本文關(guān)鍵詞：黃土丘陵區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)典型植物枯落物分解特征研究

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【摘要】：本研究以黃土丘陵區(qū)溫帶草原典型植物枯落物作為研究對象,通過室內(nèi)恒溫恒濕培養(yǎng)(去除環(huán)境因素對其影響)和野外自然狀態(tài)模擬的分解實(shí)驗(yàn),監(jiān)測枯落物分解過程中干物質(zhì)質(zhì)量的變化,計(jì)算枯落物失重率,揭示不同植物枯落物分解過程中質(zhì)量的損失過程和分解速率的變化規(guī)律。測定枯落物分解過程中C、N、P元素的含量、木質(zhì)素、纖維素、單寧含量及C/N、C/P比等生態(tài)化學(xué)計(jì)量比,并對枯落物分解過程中基質(zhì)質(zhì)量的變化及其對枯落物分解速率和土壤性質(zhì)的影響進(jìn)行研究,以期闡明黃土丘陵區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)典型植物枯落物分解過程的動態(tài)變化規(guī)律,建立枯落物分解過程模型,為促進(jìn)黃土丘陵區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)能量的良性循環(huán)提供理論依據(jù),為深入開展草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)研究提供科學(xué)支撐。取得以下主要結(jié)論:(1)分解過程中枯落物有機(jī)C含量呈上下波動的變化趨勢,野外模擬條件下,枯落物有機(jī)C遵循春夏秋季釋放,冬季積累的淋溶—富集—釋放模式。隨著分解年限的增加,釋放和積累效應(yīng)逐漸變緩。不同植物枯落物中,檸條有機(jī)C的釋放速度最快,養(yǎng)分積累指數(shù)(NAI)減少了56%,百里香最慢,只釋放了37%;不同器官中,葉的釋放速度最快,大孔徑分解袋更有利于C素的遷移�？萋湮镉袡C(jī)C處于釋放過程,即C素的外源補(bǔ)充和再釋放的過程。枯落物N元素除分解前期出現(xiàn)大幅度的淋溶釋放外,其遷移基本遵循:富集—釋放的波動性循環(huán)模式,無明顯季節(jié)性規(guī)律。不同植物枯落物中,長芒草全N的釋放速度最慢(野外模擬條件的NAI僅下降了39%)。分解初期枯落物P元素釋放的速度相當(dāng)迅速,在分解第一個周期(0-375天)完成大幅度淋溶釋放后,后期出現(xiàn)富集現(xiàn)象。不同植物枯落物中,冰草和長芒草全P釋放速度最快(NAI:85-86%),百里香最慢(NAI:68%);器官葉莖的釋放速度大于根(百里香除外),不同孔徑分解袋中無明顯差異。纖維素、木質(zhì)素和單寧的降解過程基本遵循:富集—釋放的循環(huán)模式,纖維素和木質(zhì)素分解過程表現(xiàn)為春夏秋三季富集,冬季降解。不同植物枯落物中,冰草木質(zhì)素和纖維素的降解速度最快,檸條單寧的降解量最大(NAI:76-85%)。(2)不同植物枯落物分解過程中失重率的變化隨分解的進(jìn)行呈逐漸加快趨勢。其中,冰草和鐵桿蒿在整個分解過程中保持持續(xù)上升的趨勢,長芒草和百里香則出現(xiàn)明顯的階段性,在緩慢分解和快速分解的交替變化中進(jìn)行,茭蒿和檸條分解前期的失重率大幅度增加后保持緩慢的分解狀態(tài)。不同植物枯落物中,冰草和檸條的分解速度較快,茭蒿最慢�？萋湮锓纸膺^程模型對枯落物階段性分解所需時間進(jìn)行估算,發(fā)現(xiàn)冰草的分解周期最短(2003天--5.49年),檸條其次(2673天--7.32年),茭蒿最慢(14675天--40.21年)�？萋湮锓纸馑俾逝c初始N含量、N濃度(正相關(guān))和C/N比(負(fù)相關(guān))呈極顯著相關(guān),與N/P比(正相關(guān))和木質(zhì)素/N(負(fù)相關(guān))呈顯著性相關(guān)。檸條較高的初始N含量和N/P比,及較低C/N比是其分解速率較快的直接原因。而茭蒿較高的N濃度和木質(zhì)素含量、C/N比、C/P比和木質(zhì)素/N比,導(dǎo)致其分解在前期較快,后期受木質(zhì)素的強(qiáng)大抑制作用逐漸變慢。由于枯落物初始N含量只是分解初期的主導(dǎo)因子,分解后期由木質(zhì)素控制,導(dǎo)致檸條和茭蒿兩種具有高N濃度的枯落物分解速度迥異。不同器官間葉莖枯落物的分解速率大于根,大孔徑分解袋中枯落物分解速度較快(檸條除外)。(3)枯落物中易分解有機(jī)C和N的釋放補(bǔ)充了土壤中碳氮元素,使土壤有機(jī)C和全N含量出現(xiàn)不同程度的積累,但增幅較小,而全P、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在分解過程中逐漸被消耗。不同植物枯落物分解過程中土壤C/N比的動態(tài)變化規(guī)律一致,表現(xiàn)為先下降后上升再下降的變化趨勢,冰草和檸條的下降幅度最為明顯,比初始值減小了3.34。土壤C/P比和N/P比則表現(xiàn)為整體上升的趨勢,百里香(土壤C/P比)的增加幅度最為明顯,是初始值的2倍。整個分解過程中,土壤微生物量碳(Cmic)呈正態(tài)分布型起伏變化。土壤微生物量氮(Nmic)呈波動起伏變化,分解后期植物間的變化趨勢出現(xiàn)差異,檸條、長芒草和冰草持續(xù)上升,其它植物則出現(xiàn)不同程度的下降。土壤微生物量磷(Pmic)在整個分解過程中呈先上升后下降的變化規(guī)律,不同植物枯落物冰草和百里香的起伏規(guī)律最為明顯。土壤Cmic/Nmic比表現(xiàn)為先上升后下降的波動變化趨勢,土壤Nmic/Pmic比則呈上升趨勢,不同植物枯落物中,檸條、百里香和冰草的土壤Cmic/Pmic比下降幅度較大,長芒草土壤Nmic/Pmic比的上升幅度最大。檸條作為固氮植物,自身具有較強(qiáng)的生物固氮能力,葉片的N素含量較高,C/N比較低,枯落物分解過程中歸還于土壤的N素較多,是典型植物中對土壤N素貢獻(xiàn)最為突出的植物。(4)土壤蔗糖酶在整個過程中呈先增加后減小的變化規(guī)律,土壤脲酶活性則表現(xiàn)為波動下降的變化規(guī)律。其中,檸條的變化幅度最大,茭蒿最小。枯落物分解能刺激土壤蔗糖酶活性,使土壤蔗糖酶活性在一定時間內(nèi)有所提高。土壤脲酶活性在一定程度上反映了土壤的供氮水平的狀況,檸條作為具有固氮能力的豆科植物,其土壤脲酶活性變化范圍最大,對土壤的氮素供應(yīng)最為明顯。土壤堿性磷酸酶活性在整個分解過程中呈波動變化,除長芒草和百里香的酶活性降低外,其它均呈不同程度上升,但是變化范圍不明顯。土壤蛋白酶活性的變化趨勢在不同植物枯落物間各不相同,整體呈增加趨勢。其中,檸條、冰草和長芒草的增幅較大。不同植物枯落物中檸條、冰草和長芒草三種植物枯落物分解對土壤蛋白酶活性的貢獻(xiàn)較大。土壤纖二糖酶活性在不同植物枯落物間的變化趨勢不同,在酶解冰草、長芒草和百里香這些具有高纖維素含量的枯落物時,土壤中的碳源無法滿足微生物補(bǔ)給,纖二糖酶消耗的較快,其活性就開始減小。(5)枯落物失重率和土壤環(huán)境因子及氣候因子的關(guān)系分析表明,降水量、日照時數(shù)是影響枯落物分解的重要因素,研究區(qū)植物枯落物的分解過程主要靠降水淋溶和物理碎化兩方面的作用,長時間的日照、光強(qiáng)和適量降水加速了枯落物直接淋溶和物理碎化過程。而土壤溫度、氣溫和空氣相對濕度對枯落物分解有不同程度的影響,枯落物失重率與土壤溫度、氣溫和空氣相對濕度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤溫度和空氣相對濕度對植物枯落物根莖的作用大于葉。其中,土壤溫度與冰草根(大小孔徑分解袋:-0.7625和-0.7455)和茭蒿莖(大小孔徑分解袋:-0.7497和-0.8119)、根(大小孔徑分解袋:-0.7382和-0.6886)的相關(guān)性最大。(6)經(jīng)過篩選和對比,選用了適用于描述自然狀態(tài)下枯落物分解過程的Logarithmic方程和具有階段性特征的S型曲線函數(shù)的Boltzmann方程分別對室內(nèi)培養(yǎng)和野外模擬枯落物分解進(jìn)行回歸模擬。發(fā)現(xiàn)枯落物分解過程是枯落物干物質(zhì)質(zhì)量隨分解的進(jìn)行而逐漸損失的過程,當(dāng)干物質(zhì)質(zhì)量損失到達(dá)一個極限后,枯落物分解趨于停滯或以極為緩慢的速度進(jìn)行。如野外模擬條件下冰草枯落物在失重達(dá)到81.61%左右時,分解趨于緩慢,葉莖和根在大孔徑分解袋中的分解天數(shù)分別為:681、652天,在小孔徑分解袋中的分解天數(shù)分別為:837和688天。從枯落物階段性分解所需時間來看,枯落物分解達(dá)到95%時所需時間是分解50%所需時間的7-23倍,基本上體現(xiàn)了枯落物分解后期速率較快,前期緩慢的特點(diǎn)。不同植物枯落物中,由于冰草在分解過程中保持持續(xù)的分解能力和較快的分解速率,其分解最為完全。根據(jù)估算野外模擬枯落物失重率達(dá)到各個階段(5-100%)所用時間的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不同器官間葉莖枯落物的分解比根完全,小孔徑分解袋中枯落物分解速率較大孔徑慢,但卻比大孔徑分解完全。
【關(guān)鍵詞】：草地生態(tài)系統(tǒng) 枯落物 失重率 枯落物分解模型 基質(zhì)質(zhì)量 化學(xué)計(jì)量學(xué)特征
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S812
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-18
• 第一章 文獻(xiàn)綜述18-32
• 1.1 研究目的與意義18-19
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展19-31
• 1.2.1 枯落物的定義19
• 1.2.2 枯落物分解的研究方法19-21
• 1.2.3 枯落物分解過程研究21-23
• 1.2.4 枯落物分解模型研究23-25
• 1.2.5 影響枯落物分解的因素25-29
• 1.2.6 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征29-31
• 1.3 研究路線31-32
• 第二章 研究區(qū)概況與研究方法32-45
• 2.1 研究區(qū)概況32
• 2.2 研究內(nèi)容32-33
• 2.2.1 枯落物分解的動態(tài)變化特征32
• 2.2.2 枯落物分解模型模擬及動態(tài)規(guī)律預(yù)測32
• 2.2.3 枯落物基質(zhì)質(zhì)量的動態(tài)變化特征32-33
• 2.2.4 枯落物基質(zhì)質(zhì)量對分解速率的影響33
• 2.2.5 枯落物分解過程中土壤質(zhì)量的動態(tài)變化33
• 2.2.6 土壤質(zhì)量對枯落物分解速率的影響33
• 2.3 研究方法33-44
• 2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)33-39
• 2.3.2 枯落物樣品測定39-44
• 2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)44-45
• 2.4.1 枯落物失重率（Litter losing rate）44
• 2.4.2 養(yǎng)分累計(jì)指數(shù)（NAI）44-45
• 第三章 枯落物初始基質(zhì)質(zhì)量45-56
• 3.1 枯落物初始有機(jī)C含量45-46
• 3.1.1 室內(nèi)培養(yǎng)45
• 3.1.2 野外模擬45-46
• 3.2 枯落物初始全N含量46-47
• 3.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)46
• 3.2.2 野外模擬46-47
• 3.3 枯落物初始全P含量47-48
• 3.3.1 室內(nèi)培養(yǎng)47
• 3.3.2 野外模擬47-48
• 3.4 枯落物初始纖維素含量48-49
• 3.4.1 室內(nèi)培養(yǎng)48
• 3.4.2 野外模擬48-49
• 3.5 枯落物初始木質(zhì)素含量49-50
• 3.5.1 室內(nèi)培養(yǎng)49
• 3.5.2 野外模擬49-50
• 3.6 枯落物初始單寧含量50-51
• 3.6.1 室內(nèi)培養(yǎng)50
• 3.6.2 野外模擬50-51
• 3.7 枯落物初始化學(xué)計(jì)量學(xué)特征51-54
• 3.7.1 室內(nèi)培養(yǎng)51-52
• 3.7.2 野外模擬52-54
• 3.8 結(jié)果與討論54-55
• 3.9 本章小結(jié)55-56
• 第四章 枯落物分解過程中基質(zhì)質(zhì)量的動態(tài)變化特征56-89
• 4.1 枯落物有機(jī)C含量的動態(tài)變化規(guī)律56-60
• 4.1.1 室內(nèi)培養(yǎng)56-57
• 4.1.2 野外模擬57-60
• 4.2 枯落物全N含量的動態(tài)變化規(guī)律60-64
• 4.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)60-61
• 4.2.2 野外模擬61-64
• 4.3 枯落物P含量的動態(tài)變化規(guī)律64-68
• 4.3.1 室內(nèi)培養(yǎng)64-65
• 4.3.2 野外模擬65-68
• 4.4 枯落物纖維素含量的動態(tài)變化規(guī)律68-73
• 4.4.1 室內(nèi)培養(yǎng)68-69
• 4.4.2 野外模擬69-73
• 4.5 枯落物木質(zhì)素含量的動態(tài)變化規(guī)律73-77
• 4.5.1 室內(nèi)培養(yǎng)73
• 4.5.2 野外模擬73-77
• 4.6 枯落物單寧含量的動態(tài)變化規(guī)律77-81
• 4.6.1 室內(nèi)培養(yǎng)77-78
• 4.6.2 野外模擬78-81
• 4.7 枯落物化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的動態(tài)變化規(guī)律81-83
• 4.7.1 室內(nèi)培養(yǎng)81-82
• 4.7.2 野外模擬82-83
• 4.8 結(jié)果與討論83-87
• 4.9 本章小結(jié)87-89
• 第五章 枯落物分解過程中土壤性質(zhì)的動態(tài)變化特征89-108
• 5.1 枯落物分解過程中土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化特征89-94
• 5.1.1 土壤有機(jī)碳89-90
• 5.1.2 土壤氮素90-92
• 5.1.3 土壤全磷92
• 5.1.4 土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)特征92-94
• 5.2 枯落物分解過程中土壤微生物量的動態(tài)變化特征94-99
• 5.2.1 土壤微生物量碳95-96
• 5.2.2 土壤微生物量氮96-97
• 5.2.3 土壤微生物量磷97
• 5.2.4 土壤微生物化學(xué)計(jì)量學(xué)特征97-99
• 5.3 枯落物分解過程中土壤酶活性的動態(tài)變化特征99-104
• 5.3.1 土壤蔗糖酶100-101
• 5.3.2 土壤脲酶101
• 5.3.3 土壤堿性磷酸酶101-102
• 5.3.4 土壤蛋白酶102-103
• 5.3.5 土壤纖二糖酶103-104
• 5.4 結(jié)果與討論104-106
• 5.5 本章小結(jié)106-108
• 第六章 枯落物基質(zhì)質(zhì)量的變化對分解速率的影響108-135
• 6.1 枯落物初始基質(zhì)質(zhì)量對失重率的影響108-110
• 6.1.1 室內(nèi)培養(yǎng)108-109
• 6.1.2 野外培養(yǎng)109-110
• 6.2 枯落物初始化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對失重率的影響110-111
• 6.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)110-111
• 6.2.2 野外培養(yǎng)111
• 6.3 枯落物分解過程中物質(zhì)組成的變化對失重率的影響111-122
• 6.3.1 室內(nèi)培養(yǎng)111-117
• 6.3.2 野外模擬117-122
• 6.4 枯落物分解過程中化學(xué)計(jì)量比對失重率的影響122-133
• 6.4.1 室內(nèi)培養(yǎng)122-127
• 6.4.2 野外模擬127-133
• 6.5 結(jié)果與討論133-134
• 6.6 本章小結(jié)134-135
• 第七章 枯落物分解動態(tài)變化特征135-147
• 7.1 室內(nèi)培養(yǎng)135-139
• 7.1.1 干物質(zhì)質(zhì)量135-137
• 7.1.2 失重率137-139
• 7.2 野外模擬139-141
• 7.3 環(huán)境因子對枯落物分解速率的影響141-144
• 7.3.1 野外小區(qū)土壤溫度和含水量資料141-142
• 7.3.2 小流域氣象資料142-143
• 7.3.3 土壤環(huán)境因子對枯落物分解速率的影響143
• 7.3.4 氣候因子對枯落物分解速率的影響143-144
• 7.4 結(jié)果與討論144-146
• 7.5 本章小結(jié)146-147
• 第八章 枯落物分解模型模擬及動態(tài)規(guī)律預(yù)測147-162
• 8.1 室內(nèi)培養(yǎng)147-152
• 8.1.1 枯落物分解模型147-150
• 8.1.2 枯落物分解動態(tài)預(yù)測150-152
• 8.2 野外模擬152-160
• 8.2.1 枯落物分解擬合函數(shù)的選擇152-155
• 8.2.2 基于Boltzmann函數(shù)建立枯落物分解模型155-160
• 8.3 結(jié)果與討論160-161
• 8.4 本章小結(jié)161-162
• 第九章 結(jié)論和展望162-168
• 9.1 主要結(jié)論162-165
• 9.1.1 枯落物基質(zhì)質(zhì)量的動態(tài)變化特征162
• 9.1.2 枯落物分解過程中土壤性質(zhì)的變化特征162-164
• 9.1.3 枯落物基質(zhì)質(zhì)量的變化對分解速率的影響164
• 9.1.4 枯落物分解速率的動態(tài)變化特征164
• 9.1.5 環(huán)境因子對枯落物分解速率的影響164-165
• 9.1.6 枯落物分解過程模擬與預(yù)測165
• 9.2 創(chuàng)新點(diǎn)165-166
• 9.3 存在問題與研究展望166-168
• 9.3.1 存在問題166-167
• 9.3.2 研究展望167-168
• 參考文獻(xiàn)168-181
• 致謝181-183
• 作者簡介183

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1124465