黄土高原半干旱丘陵区生态恢复中植被与土壤质量演变关系

【摘要】： 黄土高原半干旱丘陵区是我国生态环境破坏最严重的区域之一，严重的水土流失、植被破坏，以及近年频繁的干旱、风沙等自然灾害使得黄土高原半干旱地区生态系统变得更加脆弱。这不仅威胁到该区域自身的可持续发展，而且也影响到周边地区乃至东部地区的可持续发展，而土壤质量的恢复与保育是植被建设及生态环境可持续发展的关键之一。本研究针对土壤学与生态学研究的前沿性科学问题和黄土高原生态环境建设的需求，对黄土高原半干旱丘陵典型地区(兰州丘陵区)不同植被恢复措施、年限及其不同植被演替阶段的土壤质量进行了系统的研究，探索在植被恢复过程中植被变化与土壤质量的演变规律，研究不同植被恢复措施下植被变化特征，并采用多重比较，相关分析与主成分分析等手段，对土壤物理化学指标，生物学指标以及生物化学指标进行了定量研究，解析它们之间的相互关系以及与植被生长年限的关系，讨论植被生长年限对土壤肥力质量的影响，为黄土高原生态恢复与重建提供科学依据。主要研究结论如下： 1．不同种植年限紫花苜蓿草地植被与土壤质量演变关系： (1)沿着紫花苜蓿生长时间梯度，3—5年苜蓿草地生产力处于快速增长阶段，9年苜蓿草地生产力处于比较稳定阶段，有最高的产量406克干草／m~(-2)，9年以后草地生产力开始下降。植被盖度和植株高度也表现出相似变化的趋势，最大值分别为85.5％和52.8cm。21—25年苜蓿草地，紫花苜蓿严重衰退，苜蓿产量显著降低，盖度和植株高度也大幅下降。苜蓿草地物种丰富度随着苜蓿生长时间梯度持续增加，在种植25年的苜蓿草地有相对较大的物种丰富度，物种数为22。 (2)在0-60cm紫花苜蓿草地土壤剖面上，土壤有机碳，全氮和速效磷含量在种植3年至9年期间持续下降，分别达到最低值7.95gkg~(-1)，1.20gkg~(-1)和7.12mgkg~(-1)，种植15年至25年期间，它们逐渐增大，呈恢复趋势。土壤pH值随种植年限递增逐渐减小，在25年苜蓿草地0-20cm土层中降低到7.78。土壤生物学指标MBC，MBN和土壤基础呼吸值在种植3—9年期间逐渐下降，在9年苜蓿草地中达到最低值，0—20cm土层最小值分别为88.5.0μgCg~(-1)，16.3μgNg~(-1)，0.356 CO_2-Cμgg~(-1)h~(-1)(春季)。9年之后这三个指标随时间梯度逐渐增大，在种植25年草地土壤中达到最大。0-20cm土层最大值分别为254.6.0μgCg~(-1)，52.2μgNg~(-1)，0.55 CO_2-Cμgg~(-1)h~(-1)(秋季)。呼吸商表现出和微生物生物量变化相反的趋势，在25年草地中有最小值2.25μg CO_2-Ckg~(-1)MBC h~(-1)(秋季)，在9年草地中有最大值4.02μg CO_2-Ckg~(-1)MBC h~(-1)(春季)。土壤水解酶活性(脲酶，转化酶，中性磷酸酶和纤维素分解酶)在3—9年草地中随种植年限延长逐渐减小，9年之后水解酶活性随种植年限梯度逐渐增大。过氧化氢酶活性变化类似于水解酶，而多酚氧化酶活性在3—9年苜蓿草地中逐渐增加，在9—25年持续下降。 (3)不同种植年限紫花苜蓿草地土壤中有机碳与种植年限呈正相关(r=0.648)，而全氮与种植年限呈显著正相关(r=0.801~*)，土壤速效磷与种植年限呈负相关(r=-0.033)。土壤有机碳和全氮与土壤脲酶活性(r=0.952~(**)，r=0.854~*)，转化酶活性(r=0.95~(**)，r=0.89~*)，过氧化氢酶活性(r=0.846~*，r=0.868~*)，中性磷酸酶活性(r=0.958~(**)，r=0.843~*)呈显著正相关，而与多酚氧化酶活性呈显著负相关(r=0.944~(**)，r=-0.905~*)。MBC和MBN都与土壤有机碳(r=0.875~*，r=0.916~*)，全氮(r=0.904~*，r=0.892~*)，土壤基础呼吸(r=-0.985~(**)，r=967~(**))都呈显著正相关，与苜蓿种植年限呈正相关(r=0.615，r=0.694)。 2．不同年限撂荒地植被与土壤质量演变关系： (1)撂荒地演替初期(2—7年)，植物类群以一年生以及两生年的植物为主，优势植物为狗尾草(Setaria viridis L．)，虫实(Corispermum declinatum Steph.ex Stev.var.tylocarpum(Hance)Tsien et C.G.Ma.)和香薷(Elsholtzia ciliate(Thunb.)Hyland)；在7年11年期间，多年生的植物(如赖草(Leymus secalinus(Georgi)Tzvel.)，阿尔泰紫菀(Heteropappus altaicus(Willd.)Novopokr)和披针叶黄花(Thermopsis lanceolata)等)逐渐成为撂荒地的优势种；11—20年中，冷蒿(Artemisia frigida Willd.)取代披针叶黄花成为新的优势种之一；20—43年撂荒地中优势种是短花针茅(Stipa breviflora Griseb.)，长芒草(Stipa bungeana Trin.)和赖草，撂荒地演替到达一个相对较高的阶段；发展为稳定的天然草地以后，长芒草和铁杆蒿(Artemisia gmelinii Web. ex slechm.)成为优势种群。撂荒地植被盖度随撂荒年限延长逐渐增大，2年撂荒地植被盖度了20％，20年撂荒地植被盖度为50％，43年撂荒地植被盖度为55％，已经接近天然草地的60％盖度。 (2)撂荒地土壤有机碳在撂荒地演替时间梯度上呈现持续增加的趋势(p＜0.05)。土壤中全氮，速效氮含量随撂荒年限的增加显著降低(p＜0.05)(2—20年)，然而在撂荒地演替后期(20—43年)，随撂荒年限增加而增加。不同撂荒年限撂荒地土壤中MBC差异显著(p＜0.05)。沿着时间梯度，2—7年撂荒地中MBC在呈现逐渐减小的趋势，当撂荒超过7年，MBC开始逐渐增加，在撂荒43年草地和天然草地中MBC比较大。MBN在撂荒2年到11年没有明显的规律，当撂荒时间超过11年，沿着演替时间梯度呈现持续增加的趋势。20—43年撂荒地MBC／SOC比值要高于2—20年撂荒地。MBC／MBN变化趋势和MBC／SOC相似。基础呼吸在撂荒地演替的时间梯度表现出显著的差异(p＜0.05)，值随着撂荒年限的增加逐渐增大，呼吸商变化趋势刚好相反，其变化范围在5.78—9.92mg CO_2-C(g MBC)~(-1)h~(-1)之间。撂荒地土壤生物化学性质随撂荒时间延长，脲酶活性、过氧化氢酶活性、转化酶活性，中性磷酸酶活性以及纤维素分解酶活性随着撂荒年限的增加而逐渐增大(p＜0.05)，而多酚氧化酶活性在演替时间剃度上规律性不明显。 相关分析显示结果显示，0-20cm土层撂荒地土壤MBC同SOC和全氮呈现著正相关(相关系数分别为r=0.988~(**)和r=0.937~(**))，同pH值呈显著负相关(r=-0.935~(**))。MBN同SOC(r=0.98~(**))和全氮(r=0.934~(**))也呈显著正相关。6种土壤酶活性和SOC(r≥0.216，p≤0.041)，全氮(r≥0.304，p≤0.004)，MBC，MBN(r≥0.235，p≤0.026)都显著正相关。 3．不同种植年限人工灌木林地植被与土壤质量演变关系： 除种植2年的柠条林地外，在其他的灌木林地中，随着柠条种植年限延长，土壤容和pH值逐渐减小，有机碳和全氮含量随种植年限的增加呈持续增加趋势(p＜0.05)。土壤速效氮(NH_4~+ -N和NO_3~- -N)变化趋势类似于有机碳和全氮。不同年限人工灌木林地土壤中微生物活性指标MBC，MBN，MBC／MBN和MBC／SOC随柠条生长年限延长显著增加(p＜0.05)。基础呼吸随柠条生长年限的增加而显著增加，随土壤深度的增加而降低。呼吸商和基础呼吸表现出完全相反的变化趋势。脲酶活性，过氧化氢酶活性，转化酶活性，中性磷酸酶活性以及纤维素分解酶活性住柠条生长时间梯度上也随柠条生长年限延长而增大。灌丛下和行间土壤质量比较表明灌丛下土壤质量明显高于行间，柠条灌丛具有明显的“肥岛效应”。 4．在三种植被恢复方式中，土壤生物学活性都随取样季节表现出一定的差异，土壤中大部分微生物活性指标都表现出夏季和秋季相对较高，而春季较低的现象。土壤剖面上，微生物活性指标也表现出较为一致的结论，即上层土壤中微生物活性显著高于下层土壤，说明微生物主要集中在上层土壤。土壤水分研究表明，三种植被恢复类型在时间梯度上表现出较为一致的结论，即随植被生长或撂荒年限延长土壤含水量都呈现降低的趋势，但撂荒地降低程度较小。 5．三种植被恢复方式下土壤质量变化比较结果表明：相对较短的时期内(＜15年)，人工灌木林地和撂荒地对土壤质量的恢复要明显好于紫花苜蓿草地，灌木林地和撂荒地对土壤有机碳、全氮、微生物活性和土壤酶活性积累速率多为正值，而紫花苜蓿草地对这些质量指标积累速率大多为负值，很显然是对土壤物质消耗，加重了土壤质量的恶化。因此撂荒和发展人工灌木林更有利于生态环境和土壤质量恢复，人工草地在植被恢复过程中则应该加强管理，防止由于草地利用导致土壤质量严重退化。

【关键词】：黄土高原半干旱区 生态恢复 植被恢复 土壤质量演变 土壤理化性质 土壤微生物活性 土壤酶活性
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S154.4
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