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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2020年
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禁牧对半干旱草原土壤团聚体稳定性及微生物特征的影响

鞠文亮  
【摘要】:围封禁牧以促进自然演替的方式是半干旱区草地土壤退化恢复有效方法,但是,应用不当的禁牧管理会对草地生态系统造成负面影响。对禁牧尤其是相对长期禁牧下土壤生物地球化学过程的系统认识不仅可以提高土壤生态功能,还可以提高草地生产力。团聚体作为土壤结构的基本组成,不仅为微生物生存提供赖以生存的栖息地,其稳定性也决定土壤生产力。目前,相对长期禁牧的草地土壤团聚体中生态功能的演变过程及其机制还缺乏系统的研究。本研究以黄土高原半干旱草地土壤为研究对象,分别对风干和新鲜土壤进行团聚体分级,分析了在不同禁牧年限0(GE0)、11(GE11)、26(GE26)和36年(GE36)下草地土壤团聚体水稳定性和土壤团聚体中养分含量、微生物活性与多样性的变化,阐明了土壤结构稳定性、土壤团聚体养分循环和微生物群落演替随禁牧年限的变化过程及驱动机制,为禁牧区草地土壤团聚体管理提供了理论依据。主要结果如下:(1)相对于26年的中期禁牧而言,11年的短期和36年的长期禁牧更有利于土壤团聚体的水稳定性。禁牧区草地土壤团聚体水稳定性指数MWD(平均重量直径)和GMD(几何平均直径)由大到小为:GE11GE36/GE0GE26;土壤团聚体R_(0.25)值(0.25 mm的水稳定性团聚体比重)在禁牧处理中增加了1.4~23.3%,表明禁牧促进土壤团聚体粒级由微团聚体(0.25 mm)向大团聚体(0.25 mm)转变;稳定性化合物羧基-碳和黏土矿物分别在GE11和GE36处理中有较多积累;养分计量比和球囊霉素计量比对土壤团聚体水稳定性的影响大于养分和球囊霉素含量。(2)中期禁牧(26年)更有利于新鲜土壤团聚体中养分积累,且养分主要分布在0.25~2 mm的粒级中。随着禁牧年限的增加,土壤团聚体中有机碳、总氮、微生物生物量的含量和胞外酶活性呈现先升高后下降的趋势,而且这些指标的最高值出现在GE26处理而不是GE36,表明36年的长期禁牧可能对草地土壤团聚体中生态功能产生不利影响;土壤团聚体中较高的养分、胞外酶活性和微生物生物量主要分布在0.25~2 mm的粒级中,较低的养分和微生物生物量主要分布在2 mm的粒级中,较低的胞外酶活性主要分布在0.25 mm的粒级中。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)和方差分解分析(VPA)表明土壤特性(pH、水分)、胞外酶活性(β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶)和微生物生物量(微生物生物量碳、氮和磷)之间的相互作用控制土壤团聚体的养分(C、N、P)循环,且土壤特性和微生物生物量对养分循环的贡献大于胞外酶活性。(3)禁牧可以改变土壤团聚体中细菌和真菌群落组成和alpha-多样性(丰富度和多样性指数)。禁牧增加了土壤团聚体中嗜营养型细菌Proteobacteria的丰度,减少了适合在极端环境生存的细菌Actinobacteria和Chloroflexi的丰度;随着禁牧年限的增加,作为有机质主要分解者的真菌,Ascomycota的丰度先增加后减少,Basidiomycota的变化趋势与之相反;禁牧对微生物群落丰富度指数(ACE、Chao1)的影响效果大于多样性指数(Shannon、Simpson),且微生物alpha-多样性在0.25~2 mm的粒级中较高。禁牧和团聚体分级都会对土壤微生物群落结构产生影响,且团聚体分级对细菌群落的影响大于真菌群落;土壤0.25 mm的粒级中微生物群落结构相对比较稳定,且0.25~2 mm的粒级中微生物之间存在较强的竞争、制约关系;微生物群落多样性促进了团聚体中养分的循环和积累,同时养分等环境因子也驱动了微生物群落的演替进程。
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