黄土丘陵区生物结皮土壤生态化学计量学特征及其对干扰的响应

摘要

生物结皮在黄土丘陵区退耕地广泛发育，成为该区主要地被物，是退耕地土壤养分及循环的重要影响因子。目前有关生物结皮对土壤养分的研究主要集中于元素本身，很少涉及元素之间的耦合协同关系，而生态化学计量学正是基于元素比率来研究生态过程和生态作用的学科，但目前已有研究对生物结皮土壤的化学计量学特征研究不足，生物结皮的化学计量学特征与其类型、季节动态之间的关系等尚不清楚。干扰是常见的自然现象，往往导致生物结皮盖度、组成的巨大变化，然而，目前鲜有研究关注干扰对生物结皮化学计量学特征的影响。为此，研究以黄土丘陵区发育稳定的生物结皮为对象，通过野外调查采样结合室内分析测定，研究了该区不同类型生物结皮土壤化学计量学特征的差异及其季节动态。在此基础上，采用模拟放牧干扰试验，研究了不同强度干扰对生物结皮化学计量学特征的影响及机理。取得以下主要结论： （1）不同类型生物结皮土壤生态化学计量学特征差异显著，且结皮层的化学计量比显著高于下层土壤，在结皮层藓结皮土壤生态化学计量特征最高，在0~2cm土壤念珠藻结皮最高。 生物结皮对土壤养分的影响主要集中在结皮层及其下0~2cm。在结皮层，浅色藻结皮、深色藻结皮、混合结皮、藓结皮的有机碳含量为13.49~27.07g·kg-1、全氮含量为1.47~2.42g·kg-1、全磷含量为0.56~0.67g·kg-1、C/N为9.52~12.63、C/P为22.25~41.29、N/P为2.41~3.84；C、N、C/P、N/P随着土层加深而降低，且大小表现为藓结皮>混合结皮>深色藻结皮>浅色藻结皮，C/N和P受土壤深度影响较小，类型间虽存在显著差异，但差异较下；在0~2cm土层，浅色藻结皮、深色藻结皮、混合结皮、藓结皮、地衣结皮和念珠藻结皮下土壤的有机碳含量为5.29~18.96g·kg-1、全氮含量为0.62~1.68g·kg-1、全磷含量0.52~0.63g·kg-1、C/N为8.41~11.49、C/P为9.45~30.78、N/P为1.17~2.64，念珠藻结皮C、N、P、C/N、C/P、N/P显著高于其他类型生物结皮。 （2）生物结皮土壤生态化学计量学特征受季节影响，但生物结皮类型对其影响超过季节，其中N和N/P在雨季中最低。 在结皮层，浅色藻结皮、深色藻结皮、混合结皮和藓结皮的有机碳、全氮、全磷雨季前中后平均含量分别为9.63~26.60、1.10~2.15、0.57~0.66g·kg-1，C/N、C/P、N/P分别为9.35~13.21、16.94~40.66、1.89~3.34；雨季中的N和N/P最低，且与其他季节差异显著，较雨季前降幅为20.8~45.3%和18.0~44.6%，全磷含量较为稳定，受季节影响较小；在不同季节，C、N、C/P、N/P均表现为藓结皮>混合结皮>深色藻结皮>浅色藻结皮，且这4类生物结皮（C、N、P、C/N、C/P、N/P）的变异系数分别为3.23~11.76、0.93~18.20、3.81~20.83和4.73~37.33，藓结皮变异系数最小。0~2cm土层C、N、P、C/N、C/P、N/P虽受季节影响，但变化较小。 （3）干扰显著降低的结皮层C、N、C/P、N/P，降低幅度与干扰强度、土层深度和干扰时长有关，干扰对P和C/N影响较小。 干扰半年后，不同处理下（无干扰、20%、40%、60%、80%。100%），结皮层和0~2cm土层对于干扰的影响是不一致的。在结皮层，不同干扰处理下的C、N、C/P、N/P均是降低的，其中20%干扰处理下降低幅度最大，C、N、C/P、N/P分别降低了3.55g·kg-1、0.36g·kg-1、7.12、0.71，降幅分别为25.6%、26.9%、29.0%、30.0%，且与不干扰处理差异显著，与其他干扰处理差异不显著。而在0~2cm土层，40%、60%和80%干扰处理下C、N含量是增加的，60%和80%干扰处理下C/P、N/P是增加的，各干扰处理间差异不显著，与结皮层相似的是20%干扰处理降幅最大，C、N、C/P、N/P的降幅分别为7.6%、17.6%、9.4%、19.1%。P和C/N变化较小，各处理间差异不显著。 干扰3年后，各处理下（不干扰、20%、40%），结皮层C、N、C/P、N/P为15.29~19.82g·kg-1、1.24~1.68g·kg-1、26.03~32.14、2.12~2.73；随着年限的增加，不干扰和20%干扰处理下C、N、C/P、N/P呈增加趋势，40%干扰处理下呈降低趋势，C、N、C/P、N/P变化量分别为-5.39~7.34g·kg-1，-0.23~0.54g·kg-1，-11.22~10.11，-0.46~0.14，；较不干扰，20%和40%处理均降低C、N、C/P、N/P，且变化量大小表现为不干扰>20%干扰>40%干扰。不同干扰度对0~2cm土层化学计量比的影响与结皮层类似。 （4）干扰改变了生物结皮盖度、组成、土壤水热状况，降低了生物结皮对C、N的固定，进而影响了土壤化学计量学特征。 干扰3年后，不干扰、20%干扰和40%干扰强度下，藻结皮降幅为24.2%、18.8%和41.3%，藓结皮降幅为39.1%、51.6%和83.1%，藓结皮变化幅度高于藻结皮。20%、40%干扰下藻生物量分别比不干扰处理低5.93、11.67mg·g-1，藓生物量比不干扰低0.73、0.80g·dm-2。干扰3年后，无干扰处理、20%和40%干扰下生物结皮土壤含水量分别增加了6.8%、5.3%和5.4%，较不干扰，20%和40%干扰降低了生物结皮表层土壤含水量。干扰3年后，无干扰、20%和40%干扰处理下的结皮层温度高于下层5cm土壤2.27℃、1.12℃和0.73℃，其中20%和40%干扰处理的的结皮层温度较不干扰低1.28℃和1.69℃。 干扰后生物结皮盖度组分（特别是藓结皮盖度）及土壤水热状况的改变是影响土壤C、N固定，进而导致土壤生态化学计量比变化的最主要因素（解释率95.6%）。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 选题背景与意义

1.2 生物结皮的形成、发育与分布研究进展

1.2.1 生物结皮的形成与演替

1.2.2 生物结皮的分布及其影响因素

1.3 生物结皮对土壤理化属性的影响研究进展

1.3.1 生物结皮对土壤生物学属性的影响

1.3.2 生物结皮对土壤物理属性的影响

1.3.3 生物结皮对土壤化学属性的影响

1.4 生物结皮土壤生态化学计量学特征研究进展

1.4.1 生态化学计量学特征概念、起源及理论

1.4.2 土壤生态化学计量学特征的影响因素

1.4.3 生物结皮土壤生态化学计量学特征影响因素

1.5 干扰对生物结皮生态功能的影响研究进展

第二章 研究内容与方法

2.1.1 研究目标

2.1.2 研究内容

2.1.3技术路线

2.2.2 试验设计

2.2.3 测定方法

2.2.4 数据处理

第三章 黄土丘陵区生物结皮土壤理化生属性

3.1 生物结皮对土壤有机碳的影响

3.1.1 不同类型生物结皮对土壤有机碳的影响

3.1.2 生物结皮土壤有机碳的季节动态

3.1.3 干扰对生物结皮土壤有机碳的影响

3.2 生物结皮对土壤全氮的影响

3.2.1 不同类型生物结皮对土壤全氮的影响

3.2.2 生物结皮土壤全氮的季节动态

3.2.3 干扰对生物结皮土壤全氮的影响

3.3 生物结皮对土壤全磷的影响

3.3.1 不同类型生物结皮对土壤全磷的影响

3.3.2 生物结皮土壤全磷的季节动态

3.3.3 干扰对生结结皮土壤全磷的影响

3.4生物结皮对土壤其他理化属性的影响

3.4.1生物结皮对土壤颗粒组成的影响

3.4.2生物结皮对土壤容重的影响

3.4.3生物结皮对土壤粘结力的影响

3.4.4生物结皮对土壤pH的影响

3.4.5生物结皮对土壤速效磷的影响

3.4.6 生物结皮生物量变化

3.5 讨论

3.5.1 生物结皮类型对生物结皮土壤C、N、P的影响

3.5.2 季节对生物结皮土壤C、N、P的影响

3.5.3 干扰对生物结皮土壤C、N、P的影响

3.6 小结

第四章 生物结皮的土壤生态化学计量学特征及其影响因素

4.1 不同类型生物结皮对土壤生态化学计量学特征的影响

4.1.1 不同类型生物结皮对土壤碳氮比的影响

4.1.2 不同类型生物结皮对土壤碳磷比的影响

4.1.3 不同类型生物结皮对土壤氮磷比的影响

4.2 生物结皮土壤生态化学计量学特征的季节动态

4.2.1 生物结皮土壤碳氮比的季节动态

4.2.2 生物结皮土壤碳磷比的季节动态

4.2.3 生物结皮土壤氮磷比的季节动态

4.3 干扰对生物结皮土壤生态化学计量学特征的影响

4.3.1 生物结皮土壤碳氮比对干扰的响应

4.3.2 生物结皮土壤碳磷比对干扰的响应

4.3.3 生物结皮土壤氮磷比对干扰的响应

4.4 讨论

4.4.1 生物结皮类型对土壤C/N、C/P、N/P的影响

4.4.2 季节对生物结皮土壤C/N、C/P、N/P的影响

4.4.3 干扰对生物结皮土壤C/N、C/P、N/P的影响

4.5 小结

第五章 生物结皮土壤生态化学计量学特征对干扰的响应机理

5.1 干扰对生物结皮盖度、物种组成的影响

5.2 干扰对生物结皮生物量的影响

5.3 干扰对生物结皮土壤水热状况的影响

5.4 讨论

5.4.1 干扰对生物结皮盖度、组成和生物量的影响

5.4.2 干扰对土壤水热状况的影响

5.4.3 干扰对生物结皮土壤化学计量学特征的影响机理

5.5 小结

第六章 主要结论及需要进一步研究的问题

6.1 主要结论

6.2 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

个人简历