放牧和模拟气候变化对草地生态系统植被与土壤碳氮循环特征的影响

来源 :邱晓 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mengzi_2008
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草地生态系统在涵养水源、防风固沙、水土保持、调节区域气候、维持生物多样性以及碳汇等方面发挥着不可替代的作用,是我国重要的生态安全屏障。在气候变化和人类活动强度增加影响下,草地生态系统结构和功能正发生着变化,改变着其生态功能,准确评估气候变化和人类活动对草地生态系统动态的影响,有利于草地区域生态功能维持和适应性管理。已有关于草地生态过程对全球变化驱动因子响应集中于单一的草地类型、单一的环境要素等方面,但实际草地生态过程对全球变化驱动因子的响应的具有高度的复杂性,即不同草地类型生态过程对同一环境因子,以及同一草地生态系统过程对不同环境因子的响应往往不同。本研究采用从区域尺度(放牧)和生长季时间尺度(模拟气候变化)两个维度,探讨了全球变化对草地生态系统的影响。区域尺度从我国东北到西南选择了6个不同草地类型,分别为平原丘陵草甸草原亚类(位于呼伦贝尔)、平原丘陵温性草原(锡林浩特)、沙地草原亚类(乌审旗)、沙地荒漠草原亚类(鄂托克前旗)、山地荒漠草原亚类(新疆)、高寒草甸亚类(四川红原),每个类型试验处理区分为围封无牧区和过度放牧区,探讨过度放牧对不同类型草地生态系统的影响;生长季时间尺度以短花针茅荒漠草原为研究对象,采用OTC模拟气候变化(短期4年),设置了增温(T0:自然温度,T1:T0+2℃,T2:T0+4℃)、增雨(W0:自然降雨,W1:W0+25%,W2:W0+50%)以及增温与增雨的交互作用的试验处理,探讨温度和降水及其交互作用对荒漠草原生态系统的影响。主要研究结果如下:(1)放牧对不同类型草原生态系统植被特征的影响一致。放牧显著降低了6个不同类型草地地上生物量(平均降幅72%)和物种丰富度指数(平均降幅27%),但对于群落的均匀度影响不显著,说明草地生态系统植被地上生物量对放牧的响应更强烈,过度放牧导致生物量的减少是造成草地退化最直接因素。(2)放牧对草原生态系统土壤碳转化的影响因草原类型而异。平原丘陵草甸草原亚类、平原丘陵温性草原和高寒草甸亚类的草地类型上放牧降低了土壤的有机碳含量,而在沙地草原亚类、沙地荒漠草原亚类和山地荒漠草原亚类放牧增加了土壤有机碳。放牧对各类草地土壤呼吸速率的影响并不显著,但是在新疆的山地荒漠草原和四川的高寒草甸上,放牧显著提高了土壤呼吸速率。呼伦贝尔平原丘陵草甸草原亚类和锡林浩特平原丘陵温性草原均表现出碳汇的状态,而四川红原的高寒草甸亚类的土壤呼吸速率最高。(3)放牧对不同草原生态系统土壤氮转化的影响一致。放牧显著提高了各类草地生态系统土壤NH4+-N和NO3--N含量,平均提高了0-15cm土层上43.6%的NH4+-N含量和27.3%的土壤NO3--N含量。放牧显著提高了草原土壤的反硝化速率,尤其是平原丘陵温性草原、沙地草原亚类、沙地荒漠草原亚类和山地荒漠草原亚类土壤反硝化速率对放牧的响应更强烈,表明放牧促进了草原土壤反硝化过程。(4)短花针茅荒漠草原生态系统植被特征对短期增温增雨的响应不敏感。增温增雨第4年时,增温和增雨对短花针茅荒漠草地生态系统植物群落的物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数均无显著影响,仅5月份返青期,在增雨25%处理下增温4℃植被物种丰富度显著高于增温2℃,说明返青期是温度敏感期,增温促进了植物的返青,提高了物种丰富度。增温显著提高了短花针茅荒漠草原植被地上生物量,且随着温度的升高,地上生物量呈现出先上升后下降的趋势,增温2℃地上生物量最高,增温4℃时地上生物量又降低了,表明地上生物量对温度更敏感,持续增温会引发荒漠草原退化。(5)短花针茅荒漠草原生态系统土壤碳氮转化对增温和增雨的响应存在差异。增温明显提高了短花针茅荒漠草原土壤碳氮含量,而增雨对土壤碳氮含量变化影响不显著。增温增雨对土壤硝化-反硝化速率和呼吸速率有显著影响,反硝化速率和总硝化速率随增温幅度升高呈现先提高后降低的趋势,随着增雨幅度增加而降低的趋势;土壤呼吸速率随着气温的上升而逐渐上升,随着增雨幅度的增加,呼吸速率表现出先上升后下降的趋势,在增雨25%水平上达到土壤呼吸的最高排放量,表明气候变化会显著影响荒漠草原生态系统土壤碳氮转化过程。
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