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晋西北小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）人工灌丛营养特征与土壤肥力状况研究

作　者: 张强
导　师: 王孟本
学　校: 山西大学
专　业: 生态学
关键词: 营养特征土壤肥力灌丛肥岛土壤酶活性根际效应小叶锦鸡儿晋西北黄土丘陵区
分类号: S793
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)为锦鸡儿属(Caragana Fabr.)多年生豆科落叶灌木,是锦鸡儿属植物(又统称柠条)在我国黄土高原地区的主要栽培种之一。它既能防风固沙、保持水土,又是优质的灌木饲料植物资源,具有较高的生态经济价值。自20世纪60年代起,小叶锦鸡儿即在晋西北黄土丘陵区大量种植,成为当地退耕还林、植被恢复和水土保持的重要灌木树种之一。但在种植和管理过程中,一些地方出现了小叶锦鸡儿灌丛土壤肥力退化现象,还有部分地区因对其营养状况不了解,利用和管理措施不当,导致小叶锦鸡儿灌丛木质化严重、植被退化,使其生态和经济效益没有得到充分发挥。针对上述问题,本研究对晋西北黄土丘陵区小叶锦鸡儿人工灌丛的植物营养特征和土壤肥力状况进行了系统研究,以揭示小叶锦鸡儿灌丛对环境的响应和影响特征,提出对小叶锦鸡儿灌丛应采取的管理措施,为晋西北黄土丘陵区小叶锦鸡儿灌丛的可持续经营和生态环境重建提供理论依据。1.对小叶锦鸡儿灌丛地上部生物量和植株矿质养分含量的动态监测研究表明,其生物量和营养成分含量呈现随林龄增大先逐年增大而后逐年降低的态势。小叶锦鸡儿生物量(地上部干重)随生长年限的延长逐渐增大,30年时生物量最大,其后生物量开始减少。就植株不同器官(根、枝、叶)的各种矿质养分而言,以叶部的含量最高。与生物量趋势相同,小叶锦鸡儿不同器官的养分含量基本呈现先逐年(5龄、10龄、20龄)增高而后(30龄以后)有下降的趋势。对小叶锦鸡儿作为饲料的品质研究表明,其营养成分在平茬后随着生育期(从休眠期到开花期)的变化,主要营养成分含量逐步增加,呈浓缩型发展趋势,有利于家畜利用。随着生长年限延长体内粗蛋白、粗脂肪逐年下降,粗纤维含量上升,木质化程度高,适口性下降。综合考虑枝条生物量的大小和小叶锦鸡儿正常生长的需求,平茬后第3年应是小叶锦鸡儿作为饲料的最佳利用时间。2.在小叶锦鸡儿灌木林地,土壤的有机质、全氮、速效钾在植株根际土中均有一定程度的“富集现象”。由于小叶锦鸡儿根系的固氮作用和大量根系分泌物的存在,与土体土相比,根际土壤的全氮、有机质含量提高,pH下降,EC提高,养分有效性提高。在晋西北石灰性土壤上,磷是制约小叶锦鸡儿生长的关键因子。小叶锦鸡儿的生物量随磷肥用量的增加而显著增加。施磷能显著降低土壤pH,增加EC值,提高土壤各项速效养分的含量。3.营造小叶锦鸡儿人工灌丛有利于土壤团粒体形成,可降低土壤容重,改善土壤物理性状,增强土壤的抗冲蚀能力。随着小叶锦鸡儿灌丛生长年限的延长,0～40cm土壤容重逐渐减小,土壤总孔隙度提高；土壤机械组成中砂粒(>0.05mm)比例下降,粉粒(0.002～0.05mm)比例提高,土壤持水性、通气性等物理性状得以改善。随生长年限的增加,小叶锦鸡儿人工灌丛的土壤全氮、有机质和硝态氮含量均呈现先逐渐增大(30年生最大)随后降低的趋势；而全磷和全钾含量则无明显变化。与此同时,速效养分(尤其是有效磷和速效钾)则呈逐渐下降趋势。不同生长年限的小叶锦鸡儿灌丛的土壤全氮、有机质、有效磷和速效钾均具有明显的“表聚效应”,即0～20cm土层土壤养分含量显著大于20～40cm土层土壤。不同土地利用方式对土壤的物理性质影响较大。在0～20cm土层,土壤容重依次为小叶锦鸡儿人工林<混交林<农田<杨树林<撂荒地。0～20cm土层的土壤孔隙度则表现为小叶锦鸡儿人工林>混交林>农田>杨树林>撂荒地。小叶锦鸡儿杨树混交林的土壤有机质和全N含量最高,小叶锦鸡儿人工林和杨树林次之。在几种利用方式中,农田的有效磷含量最高,小叶锦鸡儿人工林和混交林的有效磷含量次之,而杨树林最低。农田有效磷含量较高与当地农民施磷肥有关。不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛下各部位土壤有机质及土壤速效养分含量均呈现明显的“肥岛效应”,即丛心>丛中>丛边>带间。4.小叶锦鸡儿灌丛的土壤碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性随着林龄的增长,酶活性先逐渐提高,20年达到最高,随后便下降。酶活性同时与土层深度有关,随土层加深土壤酶活性逐渐降低。根际土壤各种酶活性均高于根外土,但其活性与灌丛生长年限的关系则不明显。土壤磷酸酶活性自丛心、丛中、丛边、到带间依次减小,表现出明显的根际效应。不同土地利用类型之间的土壤(0～20cm)过氧化氢酶活性没有显著差异,但是其碱性磷酸酶活性的差异则很明显,即小叶锦鸡儿人工林>混交林>杨树林>撂荒>农田。在灌丛的不同部位,0～20cm土层土壤的微生物总数均大于20～40cm土层土壤。其中细菌数量占微生物总数的79%以上,尤其是丛心土壤细菌数达总数的90%以上。由丛心、丛中、丛边到带间,土壤微生物数量逐渐减少。土壤微生物区系随着距丛心距离的增加,自丛心、丛中、丛边到带间,细菌、真菌占总菌数的比例逐渐下降,放线菌的比例则增加。以上结果表明,在晋西北黄土丘陵区,30龄以上的小叶锦鸡儿灌丛已出现明显退化,土壤地力也开始衰退。结合试验区较为贫瘠的土壤以及管理粗放等现实情况,为充分发挥小叶锦鸡儿在退耕还林(草)和生态建设中的积极作用,我们初步提出以下几点建议：(1)对老龄林进行适当刈割、平茬小叶锦鸡儿萌蘖力极强,地上部分被破坏后会产生补偿或超补偿。对30年生以上灌丛,可以采取割条和樵采等方式进行合理利用。这些合理的刈割、平茬有利于老龄植株复壮更新,是促进其地上生物量快速恢复的有效方式。(2)在林地内酌情放牧当地畜牧业比较发达,尤以牧羊为主。由于在幼林内放牧会直接影响幼林的发育和郁闭度。建议禁止在幼龄林内放牧。在老龄林地内,每年开花期后可适当放牧。这样牲畜的啃食不仅能起到局部刈割的效果,而且牲畜活动的粪便等残留物也能起到培肥土壤的作用。(3)合理利用土地,营造灌乔混交林鉴于小叶锦鸡儿与杨树混交林对土壤的培肥效果强于小叶锦鸡儿灌木林。建议今后适当扩大此类灌乔混交林的营造。

全文目录

中文摘要  12-15
ABSTRACT  15-19
第一章引言  19-35
  1.1 研究背景与意义  19-23
    1.1.1 研究背景  19-21
    1.1.2 研究目的与意义  21-23
  1.2 国内外研究进展  23-35
    1.2.1 柠条的生物学特性  23-25
    1.2.2 根际效应  25-27
    1.2.3 灌丛土壤肥力及灌丛肥岛效应  27-31
    1.2.4 土壤微生物与酶活性  31-35
第二章研究区概况与研究方法  35-43
  2.1 研究区概况  35
  2.2 研究内容与技术路线  35-36
    2.2.1 研究内容  35
    2.2.2 技术路线  35-36
  2.3 研究方法  36-40
    2.3.1 小叶锦鸡儿灌丛及丛下植被调查方法  36-37
    2.3.2 小叶锦鸡儿灌丛根际研究方法  37-39
    2.3.3 小叶锦鸡儿灌丛土壤研究方法  39
    2.3.4 不同土地利用类型土壤研究方法  39-40
    2.3.5 土壤肥岛效应研究方法  40
  2.4 室内分析方法  40-43
    2.4.1 土壤理化性质测定  40-41
    2.4.2 土壤酶活性测定  41
    2.4.3 土壤微生物区系测定  41-42
    2.4.4 参数的计算及数据分析  42-43
第三章小叶锦鸡儿灌丛营养特征  43-55
  3.1 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛及丛下植被生物量  43-45
    3.1.1 小叶锦鸡儿灌丛生物量  43-44
    3.1.2 小叶锦鸡儿丛下植被生物量  44-45
  3.2 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛矿质元素含量  45-48
    3.2.1 矿质元素在各器官中的分布  45
    3.2.2 小叶锦鸡儿枝条的矿质元素含量  45-46
    3.2.3 小叶锦鸡儿叶片的矿质元素含量  46-47
    3.2.4 小叶锦鸡儿根系的矿质元素含量  47-48
  3.3 平茬后小叶锦鸡儿灌丛营养特征  48-52
    3.3.1 不同生育期小叶锦鸡儿枝条营养特征  48
    3.3.2 不同生长年限小叶锦鸡儿枝条营养成分含量  48-49
    3.3.3 小叶锦鸡儿不同器官营养成分含量  49-50
    3.3.4 小叶锦鸡儿枝条氨基酸含量  50-51
    3.3.5 小叶锦鸡儿枝条维生素含量  51-52
  3.4 讨论  52-54
  3.5 小结  54-55
第四章小叶锦鸡儿灌丛根际养分特征  55-65
  4.1 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛土壤根际养分效应  55-57
    4.1.1 土壤pH  55
    4.1.2 土壤有机质  55-56
    4.1.3 土壤全氮  56
    4.1.4 土壤速效钾  56-57
    4.1.5 土壤有效磷  57
  4.2 铁、磷根际营养对小叶锦鸡儿生物量和根际土壤有效性的影响  57-61
    4.2.1 铁、磷根际营养对小叶锦鸡儿生物量的影响  57-58
    4.2.2 小叶锦鸡儿根际土壤pH  58
    4.2.3 小叶锦鸡儿根际土壤EC  58-59
    4.2.4 小叶锦鸡儿根际土壤有效磷  59-60
    4.2.5 小叶锦鸡儿根际土壤有效铁  60-61
  4.3 讨论  61-62
  4.4 小结  62-65
第五章小叶锦鸡儿灌丛土壤肥力时空变化规律  65-85
  5.1 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛对土壤物理性质的影响  65-67
    5.1.1 小叶锦鸡儿灌丛土壤容重  65-66
    5.1.2 小叶锦鸡儿灌丛土壤总孔隙度  66
    5.1.3 小叶锦鸡儿灌丛土壤机械组成  66-67
  5.2 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛对土壤养分状况的影响  67-71
    5.2.1 小叶锦鸡儿灌丛土壤全氮和有机质  67-68
    5.2.2 小叶锦鸡儿灌丛土壤全磷和有效磷  68
    5.2.3 小叶锦鸡儿灌丛土壤全钾和速效钾  68-69
    5.2.4 小叶锦鸡儿灌丛土壤硝态氮  69-71
  5.3 小叶锦鸡儿灌丛土壤氮矿化(野外潜伏法)  71-73
    5.3.1 灌丛土壤铵态氮、硝态氮月动态  71-72
    5.3.2 灌丛土壤铵化、硝化作用月动态  72
    5.3.3 各潜伏期间土壤氮素矿化量和矿化率  72-73
  5.4 不同土地利用方式对土壤理化性状的影响  73-77
    5.4.1 不同土地利用方式对土壤物理性状的影响  73-74
    5.4.2 不同土地利用方式对土壤养分的影响  74-75
    5.4.3 不同土地利用方式土壤氮矿化(野外潜伏法)  75-77
  5.5 小叶锦鸡儿灌丛土壤肥岛效应  77-80
    5.5.1 土壤全氮和有机质  77
    5.5.2 土壤有效磷和速效钾  77-78
    5.5.3 土壤硝态氮  78-80
  5.6 讨论  80-83
  5.7 小结  83-85
第六章小叶锦鸡儿灌丛土壤微生物与酶活性研究  85-93
  6.1 不同生长年限小叶锦鸡儿灌丛土壤酶活性  85-86
    6.1.1 过氧化氢酶  85-86
    6.1.2 碱性磷酸酶  86
  6.2 小叶锦鸡儿根际土壤酶活性  86-87
    6.2.1 过氧化氢酶  86-87
    6.2.2 碱性磷酸酶  87
  6.3 小叶锦鸡儿灌丛内不同部位土壤碱性磷酸酶活性  87-88
  6.4 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响  88-89
  6.5 小叶锦鸡儿灌丛土壤微生物特性  89
  6.6 讨论  89-91
  6.7 小结  91-93
第七章主要结论与建议  93-97
  7.1 主要结论  93-95
  7.2 主要研究建议  95-97
参考文献  97-111
攻读博士期间发表的相关领域文章目录  111-112
致谢  112-113
个人简况及联系方式  113-115

晋西北小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）人工灌丛营养特征与土壤肥力状况研究

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