黄土丘陵区草地枯落物分解特征及其对土壤性质的影响

发布时间：2020-08-13 06:37

【摘要】：枯落物作为草地生态系统中联结植物和土壤的重要载体,在草地植被恢复和土壤培育中不容忽视。随着地上枯落物和植物根系的累积和分解,草地生态系统养分循环受到显著的影响,土壤化学过程、生物学过程等均发生了一系列变化。研究草地枯落物的分解特征及其对土壤性质的影响,对于退化草地的生态恢复具有重要的理论和现实意义。本研究针对黄土丘陵区草地演替中长芒草、铁杆蒿、百里香枯落叶和植物根的分解过程,采用野外分解袋法,模拟单一植物枯落叶、混合枯落叶和植物根的分解过程,分析分解过程中枯落物残余比例及基质质量(碳、氮、磷、木质素、纤维素)变化规律、中微量元素(钙、镁、铁、锰、铜、锌)富集/释放特征,研究枯落物分解对土壤有机碳、氮、磷、中微量元素、土壤酶活性和微生物群落的影响,探讨枯落物分解进程并利用Olson模型预测其周转时间,阐明枯落物养分释放规律和木质素纤维素降解特征,探索枯落物分解对土壤化学性质和生物学性质的影响,明晰枯落物分解特征和土壤性质变化的关联,揭示枯落叶和植物根在草地恢复中的生态涵养作用,为阐明草地生态系统中地球元素循环过程提供理论依据。主要的研究结论如下:(1)随分解时间的推进,不同植物枯落叶、混合枯落叶以及植物根的分解进程差异显著。单一植物枯落叶表现为快速分解、缓慢分解、二次快速分解和保持平稳四个阶段;混合枯落叶表现为分解速率随时间降低,植物根的分解表现为快速分解、缓慢分解和二次快速分解。三种单一植物枯落叶和根的分解速率均表现为铁杆蒿长芒草百里香,长芒草枯落叶分别与铁杆蒿枯落叶、百里香枯落叶混合均可以通过协同作用促进枯落叶的分解进程。应用Olson模型对枯落物的分解过程进行模拟,决定系数R~2以及显著性检验表明,Olson模型可以很好的表征该区草地枯落叶和植物根的分解过程。通过Olson模型模拟预测,单一植物枯落叶分解95%需要11.0~18.0 a,混合枯落叶分解95%需要9.2~10.7 a,三种植物根分解95%需要15.9~23.3 a。(2)经过1035 d的分解,单一枯落叶、混合枯落叶、植物根的全碳、全氮、全磷、纤维素以及木质素均表现为释放。枯落物全碳呈现波动释放的变化特征,释放比例为64.3~85.1%;枯落物全氮呈快速释放、小幅富集、波动释放的变化特征,释放比例为45.7~67.7%;枯落物全磷呈现波动释放、快速富集、逐步释放、趋于稳定的变化过程,释放比例为30.8~90.7%;枯落物纤维素表现为分解前期快速波动释放、后期缓慢释放的降解特征,其降解率为72.3~93.6%;木质素表现为富集、释放、富集、释放的变化特征,降解率为43.3~62.6%。枯落叶和植物根的全碳释放比例和木质素降解率基本一致,枯落叶氮和磷释放比例、纤维素降解率均高于植物根。枯落叶的混合在其养分释放中产生了不同的非加和效应,长芒草和铁杆蒿、长芒草和百里香叶的混合对枯落叶碳释放、纤维素降解表现出促进作用,在分解前期对枯落叶氮和磷表现出抑制,在分解中后期表现为促进作用;长芒草百里香叶的混合抑制了木质素的降解,长芒草铁杆蒿枯落叶的混合促进了木质素的降解。(3)除长芒草叶铜和锌,经过1035 d的分解,单一枯落叶、混合枯落叶、植物根的钙、镁、铁、锰、铜和锌绝对量均表现为释放。枯落叶的中微量元素释放率表现为镁钙铜铁锰锌,植物根的中微量元素释放率表现为钙铁镁锌锰铜。随着分解进程的推进,枯落物钙、镁、铜的绝对量表现为淋溶、富集、释放的变化特征,其释放率分别为62.0~79.1%、58.4~77.8%、0.4~64.9%;枯落物铁、锰、锌随分解进程的推移表现为富集、波动释放的变化特征;其释放率分别为21.8~71.7%、10.4~50.8%和12.3~60.0%。不同类型枯落物中微量元素释放特征表现不一,单一植物枯落叶、混合枯落叶、植物根的钙和镁的变化特征及释放率基本一致;长芒草、铁杆蒿、百里香枯落叶的铁、锰、锌释放率均小于植物根,百里香和铁杆蒿枯落叶的铜释放率大于植物根。长芒草和铁杆蒿、长芒草和百里香枯落叶的混合抑制枯落叶钙的释放,促进了枯落叶铜、镁、锌的释放;枯落叶的混合在分解前期抑制了铁和锰的释放,在后期则促进了铁和锰的释放。(4)枯落叶和植物根的分解对土壤有机碳、化学养分以及土壤的中微量元素均产生了显著的影响。随着枯落物分解的推进,单一枯落叶、混合枯落叶和植物根分解中土壤有机碳呈现波动下降和快速上升交替的波动变化特征,土壤全氮为上升、稳定、下降交替的变化特征,土壤硝态氮、铵态氮、速效磷均表现为上升和下降交替的变化特征。枯落物的分解均可以显著提高土壤有机碳、硝态氮、铵态氮和速效磷,枯落叶的分解可以提高土壤全氮,植物根对土壤全氮无显著影响。分解末期(1035 d),和空白处理相比,枯落物处理土壤有机碳高出0.50~1.15 g/kg,硝态氮高出0.91~6.85 mg/kg,铵态氮高出0.47~2.87 mg/kg,速效磷高出0.49~2.62 mg/kg。枯落叶和植物根的分解可以增加土壤中钙和镁含量,且表现为枯落叶植物根。枯落叶和植物根的分解对土壤铁、锰、铜、锌的影响存在差异,在分解中期枯落物的分解可以增加土壤铁、锰、铜含量,分解末期枯落物对铁、锰、铜的影响较小;除长芒草叶和混合枯落叶,其他枯落叶和植物根的分解降低了土壤锌含量。混合枯落叶分解对土壤化学养分和中微量元素的影响均表现出不同的非加和作用。(5)整个分解期间,单一枯落叶、混合枯落叶和植物根均明显提高了土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性,在分解中后期枯落物的分解可提高土壤脲酶活性。分解末期(1035d),和空白处理相比,单一枯落叶、混合枯落叶和植物根土壤蔗糖酶分别高出3.38~7.10mg glucose/g/24h、0.95~5.48 mg glucose/g/24h、1.04~2.82 mg glucose/g/24h;土壤碱性磷酸酶分别高出0.62~1.25 mg phonol/g/24h、0.49~1.01 mg phonol/g/24h、0.21~0.51 mg phonol/g/24h。随枯落物分解时间的推移,土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶基本表现为升高降低交替出现的波动特征,土壤脲酶表现出先波动上升后逐步下降的变化特征。不同枯落物类型对土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性的影响均表现出枯落叶植物根。混合枯落叶对三种土壤酶活性均表现出非加和效应,长芒草百里香枯落叶的混合对土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶的影响表现为抑制作用,长芒草铁杆蒿枯落叶的混合则表现为促进作用;枯落叶的混合对土壤脲酶的影响在345 d前为促进作用,在345 d后为抑制作用。(6)枯落叶和植物根的分解改变了土壤细菌群落结构和真菌群落结构。土壤细菌群落主要由放线菌Actinobacteria(38~45%)、变形菌Proteobacteria(16~21%)、绿弯菌Chloroflexi(13~17%)、酸杆菌Acidobacteria(9~18%)、蓝细菌Cyanobacteria(1~12%)组成,真菌群落主要以子囊菌Ascomycota(46~70%)、球囊菌Glomeromycota(11~24%)和担子菌Basidiomycota(13~40%)为主。枯落叶和植物根的分解改变了土壤微生物群落结构,枯落物分解增加了土壤酸杆菌门和绿弯菌门的相对丰度,增加了土壤球囊菌门的相对丰度,降低了土壤担子菌门的相对丰度,长芒草叶和长芒草-百里香混合叶的分解增加了土壤子囊菌门的相对丰度。枯落物分解增加了土壤细菌多样性、真菌多样性及丰富度,不同枯落物类型土壤细菌群落多样性和丰富度均无显著差异,不同枯落物类型土壤真菌群落丰富度表现为植物根单一枯落叶混合枯落叶,真菌群落多样性则表现为植物根枯落叶。(7)通过对枯落物分解特征和土壤性质变化进行相关分析和冗余分析,可知枯落叶和土壤间的氮、钙、镁、铁、铜存在明显的迁移过程,植物根与土壤之间存在氮、磷、钙、镁、铁的迁移过程。枯落叶和植物根的分解对土壤酶活性的影响和土壤有效养分的影响基本一致,受枯落物分解进程和分解特征显著影响。枯落物分解中通过自身基质质量的变化影响土壤有机碳、化学养分等,进而间接影响土壤微生物群落。枯落物分解研究表明,长芒草、铁杆蒿和百里香枯落叶和植物根表现出不同的分解进程和元素释放特征,其分解特征受枯落物基质质量和中微量元素共同控制。枯落叶和植物根的分解对草地土壤的生态涵养是持续进行的,其分解对土壤有机碳、有效养分、中微量元素、酶活性等均有显著的影响,改变了土壤微生物群落,增加了土壤细菌和真菌多样性和丰富度。枯落物分解对土壤微生物的影响主要是通过改变土壤养分等,进而间接改变微生物群落结构。
【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】：2018
【分类号】：S812.2
【图文】：

生态试验,中国科学院,地理位置,分解研究

图 2-1 中国科学院固原生态试验站的地理位置Fig. 2-1 Location of the Guyuan station on the Loess Plateau落物的分解研究区内草地演替中的三种主要植物作为研究对象 Trin., St.B）、铁杆蒿（Artemisia sacrorun Ledeb., Ar.S）., Th.Q）。将三种植物的叶（Leaf，地上部分）和根（。2013 年 9 月末，在研究区内分别采集长芒草、铁杆

模拟试验,样地,长芒草,枯落叶

用破坏式采样法，15 次采样，共 330 个分解小格。表 2-1 试验设计中枯落物处理设置Table 2-1 The litter setting of treatment处理 Treatment 枯落物设置 Litte枯落叶 1 mixed litter 1 长芒草叶(55 %)+百里枯落叶 2 mixed litter 2 长芒草叶(55 %)+铁杆枯落叶 3 mixed litter 3 长芒草叶(75 %)+百里枯落叶 4 mixed litter 4 长芒草叶(75 %)+铁杆草叶 St.B leaf litter 长芒草叶(100蒿叶 Ar.S leaf litter 铁杆蒿叶(100香叶 Th.Q leaf litter 百里香叶(100芒草根 St.B root 长芒草根(100杆蒿根 Ar.S root 铁杆蒿根(100里香根 Th.Q root 百里香根(100空白 CK 无枯落物

质量图,枯落叶,质量,残余

黄土丘陵区草地枯落物分解特征及其对土壤性质的影响4.1.8 枯落物基质质量与残余比例之间的相关性分析枯落叶质量残余比例与枯落叶基质质量之间的Pearson相关性分析结果如图4-16所示。由图可知，枯落叶质量残余比例与枯落叶全碳、纤维性、纤维素/N、木质素/N 之间存在极显著正相关，相关系数分别为 0.84、0.80、0.76 和 0.30；与枯落叶全磷、木质素含量显著正相关，相关系数分别为 0.20 和 0.21；与枯落叶全氮含量的相关性不显著（P>0.05）。枯落叶全碳含量与纤维素含量、纤维素/N 之间存在极显著正相关，相关系数分别为 0.71 和 0.057；与木质素含量之间存在显著正相关，相关系数为 0.20；与木质素/N 相关性不显著（P>0.05）。枯落叶全氮含量与纤维素/N、木质素/N 存在极显著负相关，相关系数分别为-0.34 和-0.60；而与其它基质质量间相关性均不显著（P>0.05）。枯落叶全磷含量与木质素含量、木质素/N 存在极显著负相关，相关系数分别为-0.42 和-0.31；而与纤维素、纤维素/N 相关性不显著（P>0.05）。枯落叶纤维素与纤维素/N 存在极显著正相关

【参考文献】