施氮对黄土高原丘陵沟壑区不同退耕年限植被群落以及土壤养分的影响

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我国黄土高原地区是世界上水土流失最为严重的地区,同时还面临着气候干旱、土壤养分贫瘠、植被稀疏等严峻的生态环境问题。植被在防治水土流失和改善生态环境方面具有重要作用,然而受水肥条件的限制植被在自然状态下恢复十分缓慢,不利于植被的生态效益与经济效益的充分发挥,因此,探索加快植被恢复的人工干预或调控措施显得十分必要和迫切。本研究针对黄土丘陵沟壑区土壤氮素缺乏,将施氮作为一种重要的人工干预措施,通过田间施肥试验,采用野外调查、采样与室内分析相结合的方法,研究了该区退耕地不同恢复年限的草本植物群落以及土壤养分对施氮干预的响应过程,分析和比较了不同施氮水平对不同群落类型的组成与结构、生物量分配、细根形态及分布特征、植物叶片与根系的氮分布、土壤养分变化等的影响,以明确土壤氮素对植被恢复的限制状况以及生态适应性,为黄土高原丘陵沟壑区的植被恢复与重建提供科学依据,以促进我国西部的生态环境建设和退耕还林还草工程的顺利实施。主要取得了如下研究结论:(1)随施氮量的不断增加,不同恢复阶段的群落中个体密度和物种丰富度均有不同程度地下降,表明施氮肥降低了物种的多样性。不同退耕年限或演替阶段的植物群落物种组成及生物多样性特征对施氮后的响应有所不同,施氮肥对演替初期植被的调控效果更佳,而演替后期的群落对氮肥施用表现出有很强的适应性和稳定性。(2)施氮同时提高了不同植物群落的地上、地下生物量,但二者在不同施氮水平下的平均提高幅度具有明显差异。随着施氮量的增加,生物量总体呈增加趋势,表明施氮肥的对群落生物量具有明显的提高作用。不同群落地下生物量主要分布在0-20cm土层中,占65%以上,施肥可促进地下根系生物量积累,有利于增加土壤碳储量,进而提高土壤质量。相关分析结果表明,地上与地下生物量之间呈极显著的正相关关系,施氮对群落地上部生长的促进作用大于根系,从而导致随着施氮量的不断增加地下生物量/地上生物量降低。(3)施氮不同程度地提高了各植物群落0-60cm土壤中的细根生物量、根长密度、细根表面积,但并不改变它们随在土壤剖面上随土壤深度的增加而急剧降低的垂直分布特征,细根的根长密度、表面积以及生物量呈现出相似的变化规律,同时施氮主要对直径<0.5mm、0.5-1mm细根根长密度、根表面积影响较大,氮肥施用后明显提高了直径较小的细根根长,相应地增加了细根表面积。(4)不同植物群落均表现为随施氮量增加,叶片中氮含量显著增加,并且在N5、N10及N15水平下增幅相对较大,在N20和N30水平则达到稳定或略有下降。细根中氮含量同叶片中氮含量表现出相似的规律,但明显低于叶片中的氮含量。从生长季节的变化来看,不同月份群落叶片与细根中氮含量差异明显,二者变化规律相似,均表现为5月份大于7月和9月,9月略高于7月。相关分析结果表明,不同植物群落细根中氮含量与叶片中氮含量之间存在显著的正相关关系。(5)施氮对土壤养分化学性质具有不同程度的影响,施氮肥可显著降低0-60cm剖面土壤的pH值,特别是表层0-20cm层土壤。施氮肥可增加0-20cm、20-40cm土层有机质和全氮含量,而对40-60cm层二者的影响相对较小。总体来看施氮对0-60cm各层土壤N03--N含量的影响大于NH4--N,随施氮量的不断增加,各层土壤N03--N含量均显著增加,且以0-20cm土层提高幅度最大,而各层土壤NH4+-N含量随施氮量增加变化无明显规律。随施氮量增加,各土层速效磷含量的变化趋势不同,其中0-20cm先增加后显著降低,而20-40cm土层总体呈不断降低趋势,施氮对土壤速效钾含量的影响则表现出与速效磷相一致的变化规律。整体来看,施氮确实可以在一定程度上促进植被恢复和演替以及改善土壤养分,同时也可能会带来一定的生态风险和环境问题,如何把施氮作为调控植被恢复一种有效手段还有许多的科学问题亟待解决,今后应注重开展长期性、系统性的研究以更好地揭示施氮对生态系统的影响机理,更好地为我国黄土高原地区生态环境建设和社会经济发展服务。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第13-23页
    1.1 立题背景第13页
    1.2 研究目的及意义第13-14页
    1.3 研究进展第14-21页
        1.3.1 植被恢复与演替过程第15-16页
        1.3.2 植被恢复过程的土壤环境效应研究第16-17页
        1.3.3 土壤氮素与植被恢复的关系第17-18页
        1.3.4 植物根系形态及生理特性与土壤氮素的关系第18-20页
        1.3.5 氮素在植物体内的分布特征第20-21页
        1.3.6 施氮对土壤特性的影响第21页
    1.4 存在问题及研究展望第21-23页
第二章 材料与方法第23-30页
    2.1 研究区概况第23-25页
    2.2 研究内容第25页
        2.2.1 施氮对不同退耕年限植物群落组成、结构及生物多样性的影响第25页
        2.2.2 施氮对不同退耕年限植物群落生长特征与生物量分配策略的影响第25页
        2.2.3 施氮对植物细根形态结构、生长特性的影响第25页
        2.2.4 施氮后植物对氮素吸收的策略问题第25页
        2.2.5 施氮对土壤养分含量的影响第25页
    2.3 研究方法第25-28页
        2.3.1 试验设计第25-26页
        2.3.2 施氮对植物地上部分的影响第26-27页
        2.3.3 施氮对植物地下部分的影响第27-28页
        2.3.4 施氮对土壤养分含量的影响第28页
        2.3.5 数据统计分析第28页
    2.4 技术路线第28-30页
第三章 施氮对不同植物群落组成结构及其生物多样性影响第30-42页
    3.1 施氮对植物群落物种组成的影响第30-36页
        3.1.1 施氮对猪毛蒿群落的影响第31-32页
        3.1.2 施氮对阿尔泰狗娃花群落的影响第32-33页
        3.1.3 施氮对达乌里胡枝子群落的影响第33-34页
        3.1.4 施氮对长芒草群落的影响第34页
        3.1.5 施氮对铁杆蒿群落的影响第34-35页
        3.1.6 施氮对白羊草群落的影响第35-36页
    3.2 施氮对植物群落株高和密度的影响第36-38页
        3.2.1 施氮对植物群落株高的影响第36页
        3.2.2 施氮对植物群落总个体密度的影响第36-38页
    3.3 施氮对植物群落物种多样性的影响第38-41页
    3.4 本章小结第41-42页
第四章 施氮对不同植物群落生物量分配策略的影响第42-51页
    4.1 施氮对不同植物群落生物量的影响第43-44页
    4.2 施氮对不同植物群落地上生物量的影响第44-46页
    4.3 施氮对不同植物群落地下生物量的影响第46-48页
    4.4 施氮对不同植物群落地下生物量/地上生物量的影响第48-50页
    4.5 本章小结第50-51页
第五章 施氮对不同植物群落细根形态结构及生长的影响第51-61页
    5.1 施氮对不同植物群落细根生物量的影响第52-53页
    5.2 施氮对不同植物群落细根根长密度的影响第53-56页
    5.3 施氮对不同植物群落细根表面积的影响第56-58页
    5.4 施氮对不同植物群落细根比根长的影响第58-59页
    5.5 细根特征参数之间的相关性分析第59-60页
    5.6 本章小结第60-61页
第六章 施氮对不同植物群落氮养分分配特征的影响第61-67页
    6.1 施氮对不同植物群落叶片氮养分含量的影响第61-63页
    6.2 施氮对不同植物群落细根氮养分含量的影响第63-65页
    6.3 叶片与细根氮养分含量之间的相关分析第65页
    6.4 讨论第65-66页
    6.5 本章小结第66-67页
第七章 施氮对土壤养分特征的影响第67-75页
    7.1 施氮对土壤养分特征的影响第68-73页
        7.1.1 施氮对土壤PH值的影响第68-69页
        7.1.2 对土壤有机质含量的影响第69页
        7.1.3 对土壤全氮含量的影响第69-70页
        7.1.4 对土壤有效氮含量的影响第70-71页
        7.1.5 对土壤速效磷含量的影响第71-72页
        7.1.6 对土壤速效钾含量的影响第72-73页
    7.2 土壤各养分指标之间的相关分析第73页
    7.3 本章小结第73-75页
第八章 主要结论与展望第75-78页
    8.1 主要结论第75-76页
    8.2 主要创新点第76-77页
    8.3 本研究的不足之处与展望第77-78页
参考文献第78-87页
致谢第87-89页
作者简介第89页
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