毛乌素地区土壤-植被系统对湿地旱化过程的响应研究

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论文研究了湿地旱化过程中,植被特征、土壤物理特性、土壤碳氮磷养分组成、微生物群落结构和代谢功能的响应,并分析了从土壤水分出发对土壤和植被产生作用的次序和路径,得出的主要结论如下:(1)随着湿地的旱化,植被的地上生物量、密度和盖度随着土壤含水量的降低呈现不断减小的趋势,而植被的丰富度指数(R)和Shannon-Wiener多样性指数(H)随着土壤含水量的降低呈现先增加后降低的趋势。结构方程模型显示土壤水分首先通过驱动植被密度的变化影响植被的盖度和生物量,土壤水分的减少首先降低了植被密度,进而降低了植被的盖度和生物量。本研究中的植被丰富度指数和植被生物量呈“单峰型”关系。而湿地旱化过程的前中期,植被丰富度指数的升高最主要来自植被密度下降的驱动。(2)在湿地旱化的过程中,土壤容重和砂粒含量呈不断升高的趋势,土壤的粉粒和粘粒含量呈不断降低的趋势,土壤pH呈先增加后降低的趋势。结构方程模型的结果显示,土壤水分主要通过影响土壤粘粒含量影响植被密度,进而影响植被生物量和盖度。而土壤粘粒含量的降低,砂粒含量的升高,不利于土壤中水分和养分的保持,也不利于植被根系的生长,进而影响了植被的生长。另外,土壤pH与植被Shannon-Wiener多样性指数(H)呈显著负相关关系,而与植被丰富度指数的关系并不明朗。毛乌素湿地土壤pH与植被多样性的关系尚需进一步研究。(3)随着湿地的旱化,土壤SOC、TN、铵态氮含量、土壤C:N比、C:P比和N:P比都呈出了下降的趋势,而土壤硝态氮含量呈现上升的趋势。土壤TP含量呈现先降低后增加的趋势。结果显示,最主要的驱动路径是:土壤水分含量的降低驱动了土壤有机碳和总氮含量的降低,从而引起植被的密度和生物量的降低。相对于总氮、铵态氮和硝态氮对植被生长的促进作用非常小。雨水的淋溶,导致毛乌素土壤表层的无机氮含量偏低,这在统计上表现为无机氮对植物的促进作用较小。对于植被多样性与土壤养分的关系,分析显示,Shannon-Wiener多样性指数(H)与土壤SOC、TN和铵态氮含量之间存在显著正相关关系,说明了土壤的养分供应对于维持植被生态系统多样性的重要作用。而相对于Shannon-Wiener多样性指数(H),植被丰富度指数(R)受土壤营养的影响较弱,这一点值得进一步深入研究。4)在本研究中,随着湿地的旱化,土壤MBC、MBN含量、细菌和真菌PLFA含量都出现连续下降的趋势,而MBC:MBN和真菌:细菌比值则不断升高。在土壤呼吸和微生物代谢商在旱化的中前期不断上升,而在后期明显下降;而MBC:SOC则在湿地旱化过程中维持上升的趋势。湿地旱化过程中土壤有机底物的减少是土壤MBC、MBN含量、细菌和真菌PLFA含量下降的主要原因。土壤MBC:MBN的不断升高,不是由土壤养分结构决定,而是微生物种群的变化,是真菌比例的提高引起了土壤MBC:MBN的升高。湿地旱化过程中,真菌:细菌比值的升高说明了真菌对干旱环境更强的适应性,而这种适应有可能促成了土壤MBC:SOC在旱化过程中的不断升高。在湿地旱化前中期,土壤通气条件的改善促进了土壤呼吸;另外,土壤通气条件的改善、土壤粘粒和粉粒含量的减少,枯落物C:N比的增加一起促进了土壤q CO2的升高。而在旱化后期由于底物的缺乏导致了土壤呼吸和q CO2的下降。(5)土壤水分通过促进土壤MBC、MBN含量、细菌和真菌PLFA含量的提高,促进了植物的生长,而真菌对植被生物量的促进作用最为重要。土壤微生物量碳氮、细菌和真菌含量的增加同样促进了植被多样性的升高。通过分析土壤水分通过驱动粘粒、养分组成和微生物群落结构对植被特征的影响,发现相对于土壤颗粒组成和养分组成,细菌和真菌对于植被多样性有明显的促进作用。说明在湿地旱化的过程中,土壤水分以及土壤养分等条件的变化主要是通过影响土壤微生物来影响植被的多样性特征。
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