黄土丘陵区草地生态系统典型植物枯落物分解特征研究

发布时间：2017-11-01 00:26

  本文关键词：黄土丘陵区草地生态系统典型植物枯落物分解特征研究

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【摘要】：本研究以黄土丘陵区温带草原典型植物枯落物作为研究对象,通过室内恒温恒湿培养(去除环境因素对其影响)和野外自然状态模拟的分解实验,监测枯落物分解过程中干物质质量的变化,计算枯落物失重率,揭示不同植物枯落物分解过程中质量的损失过程和分解速率的变化规律。测定枯落物分解过程中C、N、P元素的含量、木质素、纤维素、单宁含量及C/N、C/P比等生态化学计量比,并对枯落物分解过程中基质质量的变化及其对枯落物分解速率和土壤性质的影响进行研究,以期阐明黄土丘陵区草地生态系统典型植物枯落物分解过程的动态变化规律,建立枯落物分解过程模型,为促进黄土丘陵区草地生态系统中物质能量的良性循环提供理论依据,为深入开展草地生态系统的结构、功能和动态研究提供科学支撑。取得以下主要结论:(1)分解过程中枯落物有机C含量呈上下波动的变化趋势,野外模拟条件下,枯落物有机C遵循春夏秋季释放,冬季积累的淋溶—富集—释放模式。随着分解年限的增加,释放和积累效应逐渐变缓。不同植物枯落物中,柠条有机C的释放速度最快,养分积累指数(NAI)减少了56%,百里香最慢,只释放了37%;不同器官中,叶的释放速度最快,大孔径分解袋更有利于C素的迁移。枯落物有机C处于释放过程,即C素的外源补充和再释放的过程。枯落物N元素除分解前期出现大幅度的淋溶释放外,其迁移基本遵循:富集—释放的波动性循环模式,无明显季节性规律。不同植物枯落物中,长芒草全N的释放速度最慢(野外模拟条件的NAI仅下降了39%)。分解初期枯落物P元素释放的速度相当迅速,在分解第一个周期(0-375天)完成大幅度淋溶释放后,后期出现富集现象。不同植物枯落物中,冰草和长芒草全P释放速度最快(NAI:85-86%),百里香最慢(NAI:68%);器官叶茎的释放速度大于根(百里香除外),不同孔径分解袋中无明显差异。纤维素、木质素和单宁的降解过程基本遵循:富集—释放的循环模式,纤维素和木质素分解过程表现为春夏秋三季富集,冬季降解。不同植物枯落物中,冰草木质素和纤维素的降解速度最快,柠条单宁的降解量最大(NAI:76-85%)。(2)不同植物枯落物分解过程中失重率的变化随分解的进行呈逐渐加快趋势。其中,冰草和铁杆蒿在整个分解过程中保持持续上升的趋势,长芒草和百里香则出现明显的阶段性,在缓慢分解和快速分解的交替变化中进行,茭蒿和柠条分解前期的失重率大幅度增加后保持缓慢的分解状态。不同植物枯落物中,冰草和柠条的分解速度较快,茭蒿最慢。枯落物分解过程模型对枯落物阶段性分解所需时间进行估算,发现冰草的分解周期最短(2003天--5.49年),柠条其次(2673天--7.32年),茭蒿最慢(14675天--40.21年)。枯落物分解速率与初始N含量、N浓度(正相关)和C/N比(负相关)呈极显著相关,与N/P比(正相关)和木质素/N(负相关)呈显著性相关。柠条较高的初始N含量和N/P比,及较低C/N比是其分解速率较快的直接原因。而茭蒿较高的N浓度和木质素含量、C/N比、C/P比和木质素/N比,导致其分解在前期较快,后期受木质素的强大抑制作用逐渐变慢。由于枯落物初始N含量只是分解初期的主导因子,分解后期由木质素控制,导致柠条和茭蒿两种具有高N浓度的枯落物分解速度迥异。不同器官间叶茎枯落物的分解速率大于根,大孔径分解袋中枯落物分解速度较快(柠条除外)。(3)枯落物中易分解有机C和N的释放补充了土壤中碳氮元素,使土壤有机C和全N含量出现不同程度的积累,但增幅较小,而全P、硝态氮和铵态氮在分解过程中逐渐被消耗。不同植物枯落物分解过程中土壤C/N比的动态变化规律一致,表现为先下降后上升再下降的变化趋势,冰草和柠条的下降幅度最为明显,比初始值减小了3.34。土壤C/P比和N/P比则表现为整体上升的趋势,百里香(土壤C/P比)的增加幅度最为明显,是初始值的2倍。整个分解过程中,土壤微生物量碳(Cmic)呈正态分布型起伏变化。土壤微生物量氮(Nmic)呈波动起伏变化,分解后期植物间的变化趋势出现差异,柠条、长芒草和冰草持续上升,其它植物则出现不同程度的下降。土壤微生物量磷(Pmic)在整个分解过程中呈先上升后下降的变化规律,不同植物枯落物冰草和百里香的起伏规律最为明显。土壤Cmic/Nmic比表现为先上升后下降的波动变化趋势,土壤Nmic/Pmic比则呈上升趋势,不同植物枯落物中,柠条、百里香和冰草的土壤Cmic/Pmic比下降幅度较大,长芒草土壤Nmic/Pmic比的上升幅度最大。柠条作为固氮植物,自身具有较强的生物固氮能力,叶片的N素含量较高,C/N比较低,枯落物分解过程中归还于土壤的N素较多,是典型植物中对土壤N素贡献最为突出的植物。(4)土壤蔗糖酶在整个过程中呈先增加后减小的变化规律,土壤脲酶活性则表现为波动下降的变化规律。其中,柠条的变化幅度最大,茭蒿最小。枯落物分解能刺激土壤蔗糖酶活性,使土壤蔗糖酶活性在一定时间内有所提高。土壤脲酶活性在一定程度上反映了土壤的供氮水平的状况,柠条作为具有固氮能力的豆科植物,其土壤脲酶活性变化范围最大,对土壤的氮素供应最为明显。土壤碱性磷酸酶活性在整个分解过程中呈波动变化,除长芒草和百里香的酶活性降低外,其它均呈不同程度上升,但是变化范围不明显。土壤蛋白酶活性的变化趋势在不同植物枯落物间各不相同,整体呈增加趋势。其中,柠条、冰草和长芒草的增幅较大。不同植物枯落物中柠条、冰草和长芒草三种植物枯落物分解对土壤蛋白酶活性的贡献较大。土壤纤二糖酶活性在不同植物枯落物间的变化趋势不同,在酶解冰草、长芒草和百里香这些具有高纤维素含量的枯落物时,土壤中的碳源无法满足微生物补给,纤二糖酶消耗的较快,其活性就开始减小。(5)枯落物失重率和土壤环境因子及气候因子的关系分析表明,降水量、日照时数是影响枯落物分解的重要因素,研究区植物枯落物的分解过程主要靠降水淋溶和物理碎化两方面的作用,长时间的日照、光强和适量降水加速了枯落物直接淋溶和物理碎化过程。而土壤温度、气温和空气相对湿度对枯落物分解有不同程度的影响,枯落物失重率与土壤温度、气温和空气相对湿度表现出显著负相关关系,土壤温度和空气相对湿度对植物枯落物根茎的作用大于叶。其中,土壤温度与冰草根(大小孔径分解袋:-0.7625和-0.7455)和茭蒿茎(大小孔径分解袋:-0.7497和-0.8119)、根(大小孔径分解袋:-0.7382和-0.6886)的相关性最大。(6)经过筛选和对比,选用了适用于描述自然状态下枯落物分解过程的Logarithmic方程和具有阶段性特征的S型曲线函数的Boltzmann方程分别对室内培养和野外模拟枯落物分解进行回归模拟。发现枯落物分解过程是枯落物干物质质量随分解的进行而逐渐损失的过程,当干物质质量损失到达一个极限后,枯落物分解趋于停滞或以极为缓慢的速度进行。如野外模拟条件下冰草枯落物在失重达到81.61%左右时,分解趋于缓慢,叶茎和根在大孔径分解袋中的分解天数分别为:681、652天,在小孔径分解袋中的分解天数分别为:837和688天。从枯落物阶段性分解所需时间来看,枯落物分解达到95%时所需时间是分解50%所需时间的7-23倍,基本上体现了枯落物分解后期速率较快,前期缓慢的特点。不同植物枯落物中,由于冰草在分解过程中保持持续的分解能力和较快的分解速率,其分解最为完全。根据估算野外模拟枯落物失重率达到各个阶段(5-100%)所用时间的结果,发现不同器官间叶茎枯落物的分解比根完全,小孔径分解袋中枯落物分解速率较大孔径慢,但却比大孔径分解完全。
【关键词】：草地生态系统 枯落物 失重率 枯落物分解模型 基质质量 化学计量学特征
【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】：2015
【分类号】：S812
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-18
• 第一章 文献综述18-32
• 1.1 研究目的与意义18-19
• 1.2 国内外研究进展19-31
• 1.2.1 枯落物的定义19
• 1.2.2 枯落物分解的研究方法19-21
• 1.2.3 枯落物分解过程研究21-23
• 1.2.4 枯落物分解模型研究23-25
• 1.2.5 影响枯落物分解的因素25-29
• 1.2.6 生态化学计量学特征29-31
• 1.3 研究路线31-32
• 第二章 研究区概况与研究方法32-45
• 2.1 研究区概况32
• 2.2 研究内容32-33
• 2.2.1 枯落物分解的动态变化特征32
• 2.2.2 枯落物分解模型模拟及动态规律预测32
• 2.2.3 枯落物基质质量的动态变化特征32-33
• 2.2.4 枯落物基质质量对分解速率的影响33
• 2.2.5 枯落物分解过程中土壤质量的动态变化33
• 2.2.6 土壤质量对枯落物分解速率的影响33
• 2.3 研究方法33-44
• 2.3.1 试验设计33-39
• 2.3.2 枯落物样品测定39-44
• 2.4 数据处理与统计44-45
• 2.4.1 枯落物失重率（Litter losing rate）44
• 2.4.2 养分累计指数（NAI）44-45
• 第三章 枯落物初始基质质量45-56
• 3.1 枯落物初始有机C含量45-46
• 3.1.1 室内培养45
• 3.1.2 野外模拟45-46
• 3.2 枯落物初始全N含量46-47
• 3.2.1 室内培养46
• 3.2.2 野外模拟46-47
• 3.3 枯落物初始全P含量47-48
• 3.3.1 室内培养47
• 3.3.2 野外模拟47-48
• 3.4 枯落物初始纤维素含量48-49
• 3.4.1 室内培养48
• 3.4.2 野外模拟48-49
• 3.5 枯落物初始木质素含量49-50
• 3.5.1 室内培养49
• 3.5.2 野外模拟49-50
• 3.6 枯落物初始单宁含量50-51
• 3.6.1 室内培养50
• 3.6.2 野外模拟50-51
• 3.7 枯落物初始化学计量学特征51-54
• 3.7.1 室内培养51-52
• 3.7.2 野外模拟52-54
• 3.8 结果与讨论54-55
• 3.9 本章小结55-56
• 第四章 枯落物分解过程中基质质量的动态变化特征56-89
• 4.1 枯落物有机C含量的动态变化规律56-60
• 4.1.1 室内培养56-57
• 4.1.2 野外模拟57-60
• 4.2 枯落物全N含量的动态变化规律60-64
• 4.2.1 室内培养60-61
• 4.2.2 野外模拟61-64
• 4.3 枯落物P含量的动态变化规律64-68
• 4.3.1 室内培养64-65
• 4.3.2 野外模拟65-68
• 4.4 枯落物纤维素含量的动态变化规律68-73
• 4.4.1 室内培养68-69
• 4.4.2 野外模拟69-73
• 4.5 枯落物木质素含量的动态变化规律73-77
• 4.5.1 室内培养73
• 4.5.2 野外模拟73-77
• 4.6 枯落物单宁含量的动态变化规律77-81
• 4.6.1 室内培养77-78
• 4.6.2 野外模拟78-81
• 4.7 枯落物化学计量学特征的动态变化规律81-83
• 4.7.1 室内培养81-82
• 4.7.2 野外模拟82-83
• 4.8 结果与讨论83-87
• 4.9 本章小结87-89
• 第五章 枯落物分解过程中土壤性质的动态变化特征89-108
• 5.1 枯落物分解过程中土壤养分的动态变化特征89-94
• 5.1.1 土壤有机碳89-90
• 5.1.2 土壤氮素90-92
• 5.1.3 土壤全磷92
• 5.1.4 土壤化学计量学特征92-94
• 5.2 枯落物分解过程中土壤微生物量的动态变化特征94-99
• 5.2.1 土壤微生物量碳95-96
• 5.2.2 土壤微生物量氮96-97
• 5.2.3 土壤微生物量磷97
• 5.2.4 土壤微生物化学计量学特征97-99
• 5.3 枯落物分解过程中土壤酶活性的动态变化特征99-104
• 5.3.1 土壤蔗糖酶100-101
• 5.3.2 土壤脲酶101
• 5.3.3 土壤碱性磷酸酶101-102
• 5.3.4 土壤蛋白酶102-103
• 5.3.5 土壤纤二糖酶103-104
• 5.4 结果与讨论104-106
• 5.5 本章小结106-108
• 第六章 枯落物基质质量的变化对分解速率的影响108-135
• 6.1 枯落物初始基质质量对失重率的影响108-110
• 6.1.1 室内培养108-109
• 6.1.2 野外培养109-110
• 6.2 枯落物初始化学计量学特征对失重率的影响110-111
• 6.2.1 室内培养110-111
• 6.2.2 野外培养111
• 6.3 枯落物分解过程中物质组成的变化对失重率的影响111-122
• 6.3.1 室内培养111-117
• 6.3.2 野外模拟117-122
• 6.4 枯落物分解过程中化学计量比对失重率的影响122-133
• 6.4.1 室内培养122-127
• 6.4.2 野外模拟127-133
• 6.5 结果与讨论133-134
• 6.6 本章小结134-135
• 第七章 枯落物分解动态变化特征135-147
• 7.1 室内培养135-139
• 7.1.1 干物质质量135-137
• 7.1.2 失重率137-139
• 7.2 野外模拟139-141
• 7.3 环境因子对枯落物分解速率的影响141-144
• 7.3.1 野外小区土壤温度和含水量资料141-142
• 7.3.2 小流域气象资料142-143
• 7.3.3 土壤环境因子对枯落物分解速率的影响143
• 7.3.4 气候因子对枯落物分解速率的影响143-144
• 7.4 结果与讨论144-146
• 7.5 本章小结146-147
• 第八章 枯落物分解模型模拟及动态规律预测147-162
• 8.1 室内培养147-152
• 8.1.1 枯落物分解模型147-150
• 8.1.2 枯落物分解动态预测150-152
• 8.2 野外模拟152-160
• 8.2.1 枯落物分解拟合函数的选择152-155
• 8.2.2 基于Boltzmann函数建立枯落物分解模型155-160
• 8.3 结果与讨论160-161
• 8.4 本章小结161-162
• 第九章 结论和展望162-168
• 9.1 主要结论162-165
• 9.1.1 枯落物基质质量的动态变化特征162
• 9.1.2 枯落物分解过程中土壤性质的变化特征162-164
• 9.1.3 枯落物基质质量的变化对分解速率的影响164
• 9.1.4 枯落物分解速率的动态变化特征164
• 9.1.5 环境因子对枯落物分解速率的影响164-165
• 9.1.6 枯落物分解过程模拟与预测165
• 9.2 创新点165-166
• 9.3 存在问题与研究展望166-168
• 9.3.1 存在问题166-167
• 9.3.2 研究展望167-168
• 参考文献168-181
• 致谢181-183
• 作者简介183

【参考文献】

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