祁连山高寒草甸植被、土壤特征和碳氮库对不同放牧方式的响应

发布时间：2020-11-05 07:40

　　 高寒草甸是祁连山区的优势植被类型,不但是当地重要的畜牧业生产基地,而且还发挥着极其重要的水源涵养、碳储存和生物多样性维持等生态服务功能。放牧是草地最主要的利用方式。科学的放牧不但能够有效提高草地的生产力、维持较高的生物多样性,而且能够促进草地生态服务功能的正常发挥。然而,祁连山区超载过度放牧严重,探寻一种科学、合理的放牧方式,对维持草地资源的健康发展及退化草地生态系统的恢复具有重要意义。为此,本研究以祁连山全年连续放牧、冷季重度放牧、冷季轻度放牧、划区轮牧和全年禁牧5种不同放牧方式高寒草甸为研究对象,系统研究了植被组成和结构、土壤物理化及生物性质以及有机碳氮库特征的变化,并采用结构方程模型分析了土壤物理化和生物性质对植被特征的影响路径,探究放牧影响植被特征的主导因素。旨在揭示不同放牧方式对高寒草甸生态系统生产和生态功能的作用,为探寻最佳放牧方式以及高寒草甸生态系统的可持续管理和利用提供科学依据。主要取得以下结论:(1)植物群落的盖度、密度、地上、地下生物量、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、丰富度指数和辛普森指数均在划区轮牧样地最高,而在全年连续放牧样地最低。此外,全年禁牧样地显著提高了禾本科植物密度,而降低了莎草科、豆科、杂类草植物密度、植物群落物种数和多样性。和划区轮牧相比,禁牧样地总物种数减少了20种。因此,禁牧致使群落结构单一化,不利于植物多样性的维持。从提高生产力和植物多样性的角度来看,划区轮牧是高寒草甸生态系统的最佳放牧方式。(2)不同放牧方式仅对0-30 cm各层土壤特征具有显著影响,而对30-50 cm土层无显著影响。0-10、10-20和20-30 cm土层中,含水量、有机碳、全氮、全磷、速效养分、微生物量碳、微生物量氮及土壤酶活性均在划区轮牧和全年禁牧样地中最高,而土壤容重和紧实度在全年禁牧样地最低,划区轮牧次之。不同放牧方式对高寒草甸土壤全钾含量无显著影响。此外,结构方程模型分析表明,影响高寒草甸植被特征的最主要因素是土壤的物理性质。从改良土壤物理结构和提高土壤养分含量的角度来看,高寒草甸最适宜的放牧方式为全年禁牧或划区轮牧。(3)植被、土壤和生态系统有机碳、氮储量均在划区轮牧样地最高,其次是全年禁牧样地,再次是冷季轻度放牧样地,在全年连续放牧样地最低,说明划区轮牧最有利于高寒草甸生态系统有机碳、氮库的积累。划区轮牧较全年连续放牧样地生态系统有机碳储量提高了8748 g/m~2,氮储量提高了785 g/m~2。因此,通过改变放牧方式能够有效促进高寒草地生态系统有机碳、氮储量。因此,从提高生态系统有机碳、氮库的角度来看,高寒草甸最适宜的管理模式为划区轮牧。综上,尽管禁牧和划区轮牧均能有效提高高寒草甸生产力、土壤养分和生态系统有机碳、氮库存,但禁牧导致了植物群落结构单一化,考虑到高寒草甸的有效放牧利用及牧区的经济发展等,本研究中祁连山东缘高寒草甸生态系统的最佳放牧方式为划区轮牧。
【学位单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S812
【部分图文】：

祁连山高寒草甸植被、土壤特征和碳氮库对不同放牧方式的响应29图4-1520-30cm层土壤特征主成分分析Fig.4-15Principalcomponentanalysisofsoilcharacteristicsin20-30cmsoillayer注：BD-土壤容重,SC-土壤紧实度,SM-土壤含水量,SOC-土壤有机碳,TN-土壤全氮,AN-土壤速效氮,TP-土壤全磷,AP-土壤速效磷,TK-土壤全钾,AK-土壤速效钾,SMBC-土壤微生物量碳,SMBN-土壤微生物量氮,Ur-脲酶活性,Ca-过氧化氢酶活性,Al-碱性磷酸酶活性,Su-蔗糖酶活性,Ce-纤维素酶活性.Note:BD-bulkdensity,SC-soilcompaction,SM-masssoilmoisture,SOC-soilorganiccarbon,TN-soiltotalnitrogen,AN-soilavailablenitrogen,TP-soiltotalphosphorus,AP-soilavailablephosphorus,TK-soiltotalpotassium,AK-soilavailablepotassium,SMBC-soilmicrobialbiomasscarbon,SMBN-soilmicrobialbiomassnitrogen,Ure–ureaseactivity,Cat–catalaseactivity,Alk–alkalineactivity,Suc-su-croseactivity,Cel-cellulaseactivity.

甘肃农业大学2020届硕士学位论文30图4-16植被特征主成分分析Fig.4-16Principalcomponentanalysisofvegetationcharacteristics注：H-植被Shannon-Wiener多样性指数,J-植被Pielou均匀度指数,S-植被丰富度指数,λ-植被辛普森指数,Hig-草层高度,Cov-植被总盖度,Den-植物总密度,AGB-植物地上生物量,BGB-植物地下生物量,LB-凋落物生物量.Note:H-Shannon–Wienerdiversityindex,J-evennessindex,S-richnessindex,λ-Simpsonindex,Hei-vegetationheight,Cov-vegetationcoverage,Den-plantsdensity;AGB-abovegroundbiomass,BGB-belowgroundbiomass,LB-litterbiomass.基于上述主成分分析结果（图4-15,4-16），以土壤物理性质、化学性质和生物性质为自变量，以植被特征为因变量建立高寒草甸植被和土壤特征间的结构方程模型（图4-17），模型的拟合度良好，能较好的解释土壤的物理特性对高寒草甸植被的影响路径（GFI=0.87,χ2=9.8,P=0.12）。结构方程模型结果表明，土壤物理、化学和生物特性均对高寒草甸植被具有显著影响，但土壤物理性质对植被具有负向作用，而化学性质和生物特性对植被具有正向作用，土壤物理、化学和生物特性的路径系数分别为0.79，0.54和0.37（图4-17）。土壤物理、化学和生物性质的权重系数（分别记为：Wphy、Wche和Wbio）分别为：Wphy=0.79/(0.79+0.54+0.37)=46.5%Wche=0.54/(0.79+0.54+0.37)=31.8%Wbio=0.37/(0.79+0.54+0.37)=21.7%土壤物理、化学和生物特性分别解释了高寒草甸植被的46.5%、31.8%和21.7%变异。因此，在高寒草甸生态系统中，影响植被的主要因素是土壤的物理性质，其次是土壤化学性质，最后是土壤生物特性。
【参考文献】

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本文编号：2871332