中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

由于气候变化和人类活动的影响，草地生态系统的大规模退化已经引起相关学者的广泛关注。尤其在环境条件脆弱和生态系统结构不良的青藏高原地区，严重的草地退化现状不但危及区域生态安全，还影响着牧区经济的可持续发展。土壤退化是草地退化的核心，土壤退化意味着草地生产力和环境调节能力的下降，探究土壤性质的变化对于土壤质量的表征和明确草地退化机理有重要意义。本研究选取西藏自治区当雄县不同退化程度（未退化、轻度退化、中度退化和重度退化）的高寒草甸为研究对象，采用常规分析方法和高通量测序技术，系统分析了土壤理化性质和生物学性质的变化趋势，明确了微生物量和酶计量学特征、微生物群落结构和氮循环功能基因的驱动因素，为藏北高寒草甸的退化机理研究和修复措施制定提供了一定的科学依据和参考价值。主要研究结果如下：

1. 不同退化程度高寒草甸生物量和理化性质特征

轻度退化会促进植物的生长，而重度退化会大大降低草甸的生产力。草甸退化降低了土壤养分含量，其中重度退化土壤有机碳、全氮和全磷含量与未退化相比分别降低67.4%、56.2%和36.2%，硝态氮、速效磷和速效钾在中度退化显著降低，与轻度退化相比分别降低59.2%、23.4%和10.1%。碳氮比（C/N）、碳磷比（C/P）和氮磷比（N/P）在轻度退化、中度退化和重度退化中均低于未退化草甸。

2. 不同退化程度高寒草甸土壤微生物量和酶活性及生态化学计量学特征

相较于未退化草甸，微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）和微生物量磷（MBP）在重度退化降低了41.4%~73.9%。碱性磷酸酶（ALP）升高，未退化β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性显著低于轻度、中度和重度退化，纤维二糖水解酶（CBH）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性在轻度退化最低。ln（BG+CBH）：ln（NAG+LAP）为0.55~0.91，ln（NAG+LAP）：ln（ALP）为0.73~0.97，偏离了全球均值1.41和0.44；向量长度和角度分别在中度退化和轻度退化最高，说明草甸退化过程中微生物受P限制强于N限制，而中度退化时受C限制相对较强。微生物量及其计量学特征受有机碳、全氮和全磷共同驱动，酶计量学特征总体上受pH、硝态氮和铵态氮共同驱动。

3. 不同退化程度高寒草甸土壤微生物群落结构及多样性特征

随退化程度的加剧，细菌Chao1指数升高，真菌Chao1指数先升高后降低，在中度退化最高，Shannon指数无显著差异。细菌和真菌的β多样性在不同退化程度间表现出显著差异。门水平上，退化过程中占主导优势的细菌群落为变形菌门（Proteobacteria）（23.0%~35.7%）、放线菌门（Actinobacteria）（21.4%~27.6%）、酸杆菌门（Acidobacteria）（11.7%~22.3%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（2.6%~16.4%）、绿弯菌门（Chloroflexi）（5.9%~7.3%），其峰值分别出现在中度退化、轻度退化、未退化、轻度退化和未退化；占主导优势的真菌群落为接合菌门（Zygomycota）（54.8%~69.4%）、子囊菌门（Ascomycota）（26.1%~41.7%）、担子菌门（Basidiomycota）（1.8%~6.0%），其峰值分别出现在重度退化、轻度退化和未退化。Mantel分析表明，速效磷是驱动土壤细菌群落结构变化的主要因素。

4.不同退化程度高寒草甸氮循环功能基因丰度及多样性特征

轻度退化会提高硝化基因（amoA-AOA和amoA-AOB）和反硝化基因（nirS、nirK和nosZ）的α多样性。氮循环功能基因的丰度随退化程度的加剧呈倒“V”型变化，除nosZ在轻度退化最高外，最大值均出现在中度退化，而重度退化为最低，草地退化可能使硝化作用和反硝化作用加强。其中，amoA-AOA的拷贝数约是amoA-AOB的271.2~329倍，nirS的拷贝数约是nirK的41.9~111.2倍，说明研究区内AOA和nirS占主导地位。氮循环功能基因的多样性特征受草甸生物量、土壤养分和化学计量比共同驱动，其中pH、有机碳、全氮和化学计量比是硝化基因的主要影响因子，地上/地下生物量、全磷和速效磷是反硝化基因的主要影响因子。

第1章 绪论............................................ 1

1.1 研究背景与意义...................................... 1

1.2 国内外研究现状...................................... 3

1.2.1 草地退化现状................................... 3

1.2.2 生态化学计量学研究进展............... 4

1.2.3 草地生物量和理化性质特征........... 5

1.2.4 草地微生物量与酶活性特征........... 6

1.2.5 草地微生物特征............................... 8

1.2.6 氮循环功能基因............................... 8

1.3 目前存在的问题...................................... 9

第2章 研究内容与方法..................... 11

2.1 研究内容和目标.................................... 11

2.2 技术路线................................................ 11

2.3 研究区概况............................................ 12

2.4 研究方法................................................ 13

2.4.1 试验设计与样品采集..................... 13

2.4.2 土壤理化性质测定......................... 16

2.4.3 土壤微生物量测定......................... 16

2.4.4 土壤胞外酶活性测定..................... 16

2.4.5 土壤基因组DNA的提取、扩增与微生物区系测定............................................. 18

2.5 数据计算与处理.................................... 21

2.5.1 胞外酶生态化学计量学特征计算. 21

2.5.2 胞外酶的向量特征计算................. 21

2.5.3 微生物群落多样性计算................. 21

2.5.4 数据处理......................................... 22

第3章 退化草甸生物量和土壤理化性质............................................................... 24

3.1 引言........................................................ 24

3.2 结果与分析............................................ 24

3.2.1 草甸退化过程中地上/地下生物量的演变特征..................................................... 24

3.2.2 草甸退化过程中理化性质的演变特征................................................................. 25

3.3 讨论........................................................ 27

3.3.1 草甸退化过程中地上/地下生物量的演变特征..................................................... 27

3.3.2 草甸退化过程中理化性质的演变特征................................................................. 28

3.4 小结........................................................ 30

第4章 退化草甸微生物量、酶活性及化学计量学特征...................................... 31

4.1 引言........................................................ 31

4.2 结果与分析............................................ 31

4.2.1 草甸退化过程中微生物量和酶活性及化学计量比的演变特征......................... 31

4.2.2 微生物量及化学计量学特征的影响因素............................................................. 36

4.2.3 酶活性及化学计量学特征的影响因素................................................................. 39

4.2.3 酶化学计量学的向量特征............. 42

4.3 讨论........................................................ 42

4.3.1 草甸退化过程中微生物量和计量学特征及其影响因素..................................... 42

4.3.2 草甸退化过程中酶活性和计量学特征及其影响因素......................................... 44

4.4 小结........................................................ 46

第5章 退化草甸土壤微生物群落结构................................................................... 48

5.1 引言........................................................ 48

5.2 结果与分析............................................ 48

5.2.1 草甸退化过程中微生物OTU丰度演变特征......................................................... 48

5.2.2 草甸退化过程中微生物群落多样性的演变特征................................................. 50

5.2.3 草甸退化过程中微生物群落结构的演变特征..................................................... 51

5.2.4 微生物群落结构变化的影响因素. 54

5.3 讨论........................................................ 57

5.3.1 草甸退化过程中细菌群落结构及多样性演变特征............................................. 57

5.3.2 草甸退化过程中真菌群落结构及多样性演变特征............................................. 60

5.4 小结........................................................ 62

第6章 退化草甸土壤氮循环功能基因特征.......................................................... 63

6.1 引言........................................................ 63

6.2 结果与分析............................................ 63

6.2.1 草甸退化过程中氮循环功能基因多样性的演变特征......................................... 63

6.2.2 草甸退化过程中氮循环功能基因丰度的演变特征............................................. 66

6.2.3 氮循环功能基因的影响因素......... 67

6.3 讨论........................................................ 68

6.4 小结........................................................ 71

第7章 结论与展望............................. 72

7.1 主要结论................................................ 72

7.2 本研究的创新点.................................... 73

7.3 不足与展望............................................ 73

参考文献.................................................. 75

致 谢...................................................... 94

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.......................................... 95