黃土高原半干旱丘陵區(qū)生態(tài)恢復中植被與土壤質量演變關系.pdf

1、黃土高原半干旱丘陵區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境破壞最嚴重的區(qū)域之一，嚴重的水土流失、植被破壞，以及近年頻繁的干旱、風沙等自然災害使得黃土高原半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變得更加脆弱。這不僅威脅到該區(qū)域自身的可持續(xù)發(fā)展，而且也影響到周邊地區(qū)乃至東部地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，而土壤質量的恢復與保育是植被建設及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。本研究針對土壤學與生態(tài)學研究的前沿性科學問題和黃土高原生態(tài)環(huán)境建設的需求，對黃土高原半干旱丘陵典型地區(qū)(蘭州丘陵區(qū))不同植被恢復措施、

2、年限及其不同植被演替階段的土壤質量進行了系統(tǒng)的研究，探索在植被恢復過程中植被變化與土壤質量的演變規(guī)律，研究不同植被恢復措施下植被變化特征，并采用多重比較，相關分析與主成分分析等手段，對土壤物理化學指標，生物學指標以及生物化學指標進行了定量研究，解析它們之間的相互關系以及與植被生長年限的關系，討論植被生．長年限對土壤肥力質量的影響，為黃土高原生態(tài)恢復與重建提供科學依據。主要研究結論如下： 1．不同種植年限紫花苜蓿草地植被與土壤質

3、量演變關系： (1)沿著紫花苜蓿生長時間梯度，3-5年苜蓿草地生產力處于快速增長階段,9年苜蓿草地生產力處于比較穩(wěn)定階段，有最高的產量406克干草/m<'-2>，9年以后草地生產力開始下降。植被蓋度和植株高度也表現(xiàn)出相似變化的趨勢，最大值分別為85.5％和52.8cm。21-25年苜蓿草地，紫花苜蓿嚴重衰退，苜蓿產量顯著降低，蓋度和植株高度也大幅下降。苜蓿草地物種豐富度隨著苜蓿生長時間梯度持續(xù)增加，在種植25年的苜蓿草地有相對

4、較大的物種豐富度，物種數(shù)為22。 (2)在0-60cm紫花苜蓿草地七壤剖面上，土壤有機碳，全氮和速效磷含量在種植3年至9年期間持續(xù)下降，分別達到最低值7.95 g kg<'-1>，1.20 g kg<'-1>和7.12 mg kg<'-1>，種植15年至25年期間，它們逐漸增大，呈恢復趨勢。土壤pH值隨種植年限遞增逐漸減小，在25年苜蓿草地0-20cm土層中降低到7.78。土壤生物學指標MBC，MBN和土壤基礎呼吸值在種植3-

5、9年期間逐漸下降，在9年苜蓿草地中達到最低值，0-20cm土層最小值分別為88.5.0μg C g<'-1>，16.3μg N g<'-1>，0.356 CO<,2>-C μg g<'-1>h<'-1>(春季)。9年之后這三個指標隨時間梯度逐漸增大，在種植25年草地土壤中達到最大。0-20cm土層最大值分別為254.6.0μg c g<'-1>，52.2μg N g<'-1>，0.55 CO<<2>-C μgg<'-1>h<'-1>(秋

6、季)。呼吸商表現(xiàn)出和微生物生物量變化相反的趨勢，在25年草地中有最小值2.25μg CO<,2>-C kg<'-1>MBC h<'-1>(秋季)，在9年草地中有最大值4.02μg CO<,2>-C kg<'-1>MBC h<'-1>(春季)。土壤水解酶活性(脲酶，轉化酶，中性磷酸酶和纖維素分解酶)在3-9年草地中隨種植年限延長逐漸減小，9年之后水解酶活性隨種植年限梯度逐漸增大。過氧化氫酶活性變化類似于水解酶，而多酚氧化酶活性在3-9年苜

7、蓿草地中逐漸增加，在9-25年持續(xù)下降。 (3)不同種植年限紫花苜蓿草地土壤中有機碳與種植年限呈正相關(r=0.648)，而全氮與種植年限呈顯著正相關(r=0.801*)，土壤速效磷與種植年限呈負相關(r=0.033)。土壤有機碳和全氮與土壤脲酶活性(r=0.952**，r=0.854*)，轉化酶活性(r=0.95**,r=0.89*)，過氧化氫酶活性(r=0.846*，r=0.868*)，中性磷酸酶活性(r=0.958**，

8、r=0.843*)呈顯著正相關，而與多酚氧化酶活性呈顯著負相關(r=-0.944**，r=-0.905*)。MBC和MBN都與土壤有機碳(r=0.875*，r=0.916*)，全氮(r=0.904*，r=0.892*)，土壤基礎呼吸(r=0.985**，r=967**)都呈顯著正相關，與苜蓿種植年限呈正相關(r=0.615，r=0.694)。 2．不同年限撂荒地植被與土壤質量演變關系： (1)撂荒地演替初期(2-7年

9、)，植物類群以一年生以及兩生年的植物為主，優(yōu)勢植物為狗尾草(Setaria viridis L．)，蟲實(Corispermum declinatum Steph．ex Stev．var．tylocarpum(Hance)Tsien et C．G．Ma．)和香薷(Elsholtzia ciliate(Thunb．)Hyland)：在7年11年期間，多年生的植物(如賴草(Leymus secalinus(Georgi)Tzvel．)，阿爾

10、泰紫菀(Heteropappus altaicus(Willd.) Novopokr)和披針葉黃花(Thermopsis lanceolata)等)逐漸成為撂荒地的優(yōu)勢種；11-20年中，冷蒿(Artemisia frigida Wilid．)取代披針葉黃花成為新的優(yōu)勢種之一；20-43年撂荒地中優(yōu)勢種是短花針茅(Stipa breviflora Griseb．)，長芒草(Stipa bungeana Trin．)和賴草，撂荒地演替到達

11、一個相對較高的階段；發(fā)展為穩(wěn)定的天然草地以后，長芒草和鐵桿蒿(Artemisia gmelinii Web．ex slechm．)成為優(yōu)勢種群。撂荒地植被蓋度隨撂荒年限延長逐漸增火，2年撂荒地植被蓋度了20％，20年撂荒地植被蓋度為50％，43年撂荒地植被蓋度為55％，已經接近天然草地的60％蓋度。 (2)撂荒地土壤有機碳在撂荒地演替時間梯度上呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(p<0.05)。土壤中全氮，速效氮含量隨撂荒年限的增加顯著降低(

12、p<0.05)(2-20年)，然而在撂荒地演替后期(20-43年)，隨撂荒年限增加而增加。不同撂荒年限撂荒地土壤中MBC差異顯著(p<0.05)。沿著時間梯度，2-7年撂荒地中MBc在呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當撂荒超過7年，MBC開始逐漸增加，在撂荒43年草地和天然草地中MBC比較大。MBN在撂荒2年到11年沒有明顯的規(guī)律，當撂荒時間超過11年，沿著演替時間梯度呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢。20-43年撂荒地MBC/SOC比值要高于2-20年撂荒地。

13、 MBC/MBN變化趨勢和MBC/SOC相似?；A呼吸在撂荒地演替的時間梯度表現(xiàn)出顯著的差異(p<0.05)，值隨著撂荒年限的增加逐漸增大，呼吸商變化趨勢剛好相反，其變化范圍在5.78-9.92 mg CO<,2>-C(g MBC)<'-1>h<'-1>之間。撂荒地土壤生物化學性質隨撂荒時間延長，脲酶活性、過氧化氫酶活性、轉化酶活性，中性磷酸酶活性以及纖維素分解酶活性隨著撂荒年限的增加而逐漸增大(p<0.05)，而多酚氧化酶活性在演替時

14、間剃度上規(guī)律性不明顯。相關分析顯示結果顯示，0-20cm土層撂荒地土壤MBC同SOC和全氮呈現(xiàn)著正相關(相關系數(shù)分別為r=0.988**和r=0.937**)，同pH值呈顯著負相關(r=-0.935**)。MBN同SOc(r=0.98**)和全氮(r=0.934**)也呈顯著正相關。6種土壤酶活性和SOC(r≥0.216，p≤0.041)，全氮(r≥0.304，p≤0.004)，MBC，MBN(r≥0.235，p≤0.026)都顯著正相

15、關。 3．不同種植年限人工灌木林地植被與土壤質量演變關系： 除種植2年的檸條林地外，在其他的灌木林地中，隨著檸條種植年限延長，土壤容和pH值逐漸減小，有機碳和全氮含量隨種植年限的增加呈持續(xù)增加趨勢(p<0.05)。土壤速效氮(CH<,4><'+>-N和NO<,3><'->-N)變化趨勢類似于有機碳和全氮。不同年限人工灌木林地土壤中微生物活性指標MBC，MBN，MBC/MBN和MBC/SOC隨檸條生長年限延長顯著增加(

16、P<0.05)?；A呼吸隨檸條生長年限的增加而顯著增加，隨土壤深度的增加而降低。呼吸商和基礎呼吸表現(xiàn)出完全相反的變化趨勢。脲酶活性，過氧化氫酶活性，轉化酶活性，中性磷酸酶活性以及纖維素分解酶活性在檸條生長時間梯度上也隨檸條生長年限延長而增大。灌叢下和行間土壤質量比較表明灌叢下土壤質量明顯高于行間，檸條灌叢具有明顯的“肥島效應”。 4．在三種植被恢復方式中，土壤生物學活性都隨取樣季節(jié)表現(xiàn)出一定的差異，土壤中大部分微生物活性指標都

17、表現(xiàn)出夏季和秋季相對較高，而春季較低的現(xiàn)象。土壤剖面上，微生物活性指標也表現(xiàn)出較為一致的結論，即上層土壤中微生物活性顯著高于下層土壤，說明微生物主要集中在上層土壤。土壤水分研究表明，三種植被恢復類型在時間梯度上表現(xiàn)出較為一致的結論，即隨植被生長或撂荒年限延長土壤含水量都呈現(xiàn)降低的趨勢，但撂荒地降低程度較小。 5．三種植被恢復方式下土壤質量變化比較結果表明：相對較短的時期內(<15年)，人工灌木林地和撂荒地對土壤質量的恢復要明顯