用于人工石质陡峭边坡生态恢复的客土-植物系统研究

摘要

道路的建设以及无序、过度的采石导致大量陡峭裸露岩石边坡的产生。由于边坡表面光滑陡峭，结构组成单一，风化层薄等，导致对此类生境的生态恢复具有很大的难度。基质的性质是决定生态恢复工程成败的关键因素，因此，客土基质配方对基质在陡峭岩石边坡上的抗侵蚀能力以及构成客土基质的各个组分及其相互作用对植物生长的影响的研究势在必行。但迄今为止，尚未见针对此类问题的系统研究。为此，本研究以解决上述科学以及工程技术问题为目的，利用有机质、成孔剂、保水剂、复合肥及粘结剂等添加成分构成多种人工基质组合，通过单因素、多因素等反复试验，对基质的物理、化学和生物学特性、基质在模拟陡坡的抗侵蚀能力、养分维持能力以及基质与植物系统之间的相互作用及其机理等进行了深入、系统的研究。 主要研究结果如下： 1．通过单因素试验，对保水剂(B)、粘结剂(E)、有机质(A)及两种成孔剂(1和2)五种组分对土壤特性的影响进行了初步研究。结果显示，所用保水剂的最大吸水倍率达到500倍以上，将其加入土壤后，土壤水分状况得到显著改善(P(5<'6>)]，以冷季型黑麦草(Lolium multiflorum)为表征植物。对形成的25个处理的植物特性、土壤理化性质及酶活性特性进行系统研究，结果显示：粘结剂对植物的地上、地下生物量、成活率、叶片脯氨酸含量及土壤pH、田间最大持水量、多酚氧化酶、转化酶及酸、碱磷酸酶活性的影响达到显著水平(p＜O.05)。成孔剂和有机质对土壤田间最大持水量、有机碳及纤维素酶、转化酶活性的影响显著(p＜0.05)。无机复合肥对植物地上、地下生物量、成活率、叶绿素含量及土壤速效氮、全氮、速效磷、全磷、多酚氧化酶、纤维素酶和转化酶活性的影响显著(p＜0.05)。而保水剂只对田间最大持水量产生了显著影响(p＜0.05)。根据正交试验直观分析及正交试验方差分析结果，最终确定E3水平的粘结剂、C4水平的成孔剂、D2水平的复合肥及A3水平的有机质为各成分的最佳添加水平，而保水剂在成本充许的情况下，含量越高越好。 一元相关分析结果显示，大多数的植物变量(5个)与土壤特性(13个)之间的相关性都达到了显著水平(p＜0.05)；而在各土壤理化及生物特性之间，所有土壤酶活性指标与土壤pH及田间最大持水量之间存在显著相关性(p＜0.05)，但与土壤的所有氮素及磷素指标相关性不显著(p＞0.05)。典范相关分析及冗余分析结果显示，粘结剂和复合肥是影响植物生长及基质特性的最主要因素，而且，土壤pH、田间最大持水量、多酚氧化酶、转化酶及碱性磷酸酶活性是评价基质特性及表征植物生长状况的最佳土壤变量。 3.利用上述使用的除保水剂之外的其它四种添加成分进行四因素各四水平正交盆栽试验[OA<,16>(4<'5>)]，并考虑粘结剂与成孔剂的交互作用对基质特性的影响，对第一批正交试验的重要结果进行验证，并进行微生物生态学特性研究，利用百喜草(Paspalum notatum)、大翼豆(Macroptilium atropurpureum)及新银合欢(Leucaena Leucocephala)三种暖季型植物作为表征植物。结果显示，各添加成分对植物和土壤特性的作用规律及程度与第一批正交试验结果呈现出高度一致，且最终确定的粘结剂、成孔剂及有机质的最佳含量与第一批正交试验结果完全一致，只有复合肥的最佳含量比第一批正交试验降低了一倍，即三种暖季型植物耐高肥的能力不如黑麦草。粘结剂与成孔剂的交互作用对土壤酶活性及微生物呼吸的影响达到了显著水平(p<0.05)。方差分析及相关分析结果显示，植物成活率、土壤pH、多酚氧化酶、纤维素酶及碱性磷酸酶活性被确定为评价基质特性及植物生长状况的最佳变量，这与第一批正交试验的结果十分相似，说明今后可以根据上述变量对基质综合特性进行快速测定。 优化基质得到确定后，对添加多种成分的各基质的微生物活性指标进行测定，结果显示，所有基质中的微生物生物量及微生物呼吸值基本是普通农田土壤的5-10倍，即基质的长期利用潜力非常大。四种添加成分中，成孔剂和有机质对微生物活性的正面影响及粘结剂的负面作用都达到了显著水平(p<0.05)，而复合肥对微生物活性的影响不显著(p>0.05)。 Biolog结果显示，16种基质组合对六类主要碳源利用强度的整体趋势是：有机酸类>多聚糖类>氨基酸类>胺类、聚合物类及其它类碳源。根据方差分析及主成份分析结果，基质组合9(含有E3水平粘结剂，C3水平成孔剂，D1水平复合肥及A2水平有机质)对所有碳源的利用强度最低，即对土壤碳源的利用潜力最大。四种添加因素对微生物功能多样性指数和均匀度的影响都没达到显著水平(p>0.05)，但整体上功能多样性指数和均匀度随粘结剂、成孔剂和有机质的增加而呈轻度上升趋势，随复合肥的增加而呈轻度下降趋势。 4．对筛选出的几种典型基质的抗雨水冲刷性进行研究，结果显示，大雨(250mmh<'-1>)冲刷下来的泥土流失量普遍达到了小雨(100mm h<'-1>)的4倍左右，差异显著(p<0.05)；70°陡坡下的基质流失量是50°坡度下流失量的2-3倍，差异显著(p<0.05)；E3水平粘结剂处理的基质的基质流失量比对照减少了13-16％，但差异不显著(P>0.05)；植物发芽前和发芽后1周内的基质流失量达到了整个流失量的80％以上，显著高于植物发芽后2周、3周和10周的基质流失总量(p<0.05)。基质养分流失特性的试验结果显示，所有处理中随基质泥土流失而损失掉的氮、磷养分在黑麦草发芽前及发芽后的30-40d内显著下降(p<0.05)，之后，随发芽天数的继续增加，下降平缓(P>0.05)，而且，各基质损失掉的硝态氮总量均高于氨态氮总量，损失掉的氮总量均高于磷总量。 5．利用4种植物组合(每种组合有8种禾本科和豆科植物)在实际的石质陡坡(50°)上对优化基质(3种)的生态恢复特性进行验证试验，结果显示，8种植物均能在各基质上正常生长。根据植物生长状况及基质抗侵蚀能力，筛选出了最佳的基质组合(S3)及最佳的植物组合(P3)方式，即该人工客土基质具有实用性，预期在陡峭石质边坡上可以作为支持基质一植物系统的重要基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章前言

1.1研究背景

1.1.1裸露石质边坡环境问题

1.1.2岩石边坡的生态恢复

1.1.3岩石边坡生态恢复研究进展

1.2本研究内容的提出

第2章影响人工客土基质性质的主要因子研究

2.1材料与方法

2.1.1基质组分

2.1.2仪器

2.1.3试验设计

2.1.4项目测定和方法

2.2结果与分析

2.2.1保水剂的吸水、保水特性及其对土壤物理学特性的影响

2.2.2粘结剂对土壤理化性质的影响

2.2.3成孔材料及有机物料对土壤理化性质的影响

2.3讨论与小结

第3章人工客土基质的组分及其相互作用对土壤理化、生物性状以及植物生长的影响

3.1材料与方法

3.1.1基质组分

3.1.2仪器

3.1.3试验设计

3.1.4测定项目和方法

3.1.5统计方法

3.2结果与分析

3.2.1植物生长对不同人工基质组合的响应

3.2.2基质理化特性对不同基质组合的响应

3.2.3基质酶活性对不同基质组合的响应

3.2.4聚类分析结果

3.2.5相关分析

3.3讨论与小结

3.3.1各功能组分对基质—植物系统中植物生长的影响

3.3.2各功能组分对基质—植物系统中基质物理及化学性质的影响

3.3.3各功能组分对基质—植物系统中基质酶活性的影响

3.3.4各添加成分最佳水平的确定

第4章人工客土质基特性的验证试验及其微生物生态学特征

4.1材料与方法

4.1.1基质组分

4.1.2仪器

4.1.3试验设计

4.1.4测定项目和方法

4.1.5统计方法

4.2结果与分析

4.2.1植物生长对不同基质组合的响应

4.2.2基质理化特性对不同基质组合的响应

4.2.3基质酶活性对不同基质组合的响应

4.2.4基质微生物生物量及呼吸强度对不同基质组合的响应

4.2.5各变量之间的相关分析

4.2.6微生物群落代谢多样性

4.3讨论与小结

4.3.1各功能组分对基质—植物系统中植物生长的影响

4.3.2各功能组分对基质—植物系统中基质物理及化学性质的影响

4.3.3各功能组分对基质—植物系统中土壤生物学特性的影响

4.3.4各功能组分对基质—植物系统中土壤微生物功能多样性的影响

第5章经优化人工基质的抗侵蚀性与养分流失特性研究

5.1材料与方法

5.1.1基质组分

5.1.2仪器

5.1.3试验设计

5.1.4项目测定和方法

5.2结果与分析

5.2.1优化基质的抗雨水冲刷性研究

5.2.2优化基质的养分流失特性

5.3讨论与小结

第6章人工客土基质的模拟工程应用研究

6.1材料与方法

6.1.1试验边坡

6.1.2试验设计

6.1.3模拟喷播方法

6.1.4项目测定和方法

6.2结果与分析

6.2.1植物盖度

6.2.2基质流失量

6.3讨论与小结

第7章综合讨论

参考文献

附录：在读期间发表论文情况

致谢

原创性声明