【摘要】：生物土壤結(jié)皮(簡稱“生物結(jié)皮”)是干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,可以通過光合作用固定大氣中的CO_2,影響土壤水熱環(huán)境及土壤碳排放等,顯著影響土壤碳循環(huán)。干擾是自然中常見現(xiàn)象,可顯著影響生物結(jié)皮的蓋度、組成及土壤理化性質(zhì)等,進(jìn)而可能影響生物結(jié)皮土壤碳循環(huán)。本論文以黃土丘陵區(qū)穩(wěn)定發(fā)育期的藻蘚混合生物結(jié)皮為研究對象,采用野外小區(qū)定位監(jiān)測試驗,以不干擾生物結(jié)皮為對照,研究了10%-15%(1等級)、15%-20%(2等級)、20%-25%(3等級)、25%-30%(4等級)和30%-40%(5等級)等5個模擬放牧干擾(簡稱“干擾”)等級對生物結(jié)皮群落組成及蓋度的影響,分析了干擾對生物結(jié)皮土壤理化性質(zhì)、有機(jī)碳含量及組分的影響,以及碳循環(huán)的影響,借助主成分分析、聚類分析、一級動力學(xué)方程等統(tǒng)計分析方法,解析了干擾對生物結(jié)皮土壤碳循環(huán)過程的影響。研究在理論上有助于揭示干擾影響下生物結(jié)皮土壤碳平衡特征以及干擾對生物結(jié)皮土壤碳循環(huán)的影響機(jī)制,在實踐中可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫管理與碳循環(huán)研究提供科學(xué)依據(jù)。所取得主要結(jié)論如下:1.干擾可降低生物結(jié)皮的蓋度和生物量,改變生物結(jié)皮層土壤理化性質(zhì),導(dǎo)致生物結(jié)皮退化,影響程度與干擾等級和生物結(jié)皮的恢復(fù)速率有關(guān)。干擾后,生物結(jié)皮蓋度隨干擾等級的增加呈線性顯著下降趨勢,主要為藻結(jié)皮蓋度和蘚結(jié)皮蓋度的降低。與不干擾相比,1-5等級干擾的藻結(jié)皮蓋度降低幅度為4.8%-10.3%,1-5等級干擾的蘚結(jié)皮蓋度降低幅度為3.5%-6.9%,4-5等級干擾的生物結(jié)皮總蓋度下降17.1%-18.5%,與不干擾差異顯著。干擾降低了生物結(jié)皮生物量,1-5等級干擾的藻生物量較不干擾生物結(jié)皮降低8%-38%,1-5等級干擾的蘚生物量較不干擾降低55%-92%,其中5等級下降幅度較大;干擾后,生物結(jié)皮恢復(fù)速率順序為2等級干擾快于4等級干擾,雨季干擾快于旱季干擾,藻結(jié)皮蘚結(jié)皮地衣結(jié)皮。干擾改變了土壤理化性質(zhì),影響主要集中在生物結(jié)皮層,對0-2 cm和2-5 cm土層影響較小。干擾降低了生物結(jié)皮層容重,增加了生物結(jié)皮層孔隙度,當(dāng)干擾達(dá)到5等級時差異顯著。干擾對生物結(jié)皮土壤溫度和水分的影響表現(xiàn)為生物結(jié)皮層大于5 cm土層,1-5等級干擾溫度和水分變異系數(shù)均呈現(xiàn)高于不干擾生物結(jié)皮的趨勢,這種差異在結(jié)皮層尤為明顯。干擾降低了生物結(jié)皮土壤碳氮比,2-3等級較不干擾差異顯著。2.干擾可顯著增加生物結(jié)皮層土壤易氧化碳、土壤微生物量碳、土壤可礦化碳等土壤活性有機(jī)碳組分,但降低生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳含量。干擾顯著影響生物結(jié)皮層土壤有機(jī)碳及碳組分,對0-2 cm和2-5 cm土層無顯著影響。干擾顯著增加土壤易氧化碳含量,1-3等級易氧化碳變化較不干擾無顯著差異,4-5等級易氧化碳變化較不干擾差異顯著;5等級較不干擾土壤微生物量碳增加70%;4等級較不干擾生物結(jié)皮土壤可礦化碳顯著增加77%;干擾導(dǎo)致生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳呈下降的趨勢,1-5等級較不干擾土壤有機(jī)碳含量顯著降低1.90-2.38 g·kg~(-1)。干擾條件下生物結(jié)皮土壤易氧化碳與微生物量碳含量呈顯著正相關(guān),土壤微生物量碳與可礦化碳含量呈顯著正相關(guān),生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳與易氧化碳、微生物量碳呈顯著負(fù)相關(guān)。3.干擾顯著降低了生物結(jié)皮光合固碳速率,增加了土壤碳排放速率,并改變了生物結(jié)皮光合固碳和碳排放的日動態(tài)和季動態(tài)特征。生物結(jié)皮光合固碳速率隨干擾等級的增加呈線性函數(shù)下降的趨勢(R~2=0.832,P0.05),5等級較不干擾降低0.81μmol CO_2·m~(-2)·s~(-1),差異顯著,其它等級無顯著差異;生物結(jié)皮土壤碳排放速率隨干擾等級的增加呈線性顯著上升的趨勢(R~2=0.796,P0.05),1-5等級較不干擾增加0.82-1.43μmol CO_2·m~(-2)·s~(-1)。干擾后生物結(jié)皮光合固碳速率與藻蓋度呈顯著正相關(guān),碳排放速率與藻蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)。干擾后生物結(jié)皮光合固碳和碳排放具有明顯的日動態(tài)和季動態(tài)特征。在日動態(tài)上,生物結(jié)皮光合固碳呈明顯的單峰型曲線,且峰值出現(xiàn)在8:00左右。干擾降低生物結(jié)皮光合固碳速率,3等級較不干擾平均降低28%。生物結(jié)皮土壤碳排放呈單峰型曲線,且峰值出現(xiàn)在12:00~14:00之間。干擾增加生物結(jié)皮土壤碳排放速率,3等級干擾顯著高于不干擾達(dá)17.4%;在季動態(tài)上,干擾后生物結(jié)皮光合固碳速率表現(xiàn)為雨季前雨季中雨季后。干擾降低生物結(jié)皮光合固碳速率,在雨季前和雨季中,不同干擾等級間差異顯著,雨季后差異不顯著。干擾后生物結(jié)皮土壤碳排放速率表現(xiàn)為雨季中最高,較雨季前增加7%-52%,較雨季后增加84%-188%。干擾后生物結(jié)皮土壤碳通量主要與干擾等級和干擾時間有關(guān),具體表現(xiàn)為夏季高于秋季,夜間高于白天,5等級干擾顯著高于不干擾。4.干擾影響下生物結(jié)皮土壤碳循環(huán)與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和有機(jī)碳轉(zhuǎn)化有關(guān)。生物結(jié)皮土壤碳穩(wěn)定性與生物結(jié)皮類型有關(guān)。隨生物結(jié)皮的發(fā)育和演替,高級階段的蘚結(jié)皮增加了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性,主要通過改變土壤活性碳組分比例來實現(xiàn)的。蘚結(jié)皮減少了土壤易氧化碳與有機(jī)碳的比例,較淺藻結(jié)皮降低12%。蘚結(jié)皮降低了土壤可礦化碳與有機(jī)碳的比例,較淺藻結(jié)皮降低23%。干擾通過增加生物結(jié)皮土壤易氧化碳比例和可礦化碳比例,進(jìn)而降低生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。干擾促進(jìn)了土壤活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化,主要表現(xiàn)在降低土壤微生物量碳氮比,增加了土壤真菌數(shù)量,降低了土壤細(xì)菌的數(shù)量,提高了土壤有機(jī)碳的活性。以易氧化碳、微生物量碳、可礦化碳、導(dǎo)氣率、細(xì)菌數(shù)量、碳氮比等為主要的影響因子可以解釋土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的83.5%。針對干擾后影響土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的指標(biāo),進(jìn)行非度量多維尺度分析后,將干擾等級劃分為不干擾、干擾1-3等級、干擾4-5等級共3類。與不干擾生物結(jié)皮土壤碳轉(zhuǎn)化相比,干擾1-3等級有較大的相似性,干擾4-5等級有顯著差異。5.黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮經(jīng)模擬放牧干擾后,土壤碳排放呈增加趨勢,真菌數(shù)量、易氧化碳、碳氮比、有機(jī)碳、容重、微生物量碳、藻蓋度、可礦化碳等屬性的直接作用較大。干擾影響生物結(jié)皮土壤碳排放,主要體現(xiàn)在生物結(jié)皮群落組成和土壤理化指標(biāo)的直接作用和間接作用。真菌數(shù)量、易氧化碳、碳氮比、有機(jī)碳、容重、微生物量碳、藻蓋度、可礦化碳等屬性對土壤碳排放的直接作用較大,土壤水分對生物結(jié)皮土壤碳排放的間接效應(yīng)最大,主要通過影響易氧化碳間接影響土壤碳排放。研究區(qū)干擾1年后,1-5等級較不干擾生物結(jié)皮分別增加2.6 t·ha~(-1)、3.1 t·ha~(-1)、3.2 t·ha~(-1)、3.9 t·ha~(-1)、5.6t·ha~(-1)的碳排放。生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳穩(wěn)定系數(shù)(K_(os))和有機(jī)碳礦化潛力(C_P)與土壤碳排放有較大的相關(guān)性。干擾顯著降低生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳穩(wěn)定系數(shù),1-4等級均顯著低于不干擾,5等級較不干擾降幅最大。一級動力學(xué)方程可以較好地描述不同干擾等級下生物結(jié)皮土壤有機(jī)碳礦化潛力,干擾4等級土壤有機(jī)碳礦化潛力較不干擾差異顯著。干擾影響下生物結(jié)皮土壤碳排放變化可劃分為4類,不干擾生物結(jié)皮為一類,干擾1-3等級可歸為一類,干擾4等級和5等級各歸為一類。
【圖文】：

芒草（Stipa bungeana）等草本植物。流域內(nèi)生物結(jié)皮大面積發(fā)育，平均蓋度在 65%上。生物結(jié)皮中藻結(jié)皮優(yōu)勢種主要有具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）、念珠（Nostoc commune）；蘚結(jié)皮優(yōu)勢種主要有土生對齒蘚（Didymodon vinealis）、短對齒蘚（Didymodon tectorum）和銀葉真蘚（Bryum argenteum）（楊麗娜等 2013）地衣結(jié)皮的優(yōu)勢種主要有磷網(wǎng)衣（Psora spp.）、擬橙衣（Fulgensia bracteata）和蘚雙緣衣（Diploschistes muscorum）等（楊雪芹等 2018）。安塞縣紙坊溝小流域，屬于黃土丘陵區(qū)第二副區(qū)，地理位置 109°18'E，36°51'N平均海拔 1200 m，總流域面積 8.27 km2，該地區(qū)屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性氣候年均氣溫8.8 ℃，年累積日照時數(shù)2300-2400 h，無霜期大約157 d；年均降水量500 mm60%-70%的降水集中在 7-9 月。土壤質(zhì)地是典型黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土。黃土母厚度大約 50-80 m。土壤易遭受侵蝕，在 1999 之前，年土壤侵蝕率為 10,000-12,0t·km-2·a-1。該區(qū)主要植被群落有茵陳蒿（Artemisia capillaries）、胡枝子（Lespedebicolor）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、長芒草（Stipa bungeana）、杠柳（Periploca sepium扁核木（Prinsepia utilis）、狼牙刺（Sophara viciifolia, Bothriochloa ischaemum）和沙（Hippophae rhamnoides）。

組成、蓋度和高等植被蓋度，若有部分生物結(jié)皮已恢復(fù)，則在此基礎(chǔ)上繼續(xù)干擾，使小區(qū)保持設(shè)定的干擾度（生物結(jié)皮樣地干擾處理詳見圖 2-3）。干擾對象僅考慮生物結(jié)皮，盡量避開地上維管束植物。為了保證生物結(jié)皮樣地間具有可比性，野外調(diào)查限定在一個較小的范圍內(nèi)進(jìn)行，，所有圈建小區(qū)間的最遠(yuǎn)距離不超過 1 km，并盡量保證立地條件的一致性。A: 不干擾生物結(jié)皮 B: 干擾1等級（10%-15%） C: 干擾2等級（15%-20%）
【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】：2019
【分類號】：S154;S153

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3 郭sノ

本文編號：2708216