黃土高原半干旱區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),同時也是世界上生態(tài)系統(tǒng)退化最嚴(yán)重的區(qū)域之一。高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),加強(qiáng)了土壤的干擾,不斷破壞土壤結(jié)構(gòu),加劇了土壤質(zhì)量退化。草地恢復(fù)是一種成本低、有效且環(huán)境友好型的改善土壤質(zhì)量的方法。然而,在不同環(huán)境下草地恢復(fù)對土壤質(zhì)量的影響是不同的。因此,在黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū),評估不同土地管理措施中土壤屬性的變化對恢復(fù)土壤質(zhì)量至關(guān)重要。本研究旨在探討黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū)不同土地管理措施對土壤碳、氮儲存量和微生物的影響,并且我們以一種氣候事件?凍融循環(huán)事件為例,探討土壤碳、氮和微生物對凍融循環(huán)事件的響應(yīng)潛能,以此判斷草地管理與農(nóng)田土壤碳、氮儲存量和微生物群落功能多樣性的差異,旨在為改善和優(yōu)化黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū)土壤質(zhì)量提供參考。我們于2014年和2015年在蘭州大學(xué)黃土高原半干旱生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站選擇和設(shè)計(jì)了5種管理措施的土地,分別為:(1)封育撂荒草地(13年),(2)中齡人工苜蓿草地(15年),(3)新建人工苜蓿草地(2年),(4)休閑地(2年)和(5)農(nóng)田,探討地上生物量、土壤水分、土壤容重、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、速效磷、土壤微生物量和酶活性的變化;并選取封育撂荒草地、中齡人工苜蓿草地和農(nóng)田(小麥地)三種典型的土地管理措施土壤進(jìn)行室內(nèi)模擬凍融循環(huán)事件,評估土壤碳、氮和微生物群落功能多樣性對凍融循環(huán)的響應(yīng)。不同土地管理措施下地上生物量的輸出存在顯著差異,大小順序?yàn)?農(nóng)田新建人工苜蓿草地中齡人工苜蓿草地封育撂荒草地休閑地(無地上生物量)。試驗(yàn)結(jié)束時(2015年10月),封育撂荒草地和中齡人工苜蓿草地0–3 m土層內(nèi)土壤儲水量最低,新建人工苜蓿草地和農(nóng)田次之,休閑地最高。生長季內(nèi)土壤水分的消耗因土地管理措施和年限的不同而存在差異:封育撂荒草地和農(nóng)田主要消耗0–1 m內(nèi)水分,新建人工苜蓿草地消耗1–3 m內(nèi)水分,而中齡人工苜蓿草地和休閑地對0–3 m內(nèi)土壤水分消耗很小。表層(0–20 cm)土壤容重大小順序?yàn)?封育撂荒草地農(nóng)田中齡人工苜蓿草地≈新建人工苜蓿草地。0–20 cm土層有機(jī)碳、全氮、全磷含量以及碳、氮儲存量大小為:封育撂荒草地中齡人工苜蓿草地新建人工苜蓿草地≈農(nóng)田≈休閑地。土壤有機(jī)碳和全氮儲存量與地上生物量呈顯著的負(fù)相關(guān),說明地上生物量的輸出影響土壤碳和氮的儲存。封育撂荒草地和中齡人工苜蓿草地土壤微生物量碳和氮含量顯著高于其他處理。土壤微生物量碳和氮與地上生物量呈顯著負(fù)相關(guān),而與有機(jī)碳儲存量呈顯著正相關(guān),說明土壤微生物量與有機(jī)碳儲存密切相關(guān)。封育撂荒草地和中齡人工苜蓿草地土壤可溶性碳高于新建人工苜蓿草地、休閑地和農(nóng)田,而可溶性氮剛好相反,封育撂荒草地和中齡人工苜蓿草地最低。封育撂荒草地中土壤酸性、堿性磷酸酶活性最高,中齡人工苜蓿草地次之,新建人工苜蓿草地、休閑地和農(nóng)田最低且三者之間無差異。土壤磷酸酶活性與有機(jī)碳儲存量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。室內(nèi)模擬的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,土壤呼吸在三種土地管理措施中隨凍融循環(huán)過程的進(jìn)行逐漸下降,并在+3℃時升高、–2℃時下降,表明土壤微生物活性對溫度波動的敏感響應(yīng)。有機(jī)碳儲存量高的封育撂荒草地土壤呼吸量和微生物量碳、氮在凍融循環(huán)過程中最高,中齡人工苜蓿草地次之,農(nóng)田最低。Biolog生態(tài)板法和主成分分析結(jié)果顯示,指示微生物活性的AWCD值和指示微生物種類的McIntosh指數(shù)在封育撂荒草地中最高,中齡人工苜蓿草地次之,農(nóng)田最低,表明三種不同土地管理措施的土壤微生物已經(jīng)形成不同功能群,有機(jī)碳儲存量高的土地管理措施中土壤微生物群落對極端條件有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。綜上所述,黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū)封育撂荒草地和中齡人工苜蓿草地可以有效的提高土壤有機(jī)碳和全氮的儲存,增加土壤微生物量以及微生物群落功能多樣性。另外,在黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū)管理人工苜蓿草地時,為了恢復(fù)土壤質(zhì)量,應(yīng)減少地上生物量的輸出。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S151.9
【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
第一章 文獻(xiàn)綜述
    1.1 相關(guān)生態(tài)學(xué)概念
        1.1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)
        1.1.2 恢復(fù)生態(tài)學(xué)
    1.2 土壤質(zhì)量評價
        1.2.1 土壤碳和氮
        1.2.2 土壤微生物
        1.2.3 土壤酶活性
    1.3 不同土地管理措施對土壤質(zhì)量的影響
    1.4 氣候變化?凍融循環(huán)對土壤質(zhì)量的影響
        1.4.1 凍融循環(huán)事件
        1.4.2 凍融循環(huán)對土壤質(zhì)量的影響
        1.4.3 土壤質(zhì)量與凍融循環(huán)的關(guān)系
    1.5 研究區(qū)域背景
        1.5.1 黃土高原半干旱生態(tài)脆弱區(qū)特點(diǎn)
        1.5.2 半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀
    1.6 研究內(nèi)容
第二章 材料與方法
    2.1 試驗(yàn)區(qū)概況
    2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
    2.3 樣品采集和測定
        2.3.1 地上生物量采集
        2.3.2 土壤水分測定
        2.3.3 土壤樣品采集和測定
    2.4 室內(nèi)凍融循環(huán)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)
        2.4.1 培養(yǎng)土樣的采集
        2.4.2 凍融循環(huán)設(shè)計(jì)
        2.4.3 室內(nèi)培養(yǎng)設(shè)計(jì)
        2.4.4 土壤有機(jī)碳、全氮和無機(jī)氮的測定
        2.4.5 土壤微生物量碳和氮以及可溶性碳和氮測定
        2.4.6 土壤微生物呼吸測定
        2.4.7 土壤微生物群落功能多樣性分析
    2.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析
        2.5.1 土壤含水量和蒸散量
        2.5.2 土壤碳和氮儲存量
        2.5.3 土壤微生物量碳和氮含量
        2.5.4 Biolog生態(tài)板指數(shù)
        2.5.5 數(shù)據(jù)分析
第三章 不同土地管理措施對地上生物量和土壤屬性的影響
    3.1 不同土地管理措施地上生物量
    3.2 不同土地管理措施土壤水分
        3.2.1 土壤含水量
        3.2.2 土壤儲水量
        3.2.3 不同土層土壤耗水量和蒸散量
    3.3 不同土地管理措施土壤容重
    3.4 不同土地管理措施土壤有機(jī)碳和全氮含量及儲存量
        3.4.1 土壤有機(jī)碳和全氮含量及儲存量
        3.4.2 土壤碳氮比
        3.4.3 土壤碳和氮儲存量與地上生物量的關(guān)系
    3.5 不同管理措施下土壤全磷和速效磷含量
        3.5.1 土壤全磷含量
        3.5.2 土壤速效磷含量
    3.6 不同土地管理措施土壤微生物和酶活性
        3.6.1 土壤微生物量碳、微生物量氮以及可溶性碳、氮
        3.6.2 土壤微生物量與地上生物量和土壤碳儲存量的關(guān)系
        3.6.3 土壤磷酸酶活性
        3.6.4 土壤磷酸酶活性與地上生物量關(guān)系
        3.6.5 土壤微生物量碳氮比
        3.6.6 土壤微生物量碳和有機(jī)碳比值
    3.7 討論
        3.7.1 不同土地管理措施的土壤水分動態(tài)
        3.7.2 不同土地管理措施土壤有機(jī)碳和全氮的變化
        3.7.3 不同土地管理措施土壤微生物屬性的變化
            3.7.3.1 土壤可溶性碳和可溶性氮
            3.7.3.2 土壤微生物量碳和氮
            3.7.3.3 土壤微生物量碳氮比
        3.7.4 不同土地管理措施土壤酶活性的變化
第四章 不同土地管理措施土壤碳、氮和微生物對凍融循環(huán)的響應(yīng)
    4.1 前言
    4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        4.2.1 土壤呼吸
        4.2.2 土壤微生物量碳氮、可溶性碳和無機(jī)氮
        4.2.3 土壤微生物群落功能多樣性
    4.3 討論
第五章 結(jié)論
    5.1 主要結(jié)論
    5.2 不足和展望
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間的研究成果
致謝

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