究了10%-15%(1等级)、15%-20%(2等级)、20%-25%(3等级)、25%-30%(4等级)和30%-40%(5等级)等5个模拟放牧干扰(简称“干扰”)等级对生物结皮群落组成及盖度的影响,分析了干扰对生物结皮土壤理化性质、有机碳含量及组分的影响,以及碳循环的影响,借助主成分分析、聚类分析、一级动力学方程等统计分析方法,解析了干扰对生物结皮土壤碳循环过程的影响。研究在理论上有助于揭示干扰影响下生物结皮土壤碳平衡特征以及干扰对生物结皮土壤碳循环的影响机制,在实践中可为区域生态系统土壤碳库管理与碳循环研究提供科学依据。所取得主要结论如下:1.干扰可降低生物结皮的盖度和生物量,改变生物结皮层土壤理化性质,导致生物结皮退化,影响程度与干扰等级和生物结皮的恢复速率有关。干扰后,生物结皮盖度随干扰等级的增加呈线性显著下降趋势,主要为藻结皮盖度和藓结皮盖度的降低。与不干扰相比,1-5等级干扰的藻结皮盖度降低幅度为4.8%-10.3%,1-5等级干扰的藓结皮盖度降低幅度为3.5%-6.9%,4-5等级干扰的生物结皮总盖度下降17.1%-18.5%,与不干扰差异显著。干扰降低了生物结皮生物量,1-5等级干扰的藻生物量较不干扰生物结皮降低8%-38%,1-5等级干扰的藓生物量较不干扰降低55%-92%,其中5等级下降幅度较大;干扰后,生物结皮恢复速率顺序为2等级干扰快于4等级干扰,雨季干扰快于旱季干扰,藻结皮藓结皮地衣结皮。干扰改变了土壤理化性质,影响主要集中在生物结皮层,对0-2 cm和2-5 cm土层影响较小。干扰降低了生物结皮层容重,增加了生物结皮层孔隙度,当干扰达到5等级时差异显著。干扰对生物结皮土壤温度和水分的影响表现为生物结皮层大于5 cm土层,1-5等级干扰温度和水分变异系数均呈现高于不干扰生物结皮的趋势,这种差异在结皮层尤为明显。干扰降低了生物结皮土壤碳氮比,2-3等级较不干扰差异显著。2.干扰可显著增加生物结皮层土壤易氧化碳、土壤微生物量碳、土壤可矿化碳等土壤活性有机碳组分,但降低生物结皮土壤有机碳含量。干扰显著影响生物结皮层土壤有机碳及碳组分,对0-2 cm和2-5 cm土层无显著影响。干扰显著增加土壤易氧化碳含量,1-3等级易氧化碳变化较不干扰无显著差异,4-5等级易氧化碳变化较不干扰差异显著;5等级较不干扰土壤微生物量碳增加70%;4等级较不干扰生物结皮土壤可矿化碳显著增加77%;干扰导致生物结皮土壤有机碳呈下降的趋势,1-5等级较不干扰土壤有机碳含量显著降低1.90-2.38 g·kg~(-1)。干扰条件下生物结皮土壤易氧化碳与微生物量碳含量呈显著正相关,土壤微生物量碳与可矿化碳含量呈显著正相关,生物结皮土壤有机碳与易氧化碳、微生物量碳呈显著负相关。3.干扰显著降低了生物结皮光合固碳速率,增加了土壤碳排放速率,并改变了生物结皮光合固碳和碳排放的日动态和季动态特征。生物结皮光合固碳速率随干扰等级的增加呈线性函数下降的趋势(R~2=0.832,P0.05),5等级较不干扰降低0.81μmol CO_2·m~(-2)·s~(-1),差异显著,其它等级无显著差异;生物结皮土壤碳排放速率随干扰等级的增加呈线性显著上升的趋势(R~2=0.796,P0.05),1-5等级较不干扰增加0.82-1.43μmol CO_2·m~(-2)·s~(-1)。干扰后生物结皮光合固碳速率与藻盖度呈显著正相关,碳排放速率与藻盖度呈显著负相关。干扰后生物结皮光合固碳和碳排放具有明显的日动态和季动态特征。在日动态上,生物结皮光合固碳呈明显的单峰型曲线,且峰值出现在8:00左右。干扰降低生物结皮光合固碳速率,3等级较不干扰平均降低28%。生物结皮土壤碳排放呈单峰型曲线,且峰值出现在12:00~14:00之间。干扰增加生物结皮土壤碳排放速率,3等级干扰显著高于不干扰达17.4%;在季动态上,干扰后生物结皮光合固碳速率表现为雨季前雨季中雨季后。干扰降低生物结皮光合固碳速率,在雨季前和雨季中,不同干扰等级间差异显著,雨季后差异不显著。干扰后生物结皮土壤碳排放速率表现为雨季中最高,较雨季前增加7%-52%,较雨季后增加84%-188%。干扰后生物结皮土壤碳通量主要与干扰等级和干扰时间有关,具体表现为夏季高于秋季,夜间高于白天,5等级干扰显著高于不干扰。4.干扰影响下生物结皮土壤碳循环与土壤有机碳稳定性和有机碳转化有关。生物结皮土壤碳稳定性与生物结皮类型有关。随生物结皮的发育和演替,高级阶段的藓结皮增加了土壤有机碳稳定性,主要通过改变土壤活性碳组分比例来实现的。藓结皮减少了土壤易氧化碳与有机碳的比例,较浅藻结皮降低12%。藓结皮降低了土壤可矿化碳与有机碳的比例,较浅藻结皮降低23%。干扰通过增加生物结皮土壤易氧化碳比例和可矿化碳比例,进而降低生物结皮土壤有机碳稳定性。干扰促进了土壤活性有机碳转化,主要表现在降低土壤微生物量碳氮比,增加了土壤真菌数量,降低了土壤细菌的数量,提高了土壤有机碳的活性。以易氧化碳、微生物量碳、可矿化碳、导气率、细菌数量、碳氮比等为主要的影响因子可以解释土壤有机碳转化的83.5%。针对干扰后影响土壤有机碳转化的指标,进行非度量多维尺度分析后,将干扰等级划分为不干扰、干扰1-3等级、干扰4-5等级共3类。与不干扰生物结皮土壤碳转化相比,干扰1-3等级有较大的相似性,干扰4-5等级有显著差异。5.黄土丘陵区生物结皮经模拟放牧干扰后,土壤碳排放呈增加趋势,真菌数量、易氧化碳、碳氮比、有机碳、容重、微生物量碳、藻盖度、可矿化碳等属性的直接作用较大。干扰影响生物结皮土壤碳排放,主要体现在生物结皮群落组成和土壤理化指标的直接作用和间接作用。真菌数量、易氧化碳、碳氮比、有机碳、容重、微生物量碳、藻盖度、可矿化碳等属性对土壤碳排放的直接作用较大,土壤水分对生物结皮土壤碳排放的间接效应最大,主要通过影响易氧化碳间接影响土壤碳排放。研究区干扰1年后,1-5等级较不干扰生物结皮分别增加2.6 t·ha~(-1)、3.1 t·ha~(-1)、3.2 t·ha~(-1)、3.9 t·ha~(-1)、5.6t·ha~(-1)的碳排放。生物结皮土壤有机碳稳定系数(K_(os))和有机碳矿化潜力(C_P)与土壤碳排放有较大的相关性。干扰显著降低生物结皮土壤有机碳稳定系数,1-4等级均显著低于不干扰,5等级较不干扰降幅最大。一级动力学方程可以较好地描述不同干扰等级下生物结皮土壤有机碳矿化潜力,干扰4等级土壤有机碳矿化潜力较不干扰差异显著。干扰影响下生物结皮土壤碳排放变化可划分为4类,不干扰生物结皮为一类,干扰1-3等级可归为一类,干扰4等级和5等级各归为一类。
【图文】：

黄土高原,地理位置,吴起,安塞县

芒草（Stipa bungeana）等草本植物。流域内生物结皮大面积发育，平均盖度在 65%上。生物结皮中藻结皮优势种主要有具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）、念珠（Nostoc commune）；藓结皮优势种主要有土生对齿藓（Didymodon vinealis）、短对齿藓（Didymodon tectorum）和银叶真藓（Bryum argenteum）（杨丽娜等 2013）地衣结皮的优势种主要有磷网衣（Psora spp.）、拟橙衣（Fulgensia bracteata）和藓双缘衣（Diploschistes muscorum）等（杨雪芹等 2018）。安塞县纸坊沟小流域，属于黄土丘陵区第二副区，地理位置 109°18'E，36°51'N平均海拔 1200 m，总流域面积 8.27 km2，该地区属于典型的暖温带半干旱大陆性气候年均气温8.8 ℃，年累积日照时数2300-2400 h，无霜期大约157 d；年均降水量500 mm60%-70%的降水集中在 7-9 月。土壤质地是典型黄土母质上发育的黄绵土。黄土母厚度大约 50-80 m。土壤易遭受侵蚀，在 1999 之前，年土壤侵蚀率为 10,000-12,0t·km-2·a-1。该区主要植被群落有茵陈蒿（Artemisia capillaries）、胡枝子（Lespedebicolor）、铁杆蒿（Artemisia sacrorum）、长芒草（Stipa bungeana）、杠柳（Periploca sepium扁核木（Prinsepia utilis）、狼牙刺（Sophara viciifolia, Bothriochloa ischaemum）和沙（Hippophae rhamnoides）。

后生物,结皮,生物结皮

组成、盖度和高等植被盖度，若有部分生物结皮已恢复，则在此基础上继续干扰，使小区保持设定的干扰度（生物结皮样地干扰处理详见图 2-3）。干扰对象仅考虑生物结皮，尽量避开地上维管束植物。为了保证生物结皮样地间具有可比性，野外调查限定在一个较小的范围内进行，，所有圈建小区间的最远距离不超过 1 km，并尽量保证立地条件的一致性。A: 不干扰生物结皮 B: 干扰1等级（10%-15%） C: 干扰2等级（15%-20%）
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154;S153

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