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开垦、黄帚橐吾蔓延和禁牧对高寒草甸土壤碳氮过程的影响

史小明  
【摘要】:农耕和畜牧是人类利用草地的主要方式。然而,大面积开垦耕种和过度放牧破坏了整个草地生态系统的平衡。高寒草甸是青藏高原上分布的主要草地类型,低气温、强辐射、生长季短等严酷的自然环境使得高寒草甸生态系统非常脆弱。在青藏高原东部地区,长期开垦耕种和过度放牧导致高寒草甸土壤退化,毒草蔓延,而封育禁牧措施在退化草地的恢复和重建过程中被广泛采用。本论文通过三个野外调查实验,研究了开垦耕种、黄帚橐吾蔓延和封育禁牧对青藏高原高寒草甸土壤碳氮过程的影响。 1.以青藏高原东缘不同耕种年限的土壤为对象,研究了开垦耕种对其有机碳和全氮动态的影响。结果表明:(1)土壤有机碳、全氮总量都随着耕种年限的增加而下降。相对于对照草地,耕种12年的土壤有机碳、全氮含量分别下降了10.8%和11.3%;而在耕种50年的土壤中,分别下降了24.3%和26.3%。(2)土壤有机质各组分均随耕种年限的增加而下降,但下降速度各不相同,游离态轻组和包裹态颗粒组有机质在耕种前期下降速度较快,而矿物结合态有机质的下降速度较为恒定。相对于对照草地,耕种12年的土壤游离态轻组和包裹态颗粒组有机碳分别下降了40.8%和14%,而在耕种50年的土壤中,游离态轻组和包裹态颗粒有机碳分别下降了61.2%和37.2%;矿物结合态有机碳在耕种50年的土壤中下降了11.4%。(3)耕作活动使土壤团聚体结构遭到破坏。在对照草地土壤中1mm的团聚体占43%,而在耕种了12年和50年的土壤中1mm的团聚体分别只占16%、7%。(4)土壤有机碳、全氮下降和1mm的土壤团聚体的破坏显著相关,说明耕作导致的土壤团聚体结构的破坏使得包裹在其内部的有机质暴露,加快了有机质的分解速率,最终导致土壤有机碳、全氮含量下降。 2.黄帚橐吾是近几十年来青藏高原高寒草甸广泛蔓延的一种毒草,甚至在一些过度放牧的地区成为了优势种。我们对比了黄帚橐吾根区土壤和本底草地土壤的生物、化学属性差异。我们发现:(1)黄帚橐吾根区表层(0-8cm)土壤中的根生物量、碳水化合物、微生物量都显著高于本底草地土壤的。(2)黄帚橐吾促进了表层(0-8cm)土壤中有机碳和氮的矿化。(3)黄帚橐吾根区表层(0-8cm)土壤中的脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶活性显著高于本底草地土壤的。综上所述,黄帚橐吾改变了土壤生物、化学属性,使其更有利于黄帚橐吾生长,加速了黄帚橐吾在高寒草甸上的扩散。 3.以过度放牧的高寒草甸为对象,对比了封育禁牧6年、8年后,封育草地土壤与常年放牧草地土壤性质的差异。结果表明:封育禁牧8年没有对土壤总有机碳,全氮含量产生显著影响。即使较为活跃的轻组有机碳、氮和碳水化合物碳也未发生显著变化。封育禁牧草甸植被地上生物量(现存量)显著高于放牧草甸,然而,封育禁牧草甸植被地下生物量却显著低于放牧草甸。封育禁牧8年后土壤微生物量碳、氮,以及土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶活性均未发生显著变化。高寒草甸土壤过程是一个比较复杂的过程,封育禁牧并不一定导致高寒草甸土壤碳、氮含量的变化。


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