草地开垦及公路交通对青藏高原草地土壤退化的影响

发布时间：2020-04-12 23:08

【摘要】：草地开垦种植农作物在青藏高原有很长的历史,促进了人类在青藏高原的定居。草地开垦后土壤有机质含量显著降低,一般认为与植物有机碳输入的减少及耕作扰动导致的矿化加速有关。但是,是否在此过程中土壤微生物的代谢合成发生变化,土壤有机质含量的降低与微生物合成物质积累量的减少有关,此前未有报道。改革开放以来随着经济活动的增加,青藏高原地区交通运输发展非常快,而关于公路交通对草地土壤重金属积累的影响少有研究。本论文中我们以土壤非纤维素糖中的六碳糖(主要由微生物合成)与五碳糖(主要是植物来源)的含量和比例及氨基糖中的氨基葡萄糖(主要由真菌合成)和胞壁酸(主要由细菌合成)的含量和比例作为指示物,研究了草地开垦对土壤微生物代谢合成产物积累的影响。同时,我们在青藏高原研究了海拔及距离公路的远近对公路运输导致的重金属在草地土壤中的积累量及在土壤剖面分布的影响。在甘肃省甘南藏族自治州的八个地点(分别记做A、B、C、D、E、F、G和H,海拔变化在2745和3118之间)分别选择至少五十年以上开垦种植大麦和油菜的耕地和冬季放牧草地,进行采样。其中,在一个最具代表性的点(A点)进行了密集采样(Intensive sampling),而在另外的七个点(B、C、D、E、F、G和H)进行了广泛采样(Extensive sampling)。主要研究结果为:(1)长期耕种导致总有机碳、微生物量碳、轻组(密度1.8)有机碳、重组(密度1.8)有机碳和总非纤维素糖碳含量在0 20 cm表层土壤中与草地相比降低了27%、54%、60%、24%和57%;土壤可矿化有机碳(培养时间30天)降低了44%。耕地中根系生物量也显著低于草地根系生物量。(2)耕地土壤中(半乳糖+甘露糖)/(阿拉伯糖+木糖)和(鼠李糖+岩藻糖)/(阿拉伯糖+木糖)的值较天然草地土壤下降26%。但是,我们研究发现半纤维素中的六碳糖和五碳糖的比例在天然草地植物和耕地作物间没有差异。(3)与天然草地土壤相比,耕地土壤中氨基糖碳总量下降了42%,对总有机碳的贡献率降低了22%,在耕地土壤中氨基葡萄糖/胞壁酸的值增加了102 136%。开垦不仅降低了耕地土壤微生物合成的有机化合物,而且使微生物群落中的细菌对有机质形成的贡献降低。(4)上述结果在另外七个广泛取样点全部得到验证。通过在青藏高原东部国道G212和G213沿线两侧,不同海拔高度,设置9条采样带;其中,在G212(海拔2643 2911 m)设置了4条采样带,在G213(海拔3163 3563 m)设置了5条采样带,每条采样带均在公路垂直方向由近到远等距设置了土壤采样点,每个采样点分层采集土壤样品;研究了Cu、Zn、Pb和Cd重金属在公路沿线两侧土壤剖面中的富集特征;评价了公路交通对沿线土壤的污染程度。主要结论为:(1)两条国道以及不同取样带之间的Cu、Zn、Pb和Cd的背景值(0 60 cm土层,400 m距离)存在很大的异质性。然而,重金属背景值在土壤空间中变化与取样区域的海拔高度变化无显著相关。(2)在国道G212和G213左右两侧距离国道5、10、20和50 m处,Cu、Zn和Pb的浓度普遍高于土壤重金属背景值。(3)金属Cd是受到公路交通影响的最敏感的元素。在距离公路20 m范围内的0 20 cm土层中,与其他三种重金属含量相比较,金属Cd出现显著的富集现象。(4)在距离国道400 m(远离公路交通源重金属污染)处的土壤表层(0 2cm),Cu、Zn、Pb和Cd的浓度普遍高于深层土壤。这表明大气沉积等其他因素也是土壤表层重金属富集的主要途径。(5)污染指数(C_f)计算结果表明,在距离国道G212和G213 50 m范围内的土壤中,公路交通造成Cu、Zn和Pb的轻度污染(1≤C_f3),Cd污染主要发生在距国道较近的20 cm土层中,呈重度污染(1≤C_f8)。与天然草地土壤相比,开垦降低植物合成有机碳向微生物合成有机碳的净转化效率,减少微生物代谢和产物在土壤中的积累,从而减少土壤稳定有机质形成过程中的微生物物质的输入量。细菌代谢合成物质降低的程度比真菌代谢合成物降低的程度更大。在青藏高原东部的国道沿线两侧土壤中,交通源重金属在土壤剖面中的富集至少达到了60 cm深,50 m远;对地形多变的山区土壤重金属污染程度的评价,背景值必须采用取样区域的实际测量值。
【图文】：

青藏高原

图 1 1 青藏高原不同土地利用方式Fig. 1 1 Different land-use types in Tibetan Plateau耕地主要集中在青藏高原东部、东北部和河谷地区，主要农作物包括小麦(Triticum aestivum)、大麦 (Hordeum vulgare)、油菜 (Brassica rapa)、燕麦 (Avenafatua) 和豌豆 (Vicia sativa)。因为青藏高原农业区地理区位偏远封闭，农业启动资金匮乏，自然传统经济色彩浓厚，民族文化交织复杂以及农民文化素质普遍较低，导致青藏高原农业区目前仍然维持以大量消耗农业资源、经营粗放的生产模式。除此之外，耕地面积小，再加上近年政府对草原保护力度加大，禁止开垦、退耕还草，造成原有耕地重用轻养，最终导致草地土壤质量逐年下降 (温军,2002)。高原耕地面积在青藏高原所占比重低 (约 0.9%)，耕地土壤肥力尚佳，并且在 2000 年农牧民粮食人均占有量超过了 400kg 的安全线水平，基本实现了自给 (谷树忠, 2000)。可是，长期耕种导致的土壤质量下降问题一直未得到重视。如今农业发展又面临人口增长、耕地土壤流失、耕地土壤肥力下降等新问题。上述问题除了造成粮食减产外，还可使青藏高原成为远程传输沙尘和泥沙的源头。

密集采样,青藏高原,采样点

图 2 1 青藏高原上的密集采样点 A 和广泛采样点 B HFig. 2 1 The investigated sample point Aand B H on the Tibetan Plateau2.1.2 样点 A 土壤样品的采集 (集中取样点)采样点 A (图 2 1; 图 2 2) 选自一大片耕地，长 600 m，宽 120 m；坐落在坡度较低 (约为 14 16 度)，坡向朝北的山坡上。开垦年限超过 50 年。在 2015年的生长季节，大约有一半的面积 (300 m 长, 120 m 宽) 种植大麦，另一半的面积 (300 m 长, 120 m 宽) 种植油菜。大麦和油菜在每年五月种植，九月收获。收获后地上生物量 (茎和籽粒) 全部移出。收获后用牲畜犁地。每年施入羊 (Ovisaries) 或牦牛 (Bos grunniens) 粪便 (有机质含量约为 64%，含 N 约为 1.5%) 作为基肥，，施入量不固定 (干物质约 1.5 2 t/hm2)，不施化肥。油菜籽粒产量约为2.3 t/hm2，大麦的籽粒产量约为 3.4 t/hm2。耕地四周均为天然草地，在每年十月至第二年六月，作为牦牛和绵羊的放牧场。我们在与耕地相邻的位置，选择了一片天然草地 (200 m 长, 120 m 宽) 作为参考植被。草原上的放牧强度较高，地表凋落物可忽略。地上生物量约为 1.6 3 t/ hm2。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S812.2

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