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科尔沁沙质草地纤维素分解菌的筛选、鉴定及其分解能力

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中国沙漠 2015年第6期35卷 1584-1591页

作者：王少昆赵学勇黄文达李玉强岳祥飞张腊梅中国科学院寒区旱区环境与工程研究所奈曼沙漠化研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

从科尔沁沙质草地土壤中,通过分离、纯化、初筛和复筛得到2株分解纤维素(CMC)能力较强的真菌(NM1-1和NM1-2),采用形态学和rDNA-ITS分子生物学相结合的方法鉴定分别为伪弯头曲霉(Asperigillus pseudodeflectus)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxy... 详细信息

从科尔沁沙质草地土壤中,通过分离、纯化、初筛和复筛得到2株分解纤维素(CMC)能力较强的真菌(NM1-1和NM1-2),采用形态学和rDNA-ITS分子生物学相结合的方法鉴定分别为伪弯头曲霉(Asperigillus pseudodeflectus)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)。NM1-1和NM1-2对布条的分解效果较好,30d的分解率分别达到15.69%和16.91%;凋落物分解试验表明,加NM1-1和NM1-2的草地凋落物分解率在30d内分别达53.61%和45.72%,分别比对照高7.70和6.42倍。NM1-1和NM1-2的CMC酶活性显著高于其生存的土壤环境。科尔沁沙质草地土壤高效纤维素分解菌的分离和筛选不仅补充了沙质草地土壤功能微生物库,同时对沙地凋落物分解和土壤有效养分输入起到促进作用。

关键词：纤维素分解菌筛选分解能力科尔沁沙质草地

科尔沁沙质草地土壤微生物生物量对管理方式、氮添加及降水量变化的响应

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科尔沁沙质草地土壤微生物生物量对管理方式、氮添加及降水量变化...

作者：刘宏庆西北师范大学

学位级别：硕士

草地生态系统是全球范围地表分布最广泛的生态系统类型,同时也是中国总面积最大的陆地生态系统,在我国的生态环境、农牧经济等方面有着极其重要的作用。然而由于人类日趋增长的物质能量需求和工业化的蓬勃发展,各地草地生态系统已遭到... 详细信息

草地生态系统是全球范围地表分布最广泛的生态系统类型,同时也是中国总面积最大的陆地生态系统,在我国的生态环境、农牧经济等方面有着极其重要的作用。然而由于人类日趋增长的物质能量需求和工业化的蓬勃发展,各地草地生态系统已遭到了严重的破坏,正面临着开垦、放牧等管理方式,以及氮沉降、降水格局改变等全球变化影响的挑战。草地生态系统中物质的循环与能量的转化离不开土壤的参与,因此土壤质量的高低对草地生态系统的安全有着直接的影响,而土壤微生物生物量作为土壤质量评价的生物学指标,能够较早的反映土壤质量发展与退化状态。所以,探究草地管理方式及全球变化对草地土壤微生物量的影响对草地生态系统的保护具有重要意义。本研究依托中国科学院奈曼沙漠化研究站,于中国北方半干旱沙地-科尔沁沙地中南部建立野外控制试验观测场,通过设置管理方式（放牧、封育）、模拟氮沉降（不施氮、氮添加）和降水量变化（CK、减雨60%、增雨60%、极端减雨60天、极端增雨60天）进行控制实验,检测了科尔沁沙地中南部沙质草地近两年间土壤微生物生物量C、N的响应规律,并探讨了这些变化产生的缘由。研究主要结果如下:（1）管理方式、氮添加及降水量变化对科尔沁沙质草地土壤微生物生物量C、N产生了显著的影响,表现为:（a）管理方式（p＜0.05）、氮添加（p＜0.01）、降水量变化（p＜0.05）均显著或较显著的改变了土壤微生物生物量C,管理方式与氮添加（p＜0.05）、管理方式与降水量变化（p＜0.01）、管理方式与氮添加及降水量变化（p＜0.01）对土壤微生物生物量C的影响均存在交互作用;（b）氮添加（p＜0.01）、降水量变化（p＜0.05）显著或较显著的改变了土壤微生物生物量N,管理方式与氮添加（p＜0.05）、管理方式与降水量变化（p＜0.05）、氮添加与降水量变化（p＜0.001）对土壤微生物生物量C的影响存在交互作用。（2）科尔沁沙质草地土壤微生物量碳、氮在控制实验中均产生了极显著的季节变化（p＜0.001）,表现为夏季显著大于春季,但无显著年际变化。土壤微生物生物量C对年际变化、管理方式、氮添加三个因子的响应存在显著的交互作用（p＜0.01）,季节变化、管理方式对土壤微生物生物量C的效力也存在较显著的交互作用（p＜0.05）。（3）在对土壤微生物量碳的检测中:放牧处理在夏季较围封平均提高了15.23%,而在春季表现为降低了18.93%;施氮处理较不施氮处理平均降低了25.13%;增减雨处理未能显著提高检测值,平均降幅20.19%;极端干旱60天处理在试验中期表现为最低值,在恢复降水1月后出现爆发式增长,高于其他降水量处理。在对土壤微生物量氮的检测中:封育处理平均增加了11.84%;施氮处理平均增加了28.39%,而降水量变化各类处理均未显著提高检测值,平均下降了17.64%。（4）不施氮×放牧处理、放牧×极端干旱60天处理、不施氮×极端干旱60天处理在干湿交替后的土壤微生物生物量C相对处于最高水平;施氮×封育处理、封育×减雨60%处理、施氮×极端增雨60天处理土壤微生物生物量N相对最高。综上所述,本研究通过野外实测调查发现管理方式、氮添加及降水量变化对科尔沁沙质草地土壤微生物量碳、氮产生了显著的影响,但是对土壤微生物生物量C、N的影响并不一致,土壤微生物生物量C相对更加敏感。研究区所在草地生态系统较为脆弱,对外界因素的改变并不能良好的适应,在短期内就因管理方式、氮添加及降水量变化的影响产生了改变。目前辖区内的季节轮牧政策、氮沉降速率及降水格局相对有利于研究区土壤微生物生物量的提高,未来可以通过减少氮肥施用以及相关单位提供实施灌溉预报的方式对土壤质量进行保护。研究结果可为中国北方干旱半干旱沙质草地生态系统土壤微生物量对草地管理方式及全球变化的响应提供研究基础。

关键词：科尔沁沙质草地土壤微生物生物量C 土壤微生物生物量N 草地管理方式氮添加降水量变化

凋落物添加和不同降水梯度对科尔沁沙质草地土壤呼吸的影响

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凋落物添加和不同降水梯度对科尔沁沙质草地土壤呼吸的影响

作者：裴洁西北师范大学

学位级别：硕士

干旱与半干旱区草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,同时也是最脆弱的生态系统类型之一,该地区土壤碳的主要损失途径是土壤呼吸。研究各环境因子对土壤呼吸的影响,有助于掌握土壤呼吸在不同因子作用下的规律。现如今,在人类行为以... 详细信息

干旱与半干旱区草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,同时也是最脆弱的生态系统类型之一,该地区土壤碳的主要损失途径是土壤呼吸。研究各环境因子对土壤呼吸的影响,有助于掌握土壤呼吸在不同因子作用下的规律。现如今,在人类行为以及工业化活动积累下,干旱以及半干旱区的生态系统遭到严重破坏,面临着碳损失、降水格局改变、气候变暖等全球性质的挑战。因此开展凋落物添加和不同人工降水梯度干旱-半干旱草地生态系统土壤呼吸的影响,对探寻土壤生态系统物质循环规律、碳循环预测以及退化草地的保护具有积极作用。本研究依托中国科学院奈曼沙漠化研究站,选取站内试验场一块没有经过施肥施氮处理的沙质草地,基于2种凋落物添加与5种降水梯度的设置进行野外定点土壤呼吸观测试验。根据该地区降水规律,将单次降水量分别设置为3mm、6mm、12mm、24mm、45mm,降水频率依次为2天、4天、8天、16天、30天。同时设置两种凋落物添加,分别是豆科植物小叶锦鸡儿和禾本科植物糙隐子草。通过对春季末期(5月份)以及夏季盛期(7月份)的5种不同频率降水控制,作用在不同的呼吸底物上开展研究,结果如下:(1)科尔沁沙质草地的土壤总呼吸、微生物呼吸、根呼吸均会在人工降水过后出现峰值现象,5月份最大峰值现象出现在实验中期,7月份最大峰值现象出现在实验初期。(2)不同人工降水梯度显著影响土壤呼吸、微生物呼吸、根呼吸速率的动态变化。表现为3mm/2d降水梯度使得土壤处于恒湿条件下,土壤呼吸速率平均值最大;45mm/30d降水梯度使得土壤相对干旱,土壤呼吸速率平均值最小。不同人工降水梯度对微生物呼吸以及根呼吸速率也有显著的影响:在5月份与7月份的动态监测中,微生物呼吸在3mm/2d降水梯度比45mm/30d降水梯度提高93.45%、25.95%,根呼吸速率提高10.82%、29.17%。(3)呼吸底物的添加极显著影响土壤呼吸(p科尔沁沙地土壤呼吸碳循环研究以及干旱-半干旱草地生态系统保护提供理论基础。

关键词：科尔沁沙质草地凋落物添加降水梯度变化土壤呼吸小叶锦鸡儿糙隐子草

氮沉降和改变凋落物输入对科尔沁沙质草地土壤呼吸的影响

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氮沉降和改变凋落物输入对科尔沁沙质草地土壤呼吸的影响

作者：赵欣鑫西北师范大学

学位级别：硕士

人类活动的加剧引起氮沉降逐年上升,而且未来的一段时间这一现象将仍会持续。氮沉降增加深刻影响陆地生态系统初级生产力,最终改变凋落物向土壤的输入。在氮沉降问题日益严重的环境背景下,开展氮沉降和改变凋落物输入对土壤呼吸的影响研... 详细信息

人类活动的加剧引起氮沉降逐年上升,而且未来的一段时间这一现象将仍会持续。氮沉降增加深刻影响陆地生态系统初级生产力,最终改变凋落物向土壤的输入。在氮沉降问题日益严重的环境背景下,开展氮沉降和改变凋落物输入对土壤呼吸的影响研究,为未来全球变化背景下的沙质草地土壤碳循环响应趋势的预测赋予了重要的科学意义。本研究依托中国科学院奈曼沙漠化研究站,以科尔沁沙质草地为研究区域,通过设置氮沉降(N0、N10)和改变凋落物输入(对照、凋落物加倍、去除凋落物、火烧)的野外控制试验,动态监测沙质草地生态系统整个生长季的土壤呼吸、根呼吸和微生物呼吸速率,同时对土壤微生物量C、N含量等指标进行了测定。探讨土壤呼吸各组分对氮沉降和改变凋落物输入的响应过程,揭示氮沉降和改变凋落物输入对沙质草地生态系统碳循环的主要影响。加深对全球变化背景下北方干旱半干旱沙质草地碳循环过程的全面认识,为草地生态系统碳循环的科学评估提供理论支持。研究的主要结果如下:(1)整个生长季内,科尔沁沙质草地土壤总呼吸、微生物呼吸和根呼吸速率均具有明显的季节动态,呼吸速率值均在6月下旬最低,并于植物生长旺季(7月下旬到8月上旬)达到最高,氮沉降和改变凋落物输入并未改变沙质草地根呼吸、微生物呼吸、土壤呼吸的季节动态特征。(2)氮沉降对生长季内沙质草地土壤呼吸速率具有显著影响(p沙质草地平均土壤呼吸速率提高了14%(p0.05),因此,氮沉降对沙质草地土壤呼吸速率的显著促进作用主要源自根呼吸的贡献。(3)改变凋落物输入对土壤呼吸具有显著影响。与对照相比较,去除凋落物使沙质草地土壤总呼吸速率降低了15%,这主要是因为去除凋落物明显抑制了土壤微生物呼吸(p0.05),导致对土壤总呼吸的影响并不明显(p>0.05)。此外,增加凋落物输入对土壤总呼吸、微生物呼吸以及群落根呼吸均没有显著的影响(p>0.05)。(4)氮沉降增加对土壤微生物量C含量无显著影响(p>0.05),但凋落物加倍使土壤微生物量C含量提高了21%(p0.05)。综上所述,氮沉降增加对科尔沁沙质草地土壤呼吸具有显著的促进作用,影响主要源自根呼吸的贡献。去除凋落物由于减少了土壤呼吸的底物供应,使土壤微生物生物量下降,并明显降低了微生物呼吸速率。而增加凋落物输入虽然显著提高了土壤微生物生物量,但是对土壤呼吸无显著影响。火烧则在抑制微生物呼吸的同时又提高了根呼吸速率,以至于对土壤总呼吸的影响并不显著。研究结果对全球变化背景下,沙质草地土壤碳循环过程的进一步认识和草地生态系统碳收支平衡的科学评估具有重要意义。

关键词：土壤呼吸氮沉降凋落物微生物量C、N 科尔沁沙质草地

科尔沁退化草地土壤团聚体稳定性及有机碳含量变化的影响机制研究

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科尔沁退化草地土壤团聚体稳定性及有机碳含量变化的影响机制研究

作者：姚远东北师范大学

学位级别：硕士

土壤是陆地生态系统最大的碳库,其碳储量是大气的2倍,土壤有机碳库的微小波动都会对大气中的CO浓度和气候变化产生显著的影响。草地生态系统土壤有机碳储量占全球土壤的20～30%。全球范围内,大部分草地出现不同程度的退化,而过度放牧则... 详细信息

土壤是陆地生态系统最大的碳库,其碳储量是大气的2倍,土壤有机碳库的微小波动都会对大气中的CO浓度和气候变化产生显著的影响。草地生态系统土壤有机碳储量占全球土壤的20～30%。全球范围内,大部分草地出现不同程度的退化,而过度放牧则被认为是导致草原退化的主要干扰因素之一。草地退化通常伴随着土壤有机碳的流失,从而造成温室气体的释放。因此,了解退化草地土壤有机碳流失的潜在机制,对于缓解气候变化具有重要意义。土壤有机碳储量是由植物主导的碳输入、微生物介导的有机碳分解和有机碳的物理化学保护机制之间的权衡决定。土壤团聚体作为土壤的基本结构单位,在对土壤有机碳的物理化学保护中发挥着关键作用,进而影响土壤碳循环。本研究以科尔沁退化草地为研究对象,选取未退化、轻度退化、中度退化和重度退化草地组成退化草地序列,测定分析其植物生物量及群落组成、微生物群落结构、土壤酶活性、土壤团聚体分布和其他土壤理化性质,揭示科尔沁草地退化过程中土壤团聚体稳定性及其内部微生物群落结构变化并分析影响土壤有机碳流失的主要因子。主要结果如下:(1)随着草地退化程度加剧,土壤有机碳含量及氮磷含量降低。草地退化造成大团聚体的崩解,大团聚体比例及其碳氮含量均随退化梯度降低。团聚体稳定性(平均重量直径和几何平均直径)随退化梯度减小。方差分解和结构方程模型结果表明,植物根系生物量及可交换钙镁离子含量是导致团聚体稳定性变化的主要因素。(2)草地盐碱退化导致不同粒径团聚体内微生物群落结构发生显著变异,引起大团聚体微生物群落结构差异的主要因素为可溶性氮含量、总磷含量和p H,微团聚体为可溶性有机碳含量、有机碳含量、总氮含量、总磷含量和p H,粉-黏团聚体为可溶性有机碳含量、有机碳含量和p H。(3)结构方程模型及冗余分析结果表明随着草地退化程度加剧,植物对磷的吸收作用减弱及磷的风化作用加强导致土壤有效磷含量增加,与此同时有机碳物理化学保护减弱,所以微生物群落碳和磷限制逐渐减弱,进而致使其因获取资源而分泌的胞外水解酶活性减小,从而造成微生物碳利用效率随退化梯度升高。相关性分析结果表明微生物碳利用效率与革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比值呈显著正相关关系。(4)植物地上生物量、地下生物量及凋落物生物量均随退化梯度下降并与土壤有机碳含量呈正相关关系,表明植物对土壤的碳输入随退化梯度降低。微生物碳利用效率沿退化梯度增加,微生物生物量沿退化梯度减小,造成土壤碳分解酶活性随之减弱,表明微生物对有机碳的分解能力随退化梯度减弱。综合分析造成土壤有机碳流失的主要因素,土壤因素的解释度最高为51.8%,而在土壤因素中可交换钙离子解释度最高为20.06%,其次为土壤团聚体稳定性为11.79%,表明草地退化引起的有机碳物理化学保护作用的弱化,是导致土壤有机碳流失的主要原因。综上所述,草地退化使团聚体尺度微生物群落发生显著变化。同时,草地退化引起可交换钙离子流失和团聚体崩解,导致土壤有机碳的流失。由于草地退化造成微生物碳利用效率升高及生物量减小导致其对土壤有机碳的矿化能力减弱,从而缓解了土壤有机碳的流失。本研究深化了草地退化对土壤团聚体尺度微生物群落影响的理解,并揭示土壤有机碳流失的机制,强调了物理化学保护在土壤碳循环中的重要作用,有利于退化草地的可持续管理。在今后的研究中我们需要将植被特征、微生物群落结构与功能以及土壤物理化学性质结合起来,以便更好的预测陆地生态系统碳动态对环境变化的响应。

关键词：草地退化土壤团聚体土壤有机碳科尔沁沙质草地有机碳保护机制

地下水埋深对半干旱区典型植物群落土壤环境与根系生物量的影响研究

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地下水埋深对半干旱区典型植物群落土壤环境与根系生物量的影响研...

作者：苏天燕海南大学

学位级别：硕士

在全球变化背景下,我国半干旱区草地生态系统植被生长受水分限制,地下水是土壤水分重要来源,地下水位埋深影响土壤—植被系统的物质循环和能量流动。为此,利用田间控制试验的方法,于2017年布设控制试验,设置三种地下水位埋深梯度(0.5 m... 详细信息

在全球变化背景下,我国半干旱区草地生态系统植被生长受水分限制,地下水是土壤水分重要来源,地下水位埋深影响土壤—植被系统的物质循环和能量流动。为此,利用田间控制试验的方法,于2017年布设控制试验,设置三种地下水位埋深梯度(0.5 m、1.0 m、2.0 m)和两种植物群落(白草和差蒿)共6个处理。在2017-2019年按土壤深度0-10 cm、10-20 cm和20-40 cm分层采集土样;在2020年时,三种不同地下水位埋深梯度分别按0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm和0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm以及0-20 cm、20-40 cm、40-80 cm、80-100 cm、100-120 cm三种不同土壤深度划分分层取样。通过对土壤有机碳等土壤理化指标、土壤酶活、土壤微生物生物量及植物根系生物量的测定,研究科尔沁沙质草地在不同地下水位埋深处理中土壤环境与植物根系的响应机制,为探讨全球变化和碳储量预测提供理论依据。主要研究如下:(1)经过三种不同地下水位埋深处理,2017-2020年土壤表层0-40 cm土壤理化性质平均值在年际变化中均发生不同程度的改变。在白草群落中,土壤p H、全氮和全磷含量均随年际变化逐渐增加,土壤有机碳含量逐渐下降的变化规律。在差蒿群落中,土壤有机碳和全氮含量均随年际变化逐渐下降,土壤p H逐年呈上升趋势,全磷含量在年际变化中不明显。在2020年时,白草群落土壤有机碳平均含量随着地下水位埋深的加深和土层深度的加深而递减,全氮和全磷平均含量随着地下水位埋深的加深逐渐减小;差蒿群落土壤p H、土壤有机碳、全氮和全磷平均含量均随着地下水位埋深的加深而递减。(2)白草和差蒿群落在不同地下水位埋深处理中,2020年土壤0-20 cm和20-40 cm的酶活性达到显著差异水平(P草地表层土壤有机碳的分解,也表明干旱环境是有利于增加土壤酶活性。(3)在2020年20-40 cm土层中,白草和差蒿群落的土壤微生物生物量碳平均值最高,白草群落土壤微生物生物量碳含量和差蒿群落土壤微生物生物量氮含量在0-20 cm土层中分别呈显著性下降和上升的变化规律。(4)在2020年中,白草的总根系生物量在0-40 cm土层中均随地下水位埋深的加深而降低。差蒿的总根系生物量、细根系生物量和粗根系生物量均随地下水位埋深的加深而降低。试验中两种植被的粗根生物量仅存在100 cm土层以上。(5)结果表明土壤有机碳、全氮和全磷含量均随总根系生物量的增加而显著增加,具有显著正相关关系;土壤p H随总根系生物量的增加而减小,表现出负相关关系。由两种植被根系与土壤酶活进行相关性分析可得,在地下水位埋深1.0 m处理中,白草群落的亮氨酸氨基肽酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶与总根系生物量存在显著负相关关系(P<0.05),多酚氧化酶与细根系生物量呈显著负相关,亮氨酸氨基肽酶与粗根系生物量存在显著负相关。在差蒿群落中,亮氨酸氨基肽酶与细根系生物量存在显著负相关,多酚氧化酶与总根系生物量和细根系生物量分别呈现显著负相关(P<0.05)和极显著负相关关系(P<0.01)。在地下水位埋深2.0m处理中,白草群落中仅有多酚氧化酶与根系生物量呈显著相关性。在差蒿群落中,乙酰氨基葡萄糖酶和多酚氧化酶与总根系生物量分别具有显著正性相关和极显著正相关关系;酸性磷酸酶、葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖酶和多酚氧化酶分别与细根系生物量呈显著正相关和极显著正相关。白草群落的总根系生物量和细根系生物量均与土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮呈极显著负相关(P<0.01);粗根系生物量与土壤微生物生物量碳呈极显著负相关,与土壤微生物生物量氮呈显著负相关(P<0.05);差蒿群落的总根系生物量与土壤微生物生物量碳呈显著负相关。由地下水位埋深植被根系与土壤理化性质、酶活及微生物生物量的主成分分析可得,在地下水位埋深0.5 m处理中白草和差蒿的根系生物量(总根系生物量、细根系生物量、粗根系生物量)均与土壤有机碳、全氮和全磷呈正相关关系。除此之外,差蒿的根系生物量与土壤p H和土壤微生物生物量氮存在正相关关系,白草的根系生物量与土壤p H和土壤微生物生物量氮存在负相关关系。在地下水位埋深1.0 m处理中,白草群落土壤过氧化氢酶和土壤p H与根系生物量呈负相关关系;差蒿群落土壤过氧化氢酶与土壤p H呈负相关关系,与根系生物量呈正相关关系。

关键词：科尔沁沙质草地地下水位埋深土壤理化性质土壤酶活土壤微生物生物量植物根系