退化喀斯特植被恢复过程中土壤生物学特性研究 ——以贵州花江地区为例

论文摘要

退化喀斯特生态系统的恢复与重建是当今生态学研究的热点问题之一。对于喀斯特退化生态系统的研究,主要集中在个体生态、退化群落的自然恢复和土壤质量的理化特性等方面,取得了丰硕成果,积累了较丰富的实践经验,并提出了一些喀斯特植被恢复的新理论。但对西南退化喀斯特植被恢复过程中土壤质量的微生物学特性缺乏系统的研究。因此,本文以贵州喀斯特高原生态综合治理试验示范区内退化喀斯特植被恢复过程中的土壤作为研究对象,采用室内培养、生化活性实验和相关数学分析相结合的研究方法,分别对春、夏、秋、冬四个季节不同生境、不同层次、根际及非根际的土壤微生物活性指标(包括各类土壤微生物数量、生化作用强度、微生物生物量碳、微生物熵、基础呼吸、代谢熵、微生物群落功能多样性和土壤酶活性)进行了研究;在前人研究贵州退化喀斯特植被群落特征和土壤质量理化性质的基础上,探讨了退化喀斯特植被恢复过程土壤质量演变的微生物机制及土壤—植物系统中的微生物生态恢复机制,建立土壤质量评价指标体系,为我国南方退化喀斯特植被恢复和重建提供土壤微生物学方面的科学依据。主要研究结果如下:(1)退化喀斯特植被恢复过程中不同生境、不同层次、不同季节以及根际、非根际的土壤微生物及酶活性均随植被的恢复而逐渐增加,表现为乔木群落阶段＞灌木群落阶段＞草木群落阶段＞裸地阶段;但代谢熵的变化刚好与之相反,随植被的恢复而下降。植被恢复过程中土壤各类微生物数量的差异很大,其数量关系是细菌＞放线菌＞真菌,细菌为优势类群,占90%以上;氨化细菌＞固氮菌＞纤维分解菌＞硝化细菌。其中,不同恢复阶段土壤微生物总数以乔林群落最多,每克干土中的含菌量达72.49×10~5个,裸地最低,每克干土中的含菌量达29.96×10~5个。裸地阶段微生物富集不明显,这可能是由于裸地阶段大量对于土壤条件变化敏感的微生物种群消失,仅保留了抗逆性较强的少量微生物。(2)不同生境间土壤微生物及酶活性指标测定结果表明:退化喀斯特植被恢复过程中,土壤微生物活性在不同生境间的变化总体上表现为石沟小生境偏大的特点,这是因为石沟生境的特点有利于微生物类群及土壤动物群体的繁殖。(3)土壤剖面上土壤微生物及酶活性指标测定结果表明,退化喀斯特植被恢复过程中土壤微生物及酶活性具有相似的垂直变化特征,即随着土层深度的增加而减弱,表现为A层＞B层的变化特点;而微生物熵的垂直变化与以上生物活性指标的变化相反,表现为A层＜B层的特点。(4)根际、非根际土壤微生物及酶活性指标测定结果表明:退化喀斯特植被恢复过程中,土壤微生物及酶活性在根际和非根际表现相似的变化规律,均表现为R＞S的变化特点,且根际效应R/S值均在1.0以上,并随植被的恢复而逐渐减少。而微生物熵的变化则表现为R＜S的特点。(5)从季节变化可以看出,退化喀斯特植被恢复过程中,土壤微生物及酶活性随季节变化而变化,表现出明显的季节性。除土壤蔗糖酶、淀粉酶活性的季节动态变化为秋季最大,冬季最小外,其余指标均表现为夏季最大、冬季最小的变化特征。(6)应用多元统计分析方法,建立适于评价退化喀斯特植被的恢复对土壤微生态影响效果的生物学指标评价体系。认为细菌、真菌、放线菌、微生物总数、硝化细菌、纤维素分解菌、固氮菌的数量、氨化作用、硝化作用、纤维素分解作用、固氮作用、微生物量C、基础呼吸、AWCD、Shannon指数、Simpson指数、蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶等微生物活性指标,在评价土壤生物学肥力质量时具有十分重要的作用;氨化细菌数量、微生物熵、代谢熵等微生物活性指标,在土壤生物学肥力评价中也具有一定的作用,但对土壤肥力质量评价的影响较小。此外,土壤微生物数量、生化作用强度、生物量生物碳、基础呼吸、群落功能多样性以及土壤酶活性与土壤肥力的关系密切,它们相互依存,相互影响,对土壤生态系统的稳定和维持,以及土壤生产力的可持续性上起着决定性的作用,单个的土壤微生物活性或酶活性指标不能准确地反映土壤肥力的大小。(7)用土壤综合肥力指标值(IFI)最终评价各恢复阶段的土壤生物学肥力质量,其顺序依次为:乔木群落A层＞灌木群落A层＞草木群落A层＞裸地A层＞乔木群落B层＞灌木群落B层＞草木群落B层＞裸地B层,该结果与实际情况相同,进一步说明植被恢复过程中土壤物质循环逐渐加快,微生物活性逐渐增强,土壤生物学肥力逐渐提高,揭示了退化喀斯特植被的恢复对土壤生态肥力有了一定的改善,有利于土壤生物学质量的提高。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究综述
• 1.1.1 南方退化喀斯特森林生态系统自然恢复演替的研究现状
• 1.1.2 喀斯特森林生境特征研究
• 1.1.3 土壤质量研究
• 1.1.3.1 土壤质量的定义
• 1.1.3.2 土壤质量评价
• 1.1.4 土壤微生物生态研究
• 1.1.4.1 微生物种类
• 1.1.4.2 微生物数量
• 1.1.4.3 微生物生物量
• 1.1.4.4 微生物生化作用强度
• 1.1.4.5 土壤微生物多样性
• 1.1.4.6 土壤微生物和根际微生物
• 1.1.4.7 土壤酶
• 1.1.5 土壤微生物与土壤酶的关系
• 1.1.6 土壤生物学肥力研究
• 1.1.6.1 土壤生物学肥力研究概况
• 1.1.6.2 土壤生物学肥力指标研究
• 1.1.7 存在的问题
• 1.2 立题依据、研究的目的及意义
• 1.3 研究思路及技术路线
• 1.3.1 研究区概况
• 1.3.2 研究思路及技术路线
• 第二章 土壤微生物数量分布特征
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 分析方法
• 2.2.2.1 土壤三大微生物数量分析
• 2.2.2.2 壤微生物主要生理类群数量分析
• 2.2.3 数据处理
• 2.3 结果分析
• 2.3.1 植被恢复过程中土壤三大微生物数量分布特征
• 2.3.1.1 不同生境土壤三大微生物数量分布
• 2.3.1.2 土壤三大微生物数量的垂直分布
• 2.3.1.3 根际和非根际土壤三大微生物数量分布
• 2.3.1.4 土壤三大微生物数量的季节动态
• 2.3.2 植被恢复过程中土壤微生物主要生理类群的数量分布特征
• 2.3.2.1 不同生境土壤微生物生理类群数量分布
• 2.3.2.2 土壤微生物生理类群数量的垂直分布
• 2.3.2.3 根际和非根际土壤微生物生理类群数量分布
• 2.3.2.4 土壤微生物生理类群数量的季节动态
• 2.4 小结
• 第三章 土壤生化作用强度的变化特征
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 分析方法
• 3.2.3 数据处理
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 植被恢复过程中不同生境土壤生化作用强度的变化
• 3.3.2 植被恢复过程中土壤生化作用强度的垂直变化
• 3.3.3 植被恢复过程中根际和非根际土壤生化作用强度的变化
• 3.3.4 植被恢复过程中土壤生化作用强度的季节动态
• 3.4 小结
• 2的变化'>第四章 土壤微生物生物量碳、微生物熵、基础呼吸及qCO₂的变化
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 分析方法
• 4.2.3 数据处理
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 植被恢复过程中土壤微生物生物量碳及qSMBC的变化
• 4.3.1.1 不同生境土壤微生物生物量碳及qSMBC的变化
• 4.3.1.2 土壤微生物生物量碳及qSMBC的垂直变化
• 4.3.1.3 土壤微生物生物量碳及qSMBC的根际和非根际变化
• 4.3.1.4 土壤微生物生物量碳及qSMBC的季节动态
• 2的变化'>4.3.2 植被恢复过程中土壤基础呼吸及qCO₂的变化
• 2的变化'>4.3.2.1 不同生境土壤基础呼吸及qCO₂的变化
• 2的垂直变化'>4.3.2.2 土壤基础呼及qCO₂的垂直变化
• 2的根际和非根际变化'>4.3.2.3 土壤基础呼及qCO₂的根际和非根际变化
• 2的季节动态'>4.3.2.4 土壤基础呼及qCO₂的季节动态
• 4.4 小结
• 第五章 土壤微生物群落功能多样性的变化特征
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 BIOLOG ECO微平板分析
• 5.2.3 数据分析
• 5.2.4 数据处理
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 植被恢复过程中土壤AWCD的分析
• 5.3.1.1 根际和非根际土壤AWCD的变化
• 5.3.1.2 AWCD的垂直变化
• 5.3.1.3 AWCD的生境变化
• 5.3.2 植被恢复过程中土壤微生物群落功能多样性指数的分析
• 5.3.2.1 根际和非根际土壤微生物群落功能多样性指数的变化
• 5.3.2.2 土壤微生物群落功能多样性指数的垂直变化
• 5.3.2.3 土壤微生物群落功能多样性指数的生境变化
• 5.4 小结
• 第六章 土壤酶活性的变化特征
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 分析方法
• 6.2.3 数据处理
• 6.3 结果分析
• 6.3.1 植被恢复过程中不同生境土壤酶活性的变化
• 6.3.2 植被恢复过程中土壤酶活性的垂直变化
• 6.3.3 植被恢复过程中根际和非根际土壤酶活性的变化
• 6.3.4 植被恢复过程土壤酶活性的季节动态
• 6.4 小结
• 第七章 土壤微生物与土壤酶活性之间的相关性分析
• 7.1 引言
• 7.2 土壤微生物与土壤酶活性之间的相关性分析
• 7.2.1 土壤三大微生物数量与酶活性之间的相关性
• 7.2.2 土壤微生物生理类群数量与酶活性之间的相关性
• 7.2.3 土壤生化作用强度与酶活性之间的相关性
• 7.2.4 土壤微生物生物量碳、基础呼吸与酶活性间的相关性
• 7.2.5 土壤微生物群落功能多样性与酶活性间的相关性
• 7.2.6 土壤生物学活性指标之间的相关性
• 7.3 小结
• 第八章 土壤生物学指标对其生态肥力质量评价
• 8.1 引言
• 8.2 土壤生物学指标对其生态肥力质量评价
• 8.2.1 评价指标系数标准化
• 8.2.2 土壤生物学评价指标主成分分析
• 8.2.3 各恢复阶段的主成分得分值计算
• 8.2.4 各恢复阶段的土壤生物学综合肥力质量评价
• 8.3 土壤质量变化趋势分析
• 8.4 小结
• 第九章 结论、讨论及问题展望
• 9.1 结论与讨论
• 9.1.1 结论
• 9.1.2 主要创新点
• 9.1.3 讨论
• 9.2 问题展望
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要