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《西北农林科技大学》 2009年
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黄土高原子午岭地区土壤质量对植被恢复过程的响应

吕春花  
【摘要】:土壤质量与植被自然恢复过程关系的研究对生态建设与环境效应评价有重要的科学价值。本论文以子午岭地区植被自然恢复过程中不同演替阶段植物群落及其对应的土壤性质变化为研究对象,通过收集历史资料、野外调查、种子萌发试验和室内分析相结合,研究近150年子午岭地区植被自然恢复演替过程特征及土壤种子库特征,分析土壤物理、化学和生物学性质对植被自然恢复过程的响应,界定表征土壤质量的关键指标,建立植被自然恢复下土壤质量评价指标体系,揭示环境因子对植被演替的影响。主要结论如下: (1)植被自然恢复中群落演替过程特征:子午岭地区植被自然恢复过程中,植物群落演替序列为猪毛蒿群落(1-5a)→白茅群落(5-10a)→赖草+芦苇群落(10-15a)→白羊草+苔草群落(15-20a)→沙棘+杠柳群落(20-30a)→狼牙刺+栒子群落(30-50a)→茶条槭群落(50-60a)。此后受地形和土壤水分影响,在水分条件较好的墚坡,植物演替为白桦+山杨群落(60-100a)→辽东栎顶级群落(100-150a),完成正向演替过程;而在水分条件较差的阳坡,植物演替为侧柏偏途顶级群落。地上植被的物种数是土壤种子库物种数的2.4倍;地上植被与土壤种子库的相似系数变化于0.071-0.296之间。在植被恢复演替过程中草本层与灌木层物种多样性指数均表现为抛物线变化规律,土壤种子库多样性指数变化趋势与地上植被一致,且与植被恢复年限呈显著正相关关系。 (2)土壤物理性质对植被恢复过程的响应:土壤孔隙度、田间持水量和土壤团聚体稳定性随植被恢复年限增加呈上升趋势。土壤团粒分形维数(D)随植被恢复年限增加呈降低趋势,其与0.2mm土壤水稳性团粒含量及MWD呈极显著负相关。Le Bissonnais慢速湿润(SW)团聚体分析方法中的部分大团聚体通过崩解作用转化为小粒径水稳性团聚体,且随植被恢复年限增加崩解作用减弱,表明土壤团聚体稳定性随植被恢复年限的增加而增强。 (3)土壤化学性质对植被恢复过程的响应:土壤有机质、全氮、碱解氮含量随植被恢复年限增加而增加,其在土壤剖面上表现为0-5 cm5-10 cm10-20 cm,植被对其影响在0-5cm土层最为敏感。相同生活型植被由低级向高级演替过程中,土壤有机质、全氮、碱解氮含量随植被恢复年限增加而递增;不同生活型植被演替阶段中,即当草本群落向灌木群落演替或者由灌木群落向乔木群落演替过程中,土壤有机质、全氮、碱解氮含量呈现波动变化。土壤速效磷含量在植被恢复过程中呈现波动变化,以植被恢复60 a茶条槭林地土壤速效磷含量最高。土壤C/N比变化范围8.47-12.80。 (4)土壤生物学性质对植被恢复过程的响应:碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性总体上随植被恢复年限增加而呈增加趋势;植被恢复75 a白桦林地的各种酶活性均较低。微生物活菌数和微生物量碳、氮、磷较对照裸露地有不同程度的增加,且在土壤剖面上的排序为0-5 cm5-10 cm10-20 cm。细菌、真菌、放线菌活菌数在土壤中大致数量级依次为106、102、105,真菌相对敏感,放线菌数量基本稳定。微生物熵总体上在不同年限、土壤剖面分布差异不明显。土壤酶活性(蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性)、微生物量(细菌、真菌数量、微生物总数)、微生物量碳、氮、磷和呼吸速率与各项土壤化学性质之间呈极显著或显著的相关关系。 (5)土壤质量评价:应用主成分分析和因子分析,筛选了适用于子午岭地区植被恢复过程中土壤质量评价指标,分别为土壤密度、MWD、有机质、速效磷、碱性磷酸酶、真菌、微生物量碳、呼吸熵。其中,有机质、真菌和呼吸熵是表征子午岭地区土壤质量的关键指标。土壤质量综合指数SQI,随植被恢复年限增加总体呈增加趋势,且0-5cm土层SQI与植被恢复年限极显著相关。根据植被演替阶段大致可将土壤质量演变分为三个阶段:植被恢复初期(1-20 a)的草本群落演替至后期白羊草群落,SQI变化范围为0.2420-0.3452,年增长率为1.26%,土壤质量处于慢速积累阶段;植被恢复中期(20-60 a)的草本群落向灌木群落演替、且有乔木侵入阶段,SQI变化范围为0.4968-0.4970,年增长率为0.16 %,土壤质量处于相对稳定阶段;植被恢复后期(60-150 a)的乔木群落演替顶级辽东栎群落,SQI变化范围为0.5613-0.7612,年增加率为0.22 %,土壤质量慢速增加阶段。 (6)环境因子对植被恢复的影响:利用典范对应分析(CCA)和偏典范对应分析(PCCA)分析了植被与环境因子的关系,子午岭地区环境因子对于植被演替的影响排序为地形土壤质量种子库植被恢复年限,地形和土壤质量是影响植被演替的关键因子。土壤MWD、有机质和碱解氮含量、碱性磷酸酶和脲酶活性是影响植被演替的主要土壤质量因子。
【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】:2009
【分类号】:S158.3

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