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北方农牧交错区不同土地利用方式对土壤团聚体和微生物群落的影响

唐士明  
【摘要】:开垦和放牧是我国北方农牧交错区两种主要的土地利用方式,由于长期的不合理利用,使得该区域面临严重的生态问题,当前如何有效地缓解生态恶化是农牧交错区亟待解决的难题。草地开垦和放牧对土壤团聚体、土壤养分和土壤微生物均具有巨大的影响,但目前尚缺乏深入的机理研究及探讨,开垦和放牧条件下土壤团聚体的分布特征尚不清楚,而对于人类扰动情形下土壤团聚体稳定性与土壤微生物群落的关系也有待于进一步研究。我们于2015-2016年在我国北方农牧交错区通过草地开垦和放牧试验,研究了土地利用方式对土壤团聚体和微生物群落的影响。开垦试验选取了我国北方农牧交错区三个不同县域(沽源,康保,化德),采用草地农田配对试验设计取样分析;放牧试验选取沽源国家野外站长期不同放牧方式(围封:UG;冬季放牧:WG;过度放牧:OG)观测平台进行研究;在此基础上,进一步对不同土地利用方式(围封:UG;农田:Cropland;过度放牧:OG)对土壤特征的影响进行了比较研究。借助t检验、方差分析、回归分析、主成分分析和结构方程模型等经典统计方法,研究了土壤团聚体稳定性和土壤微生物群落结构的变化对开垦和放牧响应机制。主要结果如下:(1)草地土壤含水量和电导率显著高于农田,而草地和农田土壤pH在不同取样地点(沽源县、康保县、化德县)未表现出一致的变化规律。与草地相比,农田土壤中1 mm团聚体比例显著降低,而1 mm团聚体比例呈现增加趋势。土地利用方式和土层深度对土壤团聚体重量平均直径(MWD)存在显著影响(P0.05),但取样地点、土层深度和利用方式二者或三者之间对MWD不存在互作效应(P0.05)。(2)农田土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)含量显著低于草地(P0.05),但土壤碳氮比(C:N ratio)无显著差异,说明开垦造成的土壤碳氮流失可能是同步的。开垦显著降低了草地土壤微生物生物量,降低了表层0-10 cm 土壤细菌、真菌相对丰富度和真菌细菌比。结构方程模型分析表明土壤养分和水分含量对土壤微生物群落具有直接影响,土壤团聚体和pH可通过影响土壤养分对其产生间接影响。这些结果表明长期开垦对土壤理化性质的影响很可能造成农牧交错区生态系统土壤功能衰退,影响该区域生态系统功能。(3)过度放牧显著降低了植被地上/地下生物量、枯落物量、土壤含水量和1 mm的团聚体百分含量(P0.05),但显著增加了土壤容重(P0.05)。过度放牧显著降低了土壤团聚体重量平均直径,尤其在0-10 cm和10-20 cm 土层减少更加显著。土壤团聚体稳定性与土壤水分(R2=0.47,P0.0001)、细菌(R2=0.18,P0.05)和丛枝菌根真菌(R2=0.29,P0.01)具有显著的正相关关系。(4)冬季放牧显著增加了土壤碳氮含量、微生物生物量及其碳氮含量,但过度放牧显著降低了土壤碳氮含量、微生物生物量及其碳氮含量(P0.05)。过度放牧显著增加了土壤真菌微生物生物量,而总微生物生物量、革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、放线菌和丛枝菌根真菌微生物生物量均显著低于围封和冬季放牧样地。此外,放牧增加了土壤真菌细菌比(F:B ratio),但降低了革兰氏阳性菌阴性菌比(Gram+/Gram-ratio)。结构方程模型分析表明土壤容重和养分对土壤微生物群落结构具有直接影响,而土壤团聚体、土壤含水量和pH对其具有间接影响。(5)开垦和放牧均改变了土壤团聚体不同团粒组分分布,降低了土壤团聚体的稳定性。与围封样地相比,过度放牧样地和农田土壤团聚体重量平均直径显著降低,0-10 cm 土层0.25 mm土壤团聚体含量显著降低。开垦和过度放牧均会造成表层土壤含水量降低、养分流失、微生物生物量降低、微生物群落结构改变。相对于过度放牧而言,开垦对土壤的破坏更加严重。农田土壤团聚体稳定性、含水量、养分以及微生物生物量等土壤因子均显著低于围封和过度放牧草地。


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