黄土高原典型草原针茅群落封育演替进程中的植物-土壤反馈机制研究

摘要

围栏封育是草原经济有效的管理措施，被广泛应用于黄土高原退化草地的恢复管理过程中。封育排除了放牧、刈割等人为干扰对草地生态系统的影响，使得退化草地开展朝良性方向的自然恢复进程，体现在封育后草地盖度、生产力的增加和土壤结构、肥力和微生物活动的改善与提高，同时伴随植物群落结构的调整和物种多样性的变化。植物和土壤作为草地生态系统的两大主要组成部分，两者间的反馈作用是草地自然恢复进程中植被群落演替的重要驱动力，这使得针对草地长期封育演替进程中的植物-土壤反馈机制的研究具有重要的理论价值和实践意义。因为黄土高原地区宁夏云雾山典型草原在长达35a的封育演替进程中已发生明显植被格局变化，本试验选取具有优势种更替现象的针茅群落作为研究对象，结合野外和室内试验，对封育演替时间序列草地根系特征、优势种针茅凋落物分解特性、针茅植物生长规律对土壤生物和非生物特性变化的响应特征及针茅的植物-土壤反馈效应指数进行了分析。主要研究结果如下:
　　(1)在草地长期封育演替进程中，草地根系生物量和根系形态特征分别增加49.65％和94.80％,并伴随土壤水分和养分含量的增加，草地根系物种丰富度下降37.11％。草地根系特征在不同功能组的分配比例及其对封育措施的响应存在较大差异，表现为长期封育使得禾草类植物所占草地根系群落比例由41.65％升高至81.22％，其中多年生根茎型禾草根系指标增加幅度达10倍以上，这与禾草类植物根系较大的比根长和比根面积特征及其所受土壤C、N资源的促进作用密不可分;相比之下，非禾草类植物根系所占比例呈不断下降规律，且其根系特征主要受土壤P资源影响。
　　(2)随着草地封育演替年限的增加（0、5、9、22和30a），针茅根系生物量和根系形态特征分别增加87.29％和119.73％，且其物种组成格局发生明显变化，表现为长芒草根系比例由封育初期的77.12％，逐渐降至封育22a草地的13.42％，并消失于封育30a草地;大针茅根系比例自封育初期的22.88％逐渐增加并在封育22a草地达到86.58％，之后迅速下降;甘青针茅出现于封育30a草地，并占据高达77.22％比例的优势地位。
　　(3)为期2a野外分解试验结果显示，针茅叶片和根系凋落物在分解末期的质量损失率平均分别为36.07％和32.00％，叶片凋落物中大针茅分解速率最高，根系凋落物中则为甘青针茅分解最快。3种针茅凋落物分解过程中元素变化规律相似，但受凋落物类型影响，其中叶片凋落物C含量平均由452.24g·kg-1降低至440.21g·kg-1，根系凋落物C含量则平均由420.73g·kg-1升高至435.09g·kg-1;叶片和根系凋落物N含量波动式下降，使得其C/N比值波动式上升;叶片凋落物P含量平均由0.29g·kg-1升高至0.58g·kg-1，根系凋落物P含量则平均由0.30g·kg-1波动式下降至0.26g·kg-1。三种针茅的叶片和根系凋落物C、N和P元素均呈释放模式，且释放比例分别在23.78％-39.28％、37.20％-60.38％和21.30％-52.28％之间。相关分析表明，凋落物分解速率与其初始N含量呈正相关，并与初始C/N比值为负相关。
　　(4)3种针茅表现出明显植物生物学特征差异，其中长芒草有较高的功能性指标（比叶面积、叶片养分含量、比根长和比根面积），大针茅有较高的形态指标（植株高度、根冠比和根系形态），甘青针茅上述指标均为中等水平，但有较高的叶片干物质含量和分蘖数目。由于针茅生物量与其高度、根系长度呈正相关性，使得大针茅具有较高的生物量。
　　(5)3种针茅生物量和根系形态指标在水分添加下平均分别增加94.91％和55.63％，对养分添加响应较小，演替早期土样接种使得3种针茅比根长和比根面积平均增加11.90％,演替中、后期土样接种使3种针茅生物量平均提高51.30％的同时使其根冠比平均下降22.72％。相比于单种生长模式，混种生长模式下3种针茅根系比根长和比根面积平均增加11.75％。此外，3种针茅对水肥的竞争能力表现为长芒草＞大针茅＞甘青针茅，且水肥添加对针茅竞争能力的影响依赖于土壤环境，表现为演替早期、中期和后期土壤中的水肥添加处理可分别提高长芒草、大针茅和甘青针茅的竞争能力。
　　(6)3种针茅的植物-土壤反馈效应存在明显种间差异，体现在大针茅对同种植物产生显著正反馈作用，且其与禾草类植物互为正反馈作用;长芒草和甘青针茅则负反馈作用于同种植物，正反馈作用禾草类植物并受到禾草类植物的负反馈作用。3种针茅间的反馈关系表现为为长芒草显著正反馈作用大针茅并受到大针茅的负反馈作用，甘青针茅与长芒草、大针茅之间均互为正反馈作用。由此可见，3种针茅自身及与其他植物间的植物-土壤反馈效应格局的种间差异是草地封育演替中大针茅取代长芒草成为优势种的重要原因之一。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．2 国内外研究进展

1．2．1 封育对草地植物和土壤特性的影响

1．2．2 凋落物分解特性及其对土壤特性的影响

1．2．3 植物-土壤反馈效应在草地群落演替中的作用

1．3 研究目的与意义

1．4 主要研究内容

第二章 封育演替时间序列草地根系特征和土壤特性

2．1．2 试验设计与野外采样

2．1．3 样品室内处理与指标测定

2．1．4 数据分析

2．2．1 封育演替时间序列草地植物功能组根系特征

2．2．2 封育演替时间序列草地土壤特性

2．2．3 封育草地植物根系特征与土壤特性的关联分析

2．3 讨论

2．3．2 封育对草地根系功能组组成的影响

2．4 小结

第三章 封育演替时间序列草地针茅根系格局变化特征

3．1．4 数据分析

3．2．1 封育演替时间序列草地针茅根系特征

3．2．2 三种针茅根系特征比较

3．2．3 针茅根系特征与土壤特性的关联性分析

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 三种针茅叶片和根系凋落物分解特性

4．1．3 数据分析

4．2 结果分析

4．2．1 三种针茅叶片和根系凋落物分解过程中质量变化

4．2．2 三种针茅叶片和根系凋落物分解过程中元素含量变化

4．2．3 三种针茅叶片和根系凋落物分解过程中元素NAI变化

4．2．4 三种针茅凋落物分解特性与初始化学组成的相关性

4．3 讨论

4．3．2 三种针茅凋落物分解过程中养分释放规律

4．4 小结

第五章 三种针茅植物生长对土壤特性变化的响应

5．1．2 试验设计与指标测定

5．1．3 数据分析

5．2．2 三种针茅植物生长对土壤特性变化的响应

5．2．3 三种针茅植物间生长竞争关系

5．3 讨论

5．3．2 三种针茅植物间竞争对土壤特性变化的响应

5．4 小结

第六章 三种针茅植物-土壤反馈效应

6．1．2 试验设计与指标测定

6．1．3 数据分析

6．2．1 植物作用土壤阶段

6．2．2 土壤反馈植物阶段

6．2．3 三种针茅植物-土壤反馈效应指数比较

6．3 讨论

6．4 小结

第七章 结论与展望

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

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