高寒湿地和草甸退化与恢复对土壤养分、土壤微生物及有机化合物的影响

摘要

近年来，由于全球变暖及人为因素的干扰，高寒湿地面积萎缩，并向草甸方向演替，而草甸的进一步退化，造成牧草减产、土壤水源涵养力降低、沙漠化程度加深等一系列问题。在青藏高原地区重度退化草甸“黑土滩”问题尤为突出，退化草地的生态恢复也成为青藏高原生态建设的重要内容，建植人工草地常被用于恢复退化草地。为探究能否用土壤微生物、有机化合物的变化和关系，解释高寒湿地、草甸的退化和恢复的情况及效果，本研究从高寒湿地及草甸生态系统各组分分析。选取高寒湿地、高寒沼泽化草甸、高寒草甸、不同退化程度高寒退化草甸及不同建植年限人工草地，野外采集各类型样地土壤及植物样品，测定土壤及植物群落特征；通过BIOLOG ECO微平板和高通量测序测定土壤微生物碳代谢功能多样性及微生物群落结构；液相色谱质谱连用仪测定土壤有机化合物种类及含量；采用结构方程模型探究植被、土壤、土壤微生物、土壤有机化合物之间的关系。得到以下主要结果。 1. 高寒湿地向高寒草甸演替过程中，植物群落特性无显著变化；退化草甸植物群落覆盖度、地上植物总生物量显著随退化程度加深显著下降；人工草地相比于退化草甸植物群落特征显著增加。湿地干化过程中，沼泽化草甸总有机碳含量最高；退化草甸土壤含水量、总有机碳含量随退化程度加深而降低，而土壤 pH、容重逐渐升高；人工草地土壤理化性质与退化草甸相比无显著变化。 2. 湿地干化过程中，沼泽化草甸土壤微生物对碳源利用率最高；退化草甸土壤微生物对碳源利用率逐渐降低；人工草地一定程度上提高了碳源利用率，但不显著；人工草地随建植年限增加，土壤微生物碳源利用率逐渐降低。主成分分析表明，不同样地土壤微生物对碳源利用率存在差异；RDA分析发现，土壤含水量、容重、土壤养分（TOC、TN、TP、C/N、N/P）及植物群落覆盖度对土壤微生物碳代谢功能多样性有显著影响。 3. 湿地、草甸退化及恢复过程中，土壤微生物优势菌群发生改变。人工草地随建植年限增加，优势菌群相对丰度“V”型变化。土壤微生物相对丰度和Chao1值均与土壤理化性质有显著相关性。细菌、放线菌Chao1值与植被盖度有显著负相关，而真菌Chao1值与植被高度、生物量有显著正相关。 4. 湿地干化过程中土壤化合物含量无显著变化，而随草甸退化程度加深，酰胺类、甾醇类、酮类、脂肪酸类有机化合物含量发生显著变化；沙化草地中土壤有机化合物含量显著升高。不同优势毒杂草黑土滩土壤有机化合物含量有显著差异；建植2年人工草地有机化合物（丙二酸、海藻糖、PGA3、D(+)-松三糖）含量显著升高。 5. 根据植物群落特征、土壤理化性质、土壤微生物多样性及土壤有机化合物丰度数据构建的结构方程模型显示，土壤pH、TOC、容重直接影响土壤微生物和化合物丰度。土壤含水量是模型的中间因子。 高寒湿地、草甸退化及恢复过程中，土壤微生物多样性及有机化合物丰度均产生影响，且与环境变量有显著相关性，因而可利用其变化指征湿地、草甸退化及恢复的阶段及情况。

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