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用于受损人t 石质陡峭边坡生态系统修复的客土一植物系统研究 用于人工石质陡峭边坡生态恢复的客土一植物系统研究 专业：生态学 姓名：高桂娟 导师：杨中艺教授 中文摘要 道路的建没以及无序、过度的采石导致大量陡峭裸露岩石边坡的产生。由于 边坡表面光滑陡峭，结构组成单一，风化层薄等，导致对此类生境的生态恢复具 有很大的难度。基质的性质是决定生态恢复工程成败的关键因素，因此，客土基 质配方对基质在陡峭岩石边坡上的抗侵蚀能力以及构成客土基质的各个组分及 其相互作用对植物生长的影响的研究势在必行。但迄今为止，尚未见针对此类问 题的系统研究。为此，本研究以解决上述科学以及工程技术问题为目的，利用有 机质、成孔剂、保水剂、复合肥及粘结剂等添加成分构成多种人工基质组合，通 过单因素、多因素等反复试验，对基质的物理、化学和生物学特性、基质在模拟 陡坡的抗侵蚀能力、养分维持能力以及基质与植物系统之间的相互作用及其机理 等进行了深入、系统的研究。 主要研究结果如下： 1 通过单因素试验，对保水剂( b ) 、粘结剂( e ) 、有机质( a ) 及两种成孔剂( 1 和2 ) 五种组分对土壤特性的影响进行了初步研究。结果显示，所用保水剂的最 大吸水倍率达到5 0 0 倍以上，将其加入土壤后，土壤水分状况得到显著改善 ( p 0 0 5 ) ，在3 0 及5 0 的温度胁迫下，可分别持续保水1 2 h 和8 h 。粘结剂 加入土壤后，不仅导致p h 的显著上升，还引起土壤的硬化及晟大持水量的显著 降低( p o 0 5 ) 。而成孔剂和有机质的添加，显著提高了土壤持水能力，并从一 定程度上缓解了粘结剂引起的土壤硬化( p 0 0 5 ) 。由于2 m m 直径的成孔剂2 会 造成土壤过度松散，可能降低基质的抗侵蚀能力，所以否决了成孔剂2 的应用。 摘要 而且，通过试验，确定了下一步试验的各添加成分的上限含量。 2 选用单因素中的粘结剂、成孔剂、有机质、保水剂外加无机复合肥等在其确 定的最大水平范围内，设立五因素各五水平正交盆栽试验 o a 2 5 ( 5 0 ) ，以冷季型 黑麦草( l o l i u mm u l t i f l o r u m ) 为表征植物。对形成的2 5 个处理的植物特性、土 壤理化性质及酶活性特性进行系统研究，结果显示：粘结剂对植物的地上、地下 生物量、成活率、叶片脯氨酸含量及土壤p h 、田问最大持水量、多酚氧化酶、 转化酶及酸、碱磷酸酶活性的影响达到显著水平( p 0 0 5 ) 。成孔剂和有机质对 土壤田间最大持水量、有机碳及纤维素酶、转化酶活性的影响显著( p o 0 5 ) 。 无机复合肥对植物地上、地下生物量、成活率、叶绿素含量及土壤速效氮、全氮、 速效磷、全磷、多酚氧化酶、纤维素酶和转化酶活性的影响显著( p ( o 0 5 ) 。而 保水剂只对田间最大持水量产生了显著影响( p o 0 5 ) 。根据正交试验直观分析 及正交试验方差分析结果，最终确定e 3 水平的粘结剂、c 4 水平的成孔剂、d 2 水 平的复合肥及a 3 水平的有机质为各成分的最佳添加水平，而保水剂在成本充许 的情况下，含量越高越好。 一元相关分析结果显示，大多数的植物变量( 5 个) 与土壤特性( 1 3 个) 之 间的相关性都达到了显著水平( p o 0 5 ) ；而在各土壤理化及生物特性之间，所 有土壤酶活性指标与土壤p h 及田问最大持水量之间存在显著相关性( p 氨基酸类 胺类、聚合物类及其它类碳源。根据方差分析 及主成份分析结果，基质组合9 ( 含有e 3 水平粘结剂，c 3 水平成孔剂，d 1 水平 复合肥及a 2 水平有机质) 对所有碳源的利用强度最低，即对土壤碳源的利用潜 力最大。四种添加因素对微生物功能多样性指数和均匀度的影响都没达到显著水 平( p o 0 5 ) ，但整体上功能多样性指数和均匀度随粘结剂、成孔剂和有机质的 增加而呈轻度上升趋势，随复合肥的增加而呈轻度下降趋势。 4 对筛选出的几种典型基质的抗雨水冲刷性进行研究，结果显示，大雨( 2 5 0 m m h 。1 ) 冲刷下来的泥土流失量普遍达到了小雨( 1 0 0 m mh 。1 ) 的4 倍左右，差异显 著( p o 0 5 ) ：7 0 。陡坡下的基质流失量是5 0 。坡度下流失量的2 3 倍，差异显 著( p o 0 5 ) ；e 3 水平粘结剂处理的基质的基质流失量比对照减少了1 3 - 1 6 ，但 差异不显著( p 0 0 5 ) ；植物发芽前和发芽后l 周内的基质流失量达到了整个流 失量的8 0 以上，显著高于植物发芽后2 周、3 周和l o 周的基质流失总量 ( 匹o 0 5 ) 。基质养分流失特性的试验结果显示，所有处理中随基质泥土流失而 损失掉的氮、磷养分在黑麦草发芽前及发芽后的3 0 4 0 d 内显著下降( p o 0 5 ) ， 之后，随发芽天数的继续增加，下降平缓( p 0 0 5 ) ，而且，各基质损失掉的硝 态氮总量均高于氨态氮总量，损失掉的氮总量均高于磷总量。 5 利用4 种植物组合( 每种组合有8 种禾本科和豆科植物) 在实际的石质陡坡 ( 5 0 。) 上对优化基质( 3 种) 的生态恢复特性进行验证试验，结果显示，8 种植 摘要 物均能在各基质上正常生长。根据植物生长状况及基质抗侵蚀能力，筛选出了最 佳的基质组合( s 3 ) 及最佳的植物组合( p 3 ) 方式，即该人工客土基质具有实用 性，预期在陡峭石质边坡上可以作为支持基质一植物系统的重要基础。 关键词：生态工程技术，人工客土基质，植物，土壤，微生物 i v 用于受损人工石质陡峭边坡生态系统修复的客土- 植物系统研究 s t u d yo ft h eo u t s i d es o i l - p l a n ts y s t e mu s e d f o rh i g ha n dc u t r o c ks l o p ed e s t r o y e db yp e o p l e m a j o r ：e c o l o g y n a m e ：g u i j u a ng a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h o n g y iy a n g 英文摘要 a b u n d a n th i g ha n dc u tr o c ks l o p e sr e s u l t e df r o mm a j o rc i v i le n g i n e e r i n gw o r k s a n d e x p l o i t a t i o n o fr o c ki ne x c e s sr e s u l t e di ng r e a td i 伍c u l t st or e a l i z et h e e c o r e s t o r a t i o no fs u c hs p e c i a le n v i r o n m e n tb e c a u s eo ft h es i m p l es t r u c t u r e ，t h et h i n m a n t l e r o c k h i g ht e m p e r a t u r e s l i c ka n dc u ts l o p ea n ds h o r t i n go fw a t e r n l ep r o p e r t y o fs o i lu s e do ne c o e n g i n e e r i n gt e c h n i q u ew a s 血ek e yt or e s t o r ei ts u c c e s s f u l l y t h e r e f o r e t h es t u d i e sa b o u tt h ee f f e c t so fc o m p o n e n t sa d d e dt os u c hs o i la n dt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e ne a c ho fc o m p o n e n t so np l a n tg r o w t ha n dt h ee r o s i o na g a i n s tr a m o fs u c hs y n t h e t i cs o i l sw e r ev e r yi m p o r t a n t s of a r , t h e r ei sn os y s t e m i cr e s e a r c ha b o u t t h e mw a sf o u n d s o t or e s o l v et h e s es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m s ，a c c o r d i n g t or e d u p l i c a t i v em o n o f a c t o ra n dm u l t i f a c t o rt r i a l s ，p l a n tp r o p e r t i e sa n ds o i l p h y s i c o c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e s t o g e t h e rw i m t h ea b i l i t i e so fa n t i e r o s i o n a n dt h ep r o p e r t i e so fk e e p i n gn u t r i e n t so fs p e c i a ls y n t h e t i cs o i l sa d d e dw i t hv i s c i d m a t t e r , i n o r g a n i cc o m p o u n df e r t i l i z e r s ( i c n o r g a n i cm a t t e r , p o r o u sm a t t e ra n dw a t e r a b s o r b e n tp o l y m e r s ( a p ) w e r es t u d i e d m o r e o v e r , t h ei n t e r a c t i o no ft h es p e c i a l s y n 山e t i cs o i l sa n dp l a n ts y s t e m sa n dt h e i rm e c h a n i s m sw e r es t u d i e db yt h en u m b e r s m a i nr e s u l t sf o l l o w i n g ： 1 p i l o ts t u d i e sa b o u tt h ee f f e c t so fv i s c i dm a t t e li c eo r g a n i cm a t t e r , p o r o u sm a t t e rl ， p o r o u sm a t t e r2a n dw a p o ns y n t h e t i cs o i lp r o p e r t i e sw e r ep e r f o r m e d b a s e do nt h e r e s u l t s 。t h em a x i m u ma b s o r b i n gc o n t e n to f 纬盔pr e a c h e dt o5 0 0t i m e s ，a n dw h e n w a pw a sa d d e di n t os o i l s ，t h es o i lw a t e rs t a t u sw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ( p o 0 5 ) ， a n dt h et i m eo fi t sk e e p i n gw a t e r c o u l dm a i n t a i n1 2 ha n d8 ht r e a t e dw i m3 0 。a n d5 0 。， r e s p e c t i v e l y s i o lp h ，b u l kd e n s i t y0 3 d ) 、s p e c i f i cg r a v i t y ( s g ) a n d t o t a lp o r o s i t y ( t p ) s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da n dm a x i m u mw a t e rh o l d i n gc o n t e n t ( m w h c ) s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e da f t e ra d d e dw i t hv i s c i dm a t t e r o nt h ec o n t r a r y , s o i lb d ，s gt pa n d m w h cs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s eo fp o r o u sm a t t e ra n do r g a n i cm a t t e r f 口 o ，0 5 ) ig a v eu pt h er e s e a r c ha b o u tt h ee f f e c to fo fp o r o u sm a t t e r 2 ( 2 m mi nd i a ) o ns o i lb e c a u s eo ft h es y n t h e t i cs o i l sb e c o m i n gt o o1 0 0 s ea f t e ra d d e dw i t hi t a b o v ea l l ， t h em a x i m u mc o n t e n to fe a c ha d d i t i v ec o m p o n e n ta d d e dt os o i lw e r ed e t e r m i n e df o r v 摘要 t h ef o l l o w i n gt r i a l s 2 b a s e do nt h er e s u l t so fm o n o f a c t o rt r i a l s f i v ef a c t o r s ( v i s c i dm a t t e r , i c f - o r g a n i c m a t t e r , p o r o u sm a t t e rl a n dw a p ) w i t hf i v el e v e lf o re a c hf a c t o rw e r ed e s i g n e d t h m u i g ht r a y - p l a n t e de x p e r i m e n t sb yu s i n go r t h o g o n a la r r a yd e s i g n so a 2 5 ( 5 6 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n o 泓a n a l y s i s je f f e c t so fv i s c i dm a t t e ro np l a n tb i o m a s s 、 p l a n ts u r v i v i n gr a t e ( s v r ) ，l e a fc h l o r o p h y l l ( c h l ) a n dl e a ff r e ep r o l i n e ( f p ) c o n t e n t a n ds o i lp h ，m w h c ，i n v e r t a s e ( i n ) ，p h e n o lo x i d a s e ( p o ) ，a c i dp h o s p h a t a s e ( a c d p ) a n da l k a l i n ep h o s p h a t a s e ( a l k p ) a c t i v i t i e sw e r es i g n i f i c a n t ( p o 0 5 ) e f f e c t so f p o r o u sm a t t e ra n do r g a n i cm a t t e ro ns o i lm w h c ，o r g a n i cc a r b o n ( o c ) ，i na n d c m - c e l l u l a s e ( c m ) a c t i v i t i e sw e r es i g n i f i c a n t ( p o 0 5 ) ；i c fs h o w e ds i g n i f i c a n t e f f e c t so np l a n tb i o m a s s ，s v r ，c h la n ds o i lp o ，c ma n di na c t i v i t i e s ( p a m i n oa c i d a m i n e p o l y m e ra n do t h e r s b a s e do n 血ea n o v a a n a l y s i s ，t h eu t i l i z i n gi n t e n s i t yo ft r e a t m e n t9 ( c o n t a i n i n ge 3o fv i s c i dm a t t e r , c 3o f p o r o u sm a t t e r , d 1o fi c fa n da 2o fo r g a n i cm a t t e r lw a s 血el o w e s t a t h o u g he f f e c t s o ff o u ra d d i t i v ef a c t o r so ns h a n n o n sd i v e r s i t yi n d e xa n de v e n n e s so fm n aw e r e i n s i g n i f i c a n t ( p 0 0 5 ) s h a n n o n sd i v e r s i t yi n d e xa n de v e n n e s so fm n as h o w e d l o w g r a d ei n c r e a s i n gt r e n d sw i t ht h ei n c r e a s e so fv i s c i dm a t t e r , p o r o u sm a t t e ra n d o r g a n i cm a t t e r , w h i l es h o w e dl o w g r a d ed e c r e a s i n gt r e n d sw i t ht h ei n c r e a s eo fi c f 4 a c c o r d i n gt or e s u l t so ft h er e s e a r c ho na b i l i t i e sa g a i n s tt h ee r o s i o no fr a i 】f a l lo f a s e v e r a lt y p i c a ls y n t h e t i cs o i l s t h es o i ll o s sc o n t e n tt r e a t e dw i t hh i g hr a i n f a l lr e a c h e d t of o n rt i m e st h a nt h ev a l d et r e a t e dw i 山s m a l lr a i n f a l l a n dt h ed i f f e r e n c eo fs o i ll o s s c o n t e n tb e t w e e nt h et w or a i nd e n s i t yw a ss i g n i f i c a n t 白( o 0 5 ) ：s o i ll o s sc o n t e n to f s y n t h e t i cs o i l so nt h e7 0 。s l o p er e a c h e dt ot w oo rt h r e et i m e st h a nt h ev a l u eo nt h e5 0 。 s l o p e ，a n dt h ed i f f e r e n c eo ft l l es o i ll o s sb e t w e e n5 0 0a n d7 0 。w a ss i g n i f i c a n t ( p 0 0 5 ) ；s o i ll o s sc o n t e n tb e f o r ep l a n t g e r m i n a t i o na n do n ew e e ka f t e rg e r m i n a t i o nr e a c h e dt o8 0p e r c e n to ft h et o t a ls o i l l o s sc o n t e n t ，a n dw e r es i g n i f i c a n th i g h e rt h a nt h o s ev a l u e sl a t e ra f e rg e r m i n a t i o n 0 ( o 0 5 ) l o s so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sd u r i n gt h ep e r i o d s4 0 da f t e rp l a n t g e r m i n a t i o ns i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d ( p 泥质粉砂岩 泥质细砂岩。而土壤植被 系统对岩石的风化速度、程度也有显著性作用。尤其是与岩石直接接触的土壤， 其土体中含有的微生物在促进岩石风化、养分循环和有效性等方面具有积极作 用。微生物对岩石的作用研究属于微生物地质学领域，自从m u e n t z 在1 8 9 0 年研 究了细菌在岩石风化和土壤形成中的作用，就开创了微生物风化作用研究的先 河。从2 0 世纪4 0 年代开始，微生物地质学的研究无论是在深度还是广度上都得到 了进一步的发展，特别是微生物学、环境微生物学和微生物生态学的快速发展， 大大扩展了微生物地质学的研究范围，发现了丰富多样的、生活于各种环境中的 新微生物和微生物的代谢作用，并影响地球化学环境和地球化学过程。m a u r i c ee t a 1 ( 2 0 0 1 ) 通过在有氧的条件下利用一种假单胞菌在高岭石粘土矿物上培养，发 现喜氧假单胞菌可以促进高岭石分解以获取铁元素。e h r l i c h 0 0 5 ) 。 图2 2 显示，土壤的田问最大持水量随保水剂添加含量的增大而增大，其中， 当保水剂的添加量达到b 2 以后，与对照土间的差异开始显著( p 0 0 5 ) ，说明要 实现保水剂对土壤水分达到显著改良的效果，一定要将保水剂的用量增加到b 2 以k 。 圈最大吸水量 + 相对于第一次的吸水倍率 6 0 0 4 5 0 3 0 0 b 0 面1 5 0 * 釜0 12 345 6 7 1 2 0 。 1 0 0 鐾 8 0 * 督 6 0 4 0 2 0 0 图2 1 单位数量保水剂在不同“吸水一 干燥”周期的吸水量 f i g u r e2 1a b s o r b i n ga b i l i t yo fw a t e r a b s o r b e n ta g e n td u r i n g “a b s o r b i n g - d r y i n g ” p r o c e s s ( 2 ) 保水剂的保水特性 盆1 6 0 型1 2 0 建 斗8 0 嘣 曰 盲4 0 o 舌矗譬罄器器 图2 2 保水剂对土壤持水能力的影响 f i g u r e2 2e f f e c to fw a t e ra b s o r b e n ta g e n to n m o s tw a t e ra b s o r b i n ga b i l i t y 用于受损人工石质陡峭边坡生态系统修复的客土一植物系统研究 图2 3 显示，3 0 。c 条件下处理的土壤，在o - l o h 这个时间段内，其蒸发掉的 水分基本随保水剂的浓度增大而增多，是因为在本次试验开始，取的是添加保水 剂后，浇水，达到水饱和状态的土壤各5 0 9 ，这样，在同样重量的水饱和土壤的 情况下，保水剂含量越高，其吸收的水分也自然越多，因此，在同样温度及时间 条件下，其蒸发掉的水分也就越多。而且，水分越多，其维持水分的时间也就越 长，因此出现，对照土壤的水分在放置6 h 以后基本蒸发完全，而含有b 5 保水 剂的土壤在1 0 1 2 h 阶段还有少量水分蒸发。到了1 0 1 2 h 这个处理时间段，所有 添加保水剂的土壤所含水分基本与对照土持一个水平，说明本实验使用的保水 剂，在添加浓度小于b 5 时，其保水效果最多持续1 2 h 。 与3 0 。c 处理温度相比，5 0 条件下的水分蒸发速率显著提高，尤其是在o 一2 h 这个阶段的水分蒸发幅度明显高于3 0 。c 条件下的值，如在最高浓度保水剂处理 的土壤中，其蒸发掉的水分达到3 0 。c 条件下同等处理浓度的2 倍以上。同时， 在5 0 。c 处理下，o 一2 h 阶段的水分蒸发速率显著高于其它时间段的速率( p ( 0 0 5 ) 。 当处理时间达到6 h 以后，含有b l 和b 2 保水剂浓度的土壤水分已蒸发完全；8 h