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生态学报 2023年第23期43卷 9662-9673页

作者：焦冰洁徐琳李香真张丙昌山西师范大学地理科学学院太原030031 山西师范大学黄河中游生态环境研究中心太原030031 中国科学院成都生物研究所成都610041 四川农业大学生态林业研究所成都611100

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能。固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素。该区域生物结皮广泛发育,... 详细信息

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能。固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素。该区域生物结皮广泛发育,它们在干旱半干旱区土壤氮素积累过程中起着重要作用。但是该区域生物结皮不同发育阶段中的固氮潜力、固氮微生物群落多样性及其关键环境控制因子尚不清楚。以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区,三种生物结皮类型和裸地对照为研究对象,采用Illumina HiSeq平台对nifH基因扩增产物进行生物信息学分析,揭示了固氮潜力及微生物群落多样性的分布规律。结果表明,生物结皮演替显著影响固氮酶活性、nifH基因丰度和固氮微生物α-多样性,各值均在苔藓结皮最高,显著高于其它演替阶段,且生物结皮层高于结皮下层土壤。在固氮微生物群落组成上,裸地以变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目为主;而在藻结皮、地衣结皮和藓结皮阶段,均表现为蓝藻门的念珠藻目占绝对优势,是固氮微生物的关键类群,其中Trichormus、念珠藻属是优势固氮物种;与藻结皮、地衣结皮相比,藓结皮中念珠藻目的相对丰度显著降低,而变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目的丰度明显上升。除此之外,蓝杆藻属、鱼腥藻属、斯克尔曼氏菌属、瘤胃梭菌属在藻结皮、地衣结皮、藓结皮也占明显优势。念珠藻目以及Trichormus的丰度与固氮酶活性、nifH基因丰度呈显著正相关关系,而与红螺菌目、酸硫杆菌目、梭菌目、根瘤菌目呈显著负相关;Trichormus相关的物种在黄土高原生物结皮氮输入过程中可能发挥着关键作用。生物结皮演替通过改变土壤pH值、有机质、全氮、含水量等理化特征而影响了微生境,通过环境筛选和物种重排作用对固氮微生物群落进行综合调控,其中pH与土壤全氮(TN)发挥着关键作用。

关键词：黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮演替固氮微生物

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生物结皮发育对坡面水蚀过程的影响

生物结皮发育对坡面水蚀过程的影响

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作者：许欢欢西北农林科技大学

学位级别：硕士

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一,1999年“退耕还林(草)”工程的实施,生物土壤结皮得以广泛发育,其覆盖率可达到70%以上,对减少该区土壤侵蚀具有重要作用。有关生物结皮对坡面产流产沙过程的影响已有研究,但由于生物结皮类型... 详细信息

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一,1999年“退耕还林(草)”工程的实施,生物土壤结皮得以广泛发育,其覆盖率可达到70%以上,对减少该区土壤侵蚀具有重要作用。有关生物结皮对坡面产流产沙过程的影响已有研究,但由于生物结皮类型导致的土壤侵蚀差异仍缺乏系统研究;此外,生物结皮发育过程对坡面产流产沙的影响也不清楚。基于此,本研究以黄土高原退耕后广泛发育的生物结皮为研究对象,设置藻结皮、苔藓结皮和自然演替生物结皮3个处理,采用接种培育生物结皮和模拟降雨的方法,系统研究藻结皮、藓结皮和自然演替生物结皮发育特征及其对土壤性状的影响,明确坡面产流产沙对生物结皮类型及发育过程的响应特征,量化坡面产流产沙与生物结皮特征及土壤性状间的相互关系,揭示生物结皮发育过程对坡面土壤侵蚀的作用机制,为黄土高原植被恢复水土保持效益提供理论基础。取得主要结论如下:(1)生物结皮发育可显著增加盖度、厚度和生物量。经过5个月(176天)的生长发育,藻结皮、藓结皮和自然演替生物结皮处理结皮盖度、厚度和生物量分别是其生长初期(29天)的1.90～8.86、5.51～8.70和1.98～17.29倍。且随发育时间的增加,三种处理结皮盖度、厚度和生物量均呈指数函数增长(R(?)0.81,P结皮和自然演替生物结皮处理结皮生长58天后逐渐演替为藓结皮;藓结皮处理盖度、厚度和生物量在生长前132天均不同程度高于藻结皮和自然演替生物结皮处理,而后三种生物结皮盖度、厚度和生物量无显著差异。(2)结皮生长发育可以显著提高地表粗糙度和土壤粘结力。经过176天的培育,藻结皮、苔藓结皮和自然演替生物结皮处理地表粗糙度分别较裸地增加了4.25、4.58和4.62倍,粘结力增加了72.47%、75.59%和75.59%。且随结皮生长天数的增加,三种处理地表粗糙度及土壤粘结力呈指数函数增长(R(?)0.66,P结皮生长特征变化是影响土壤性状的主要因素,随结皮盖度、厚度和叶绿素的增加,地表粗糙度和土壤粘结力呈现指数函数增长(R(?)0.74,P结皮对地表粗糙度及土壤粘结力的作用强于藻结皮。(3)生物结皮发育过程可显著影响坡面流流型流态,增加径流阻力系数和水流剪切力。藻结皮、藓结皮和自然演替生物结皮处理坡面径流均为层流;结皮生长前58天径流均为急流,之后均为缓流。随着生长天数的增加,藻结皮、藓结皮和自然演替生物结皮处理坡面径流流速均呈现指数函数降低(R(?)0.82,P结皮盖度、厚度及生物量的增加,径流流速呈指数函数减小(R(?)0.73,P生物结皮生长发育可有效缩短坡面初始产流时间,促进坡面产流。经过176天的培育,藻结皮、藓结皮及自然演替生物结皮处理初始产流时间较裸地分别减少了60.90%、65.79%和69.92%,径流量分别增加了16.19%、21.92%和12.98%。随结皮生长天数的增加,藻结皮、藓结皮及自然演替生物结皮处理初始产流时间均呈降低趋势,其中自然演替生物结皮呈指数函数降低(R=0.71,P生物结皮发育过程可降低土壤细沟间可蚀性指数,减少坡面产沙。经过176天的培育,藻结皮、藓结皮及自然演替生物结皮处理细沟间可蚀性指数较裸地分别减少了96.65%、97.32%和98.24%,泥沙量分别减少了96.34%、97.03%和98.14%。随结皮生长天数的增加,藻结皮及苔藓结皮处理细沟间可蚀性指数指数呈指数函数减小(R(?)0.78,P生物结皮处理产沙量呈减少趋势,藓结皮处理产沙量在生长前132天均不同程度低于藻结皮和自然演替生物结皮处理,而后三种处理产沙量无显著差异。(6)生物结皮发育特征变化及其对土壤性状及坡面水动力学特性的改变可以显著影响坡面产沙过程。随着结皮盖度和叶绿素的增加,产沙量呈现指数函数减少(R(?)0.71,P结皮盖度和坡面径流量可以较好的模拟产沙量(R=0.69,NSE=0.56)。

关键词：藻结皮藓结皮生物结皮演替水动力学参数产流产沙过程黄土高原

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