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《宁夏大学》 2016年
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沙漠化对草地植物群落演替及土壤有机碳稳定性的影响

吴旭东  
【摘要】:草地生态系统碳循环在全球陆地生态系统碳循环过程中具有极其重要的作用,土壤有机碳库也在草地生态系统碳循环中扮演着重要的角色,其稳定性影响着土壤有机碳的循环和周转,也是草地生态系统功能改变的一个重要指征。因此,研究草地沙漠化过程中土壤有机碳稳定性的动态变化过程,可以为退化草地提出科学的恢复措施。本研究选取了荒漠草原区具有代表性的不同沙漠化阶段的草地及灌丛化草地,于2015年8月,以土壤沙化程度为草地沙漠化阶段的分类标准,以典型灰钙土草地-针茅群落为对照,在研究区选择了沙化灰钙土草地、固定沙地、半固定沙地、半流动沙地和流动沙地,形成不同梯度的沙漠化草地研究序列;同时选择了以柠条为建群种的沙化灰钙土灌丛化草地(丘间低地)、固定沙地、半固定沙地和流动沙地,形成不同沙化梯度的灌丛化草地研究序列。以沙漠化草地垂直剖面土壤及灌丛化草地表层土壤为研究对象,通过野外调查采样和室内分析,建立了沙漠化草地植被演替序列,研究了沙漠化草地及灌丛化草地土壤有机碳组分及有机碳的矿化特征,揭示了沙漠化草地及灌丛化草地土壤有机碳稳定性变化特征,明确了沙漠化草地及灌丛化草地土壤有机碳稳定性与土壤性状及草地群落间的相关性,为准确判断荒漠草原区草地沙漠化强度和沙漠化过程提供科学依据。主要得出以下结论:1.研究区沙漠化草地土壤颗粒组成以50~250μm粒级的细沙粒为主,从典型灰钙土草地到流动沙地,各土层沙粒百分比及土壤容重逐渐增大,土壤黏粉粒百分比、分形维数、土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷及表层土壤酶活性逐渐减小。固定沙地是土壤肥力水平和土壤质地发生逆转的敏感阶段,该阶段是土壤质地粗粒化的阈限,土壤遭遇风蚀的风险增大,土壤物理稳定性逐渐丧失。2.从典型灰钙土草地到流动沙地,草地植物群落物种丰富度先增加后减少,优势种更替明显;各沙漠化阶段存在不同的生活型物种;物种多样性在固定沙地出现峰值;群落生态优势度则在固定沙地最低;群落均匀度先减小后增大;距离比较近的群落间的相似度较高;一年生草本植物优势度与黏粒组分、粉粒组分及土壤颗粒分形维数呈显著负相关(P0.05);豆科植物优势度与粉粒组分、颗粒分形维数、全氮和全磷间呈显著正相关(P0.05);物种多样性同粉粒组分极显著正相关(P0.01),与全氮和全磷呈显著正相关(P0.05),0.002-0.05μm颗粒组分与土壤颗粒分形维数、土壤全氮和全磷呈极显著正相关(P0.01)。严重沙漠化草地群落演替类型为:从赖草+针茅,猪毛蒿+胡枝子,白草+苦豆子,狗尾草,白草到老瓜头群落。3.从典型灰钙土草地到流动沙地,土壤易氧化有机碳(LOC)及土壤颗粒有机碳(POC)呈逐渐下降,表层土壤POC在沙漠化序列上具有显著性差异(P0.05);LOC、POC、LOC/SOC与POC/SOC均在土壤垂直层次上由渐变性分布逐渐演变为均匀性分布:土壤有机碳稳定性随草地沙漠化加剧和土层深度增加而逐渐降低。各沙漠化阶段发育中期灌丛斑块SOC、POC、LOC和POC/SOC极显著大于草地斑块(P0.01),各斑块SOC、POC、LOC、LOC/SOC与POC/SOC均在固定沙地灌丛内外出现峰值;各沙漠化阶段不同发育期的LOC/SOC在草地斑块和灌丛斑块间差异性不显著(P0.01)。发育中期灌丛地土壤有机碳组分与土壤颗粒组分间没有相关性,土壤黏、粉粒对该区域土壤有机碳组分贡献不大。4.各沙漠化阶段沙地土壤有机碳日矿化率及累计矿化量均经历了快速矿化、缓慢矿化和基本稳定3个阶段;在草地沙漠化序列上,典型灰钙土、沙质灰钙土及固定沙地各土层土壤有机碳日均矿化速率及累计矿化量高于其它阶段,而有机碳矿化率低于其它阶段,固定沙地矿化率最低;在土层垂直方向上,土壤有机碳日矿化率及累计矿化量逐渐降低,典型灰钙土草地、沙质灰钙土草地及固定沙地阶段,表层土壤有机碳矿化率低于下层土壤,在半固定沙地、半流动沙地及流动沙地阶段,表层土壤有机碳矿化率大于下层土壤;有机碳矿化率同土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶均呈极显著负相关关系(P0.01),与蔗糖酶显著负相关(P0.05);有机碳累矿化量同土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性和磷酸酶活性均表现出极显著正相关(P0.01),与脲酶相关性最高。LOC/SOC及POC/SOC同有机碳矿化率均呈极显著负相关关系(P0.01),与有机碳累矿化量均呈极显著正相关关系(P0.01),其中POC和LOC/SOC与有机碳矿化率和有机碳累矿化量相关性最高;有机碳矿化率和有机碳累矿化量分别与土壤容重呈极显著正相关关系(P0.01)和呈极显著负相关关系(P0.01)。土壤全氮、全磷及有机碳含量越高,土壤有机碳矿化累积量越多;土壤黏粉粒越高、土壤颗粒分形维数越低,有机碳矿化累积量越大。5.各沙漠化阶段灌丛化草地灌丛斑块土壤有机碳日矿化速率及累积矿化量均高于对应的草地斑块:在34d的培养过程中,土壤有机碳日矿化速率及累积矿化量均经历了快速矿化、缓慢矿化和基本稳定3个阶段;在灌丛水平方向上,土壤有机碳日矿化速率逐渐降低,在退化梯度上,灌丛斑块与草地斑块土壤有机碳日矿化速率均在固定沙地出现转折;从沙化灰钙土灌丛化草地到流动沙地,灌丛斑块土壤有机碳矿化率分别为4.976%、6.709%、13.725%和10.174%;草地斑块分别为4.187%、7.876%、8.043%和7.865%;固定沙地有机碳矿化率在斑块间表现为:草地斑块灌丛斑块;沙化灰钙土灌丛化草地、半固定沙地及流动沙地在斑块间均表现为:灌丛斑块草地斑块。
【学位授予单位】:宁夏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S812

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