【摘要】：草地開墾種植農(nóng)作物在青藏高原有很長的歷史,促進(jìn)了人類在青藏高原的定居。草地開墾后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低,一般認(rèn)為與植物有機(jī)碳輸入的減少及耕作擾動導(dǎo)致的礦化加速有關(guān)。但是,是否在此過程中土壤微生物的代謝合成發(fā)生變化,土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低與微生物合成物質(zhì)積累量的減少有關(guān),此前未有報道。改革開放以來隨著經(jīng)濟(jì)活動的增加,青藏高原地區(qū)交通運(yùn)輸發(fā)展非�？�,而關(guān)于公路交通對草地土壤重金屬積累的影響少有研究。本論文中我們以土壤非纖維素糖中的六碳糖(主要由微生物合成)與五碳糖(主要是植物來源)的含量和比例及氨基糖中的氨基葡萄糖(主要由真菌合成)和胞壁酸(主要由細(xì)菌合成)的含量和比例作為指示物,研究了草地開墾對土壤微生物代謝合成產(chǎn)物積累的影響。同時,我們在青藏高原研究了海拔及距離公路的遠(yuǎn)近對公路運(yùn)輸導(dǎo)致的重金屬在草地土壤中的積累量及在土壤剖面分布的影響。在甘肅省甘南藏族自治州的八個地點(diǎn)(分別記做A、B、C、D、E、F、G和H,海拔變化在2745和3118之間)分別選擇至少五十年以上開墾種植大麥和油菜的耕地和冬季放牧草地,進(jìn)行采樣。其中,在一個最具代表性的點(diǎn)(A點(diǎn))進(jìn)行了密集采樣(Intensive sampling),而在另外的七個點(diǎn)(B、C、D、E、F、G和H)進(jìn)行了廣泛采樣(Extensive sampling)。主要研究結(jié)果為:(1)長期耕種導(dǎo)致總有機(jī)碳、微生物量碳、輕組(密度1.8)有機(jī)碳、重組(密度1.8)有機(jī)碳和總非纖維素糖碳含量在0 20 cm表層土壤中與草地相比降低了27%、54%、60%、24%和57%;土壤可礦化有機(jī)碳(培養(yǎng)時間30天)降低了44%。耕地中根系生物量也顯著低于草地根系生物量。(2)耕地土壤中(半乳糖+甘露糖)/(阿拉伯糖+木糖)和(鼠李糖+巖藻糖)/(阿拉伯糖+木糖)的值較天然草地土壤下降26%。但是,我們研究發(fā)現(xiàn)半纖維素中的六碳糖和五碳糖的比例在天然草地植物和耕地作物間沒有差異。(3)與天然草地土壤相比,耕地土壤中氨基糖碳總量下降了42%,對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率降低了22%,在耕地土壤中氨基葡萄糖/胞壁酸的值增加了102 136%。開墾不僅降低了耕地土壤微生物合成的有機(jī)化合物,而且使微生物群落中的細(xì)菌對有機(jī)質(zhì)形成的貢獻(xiàn)降低。(4)上述結(jié)果在另外七個廣泛取樣點(diǎn)全部得到驗(yàn)證。通過在青藏高原東部國道G212和G213沿線兩側(cè),不同海拔高度,設(shè)置9條采樣帶;其中,在G212(海拔2643 2911 m)設(shè)置了4條采樣帶,在G213(海拔3163 3563 m)設(shè)置了5條采樣帶,每條采樣帶均在公路垂直方向由近到遠(yuǎn)等距設(shè)置了土壤采樣點(diǎn),每個采樣點(diǎn)分層采集土壤樣品;研究了Cu、Zn、Pb和Cd重金屬在公路沿線兩側(cè)土壤剖面中的富集特征;評價了公路交通對沿線土壤的污染程度。主要結(jié)論為:(1)兩條國道以及不同取樣帶之間的Cu、Zn、Pb和Cd的背景值(0 60 cm土層,400 m距離)存在很大的異質(zhì)性。然而,重金屬背景值在土壤空間中變化與取樣區(qū)域的海拔高度變化無顯著相關(guān)。(2)在國道G212和G213左右兩側(cè)距離國道5、10、20和50 m處,Cu、Zn和Pb的濃度普遍高于土壤重金屬背景值。(3)金屬Cd是受到公路交通影響的最敏感的元素。在距離公路20 m范圍內(nèi)的0 20 cm土層中,與其他三種重金屬含量相比較,金屬Cd出現(xiàn)顯著的富集現(xiàn)象。(4)在距離國道400 m(遠(yuǎn)離公路交通源重金屬污染)處的土壤表層(0 2cm),Cu、Zn、Pb和Cd的濃度普遍高于深層土壤。這表明大氣沉積等其他因素也是土壤表層重金屬富集的主要途徑。(5)污染指數(shù)(C_f)計(jì)算結(jié)果表明,在距離國道G212和G213 50 m范圍內(nèi)的土壤中,公路交通造成Cu、Zn和Pb的輕度污染(1≤C_f3),Cd污染主要發(fā)生在距國道較近的20 cm土層中,呈重度污染(1≤C_f8)。與天然草地土壤相比,開墾降低植物合成有機(jī)碳向微生物合成有機(jī)碳的凈轉(zhuǎn)化效率,減少微生物代謝和產(chǎn)物在土壤中的積累,從而減少土壤穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)形成過程中的微生物物質(zhì)的輸入量。細(xì)菌代謝合成物質(zhì)降低的程度比真菌代謝合成物降低的程度更大。在青藏高原東部的國道沿線兩側(cè)土壤中,交通源重金屬在土壤剖面中的富集至少達(dá)到了60 cm深,50 m遠(yuǎn);對地形多變的山區(qū)土壤重金屬污染程度的評價,背景值必須采用取樣區(qū)域的實(shí)際測量值。
【圖文】：

圖 1 1 青藏高原不同土地利用方式Fig. 1 1 Different land-use types in Tibetan Plateau耕地主要集中在青藏高原東部、東北部和河谷地區(qū)，主要農(nóng)作物包括小麥(Triticum aestivum)、大麥 (Hordeum vulgare)、油菜 (Brassica rapa)、燕麥 (Avenafatua) 和豌豆 (Vicia sativa)。因?yàn)榍嗖馗咴r(nóng)業(yè)區(qū)地理區(qū)位偏遠(yuǎn)封閉，農(nóng)業(yè)啟動資金匱乏，自然傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)色彩濃厚，民族文化交織復(fù)雜以及農(nóng)民文化素質(zhì)普遍較低，導(dǎo)致青藏高原農(nóng)業(yè)區(qū)目前仍然維持以大量消耗農(nóng)業(yè)資源、經(jīng)營粗放的生產(chǎn)模式。除此之外，耕地面積小，再加上近年政府對草原保護(hù)力度加大，禁止開墾、退耕還草，造成原有耕地重用輕養(yǎng)，最終導(dǎo)致草地土壤質(zhì)量逐年下降 (溫軍,2002)。高原耕地面積在青藏高原所占比重低 (約 0.9%)，耕地土壤肥力尚佳，并且在 2000 年農(nóng)牧民糧食人均占有量超過了 400kg 的安全線水平，基本實(shí)現(xiàn)了自給 (谷樹忠, 2000)�？墒�，長期耕種導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降問題一直未得到重視。如今農(nóng)業(yè)發(fā)展又面臨人口增長、耕地土壤流失、耕地土壤肥力下降等新問題。上述問題除了造成糧食減產(chǎn)外，還可使青藏高原成為遠(yuǎn)程傳輸沙塵和泥沙的源頭。

圖 2 1 青藏高原上的密集采樣點(diǎn) A 和廣泛采樣點(diǎn) B HFig. 2 1 The investigated sample point Aand B H on the Tibetan Plateau2.1.2 樣點(diǎn) A 土壤樣品的采集 (集中取樣點(diǎn))采樣點(diǎn) A (圖 2 1; 圖 2 2) 選自一大片耕地，長 600 m，寬 120 m；坐落在坡度較低 (約為 14 16 度)，坡向朝北的山坡上。開墾年限超過 50 年。在 2015年的生長季節(jié)，大約有一半的面積 (300 m 長, 120 m 寬) 種植大麥，另一半的面積 (300 m 長, 120 m 寬) 種植油菜。大麥和油菜在每年五月種植，九月收獲。收獲后地上生物量 (莖和籽粒) 全部移出。收獲后用牲畜犁地。每年施入羊 (Ovisaries) 或牦牛 (Bos grunniens) 糞便 (有機(jī)質(zhì)含量約為 64%，含 N 約為 1.5%) 作為基肥，，施入量不固定 (干物質(zhì)約 1.5 2 t/hm2)，不施化肥。油菜籽粒產(chǎn)量約為2.3 t/hm2，大麥的籽粒產(chǎn)量約為 3.4 t/hm2。耕地四周均為天然草地，在每年十月至第二年六月，作為牦牛和綿羊的放牧場。我們在與耕地相鄰的位置，選擇了一片天然草地 (200 m 長, 120 m 寬) 作為參考植被。草原上的放牧強(qiáng)度較高，地表凋落物可忽略。地上生物量約為 1.6 3 t/ hm2。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S812.2

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本文編號：2625284