高寒草甸植物群落和土壤有机碳对气候变化和放牧的响应

发布时间：2020-11-03 14:18

　　 气候变化和人类活动已经并将持续改变自然生态系统的结构和功能。青藏高原高寒草甸由于其特殊的自然环境,被认为是研究陆地生态系统对气候变化和人类活动响应机制的理想区域。过去的研究分别报道了气候变化和放牧对草地群落结构和生态系统功能的影响,然而,对于气候变化和放牧的交互作用尚不清楚。为此,本研究通过增温-放牧控制试验和区域调查试验,并结合DNDC(Denitrification-Decomposition)模型,以高寒草甸最脆弱的生长阶段——植物幼苗期,最重要的生产指标——地上生物量和最重要的生态指标——土壤有机碳为主要研究对象,探索气候变化和放牧对高寒草甸的作用机制,预估未来气候情景下相应指标的动态变化,以期明确气候变化和放牧对高寒草甸生态系统的影响,为草地的适应性管理提供理论依据。主要研究结果如下:(1)与中度放牧相比,长期围封(14年)导致植物群落盖度增加30.06%,土壤有机碳含量增加16.51%(0~10cm)和30.67%(10~20cm),全氮含量增加13.26%(0~10 cm)和15.24%(10~20cm),土壤容重下降30.18%(0~10cm)和20.0%(10~20 cm),且增加地下生物量(P0.01)和禾草地上生物量(P0.001);但长期围封使植物群落物种丰富度和密度分别下降了17.31%和20.57%。重度放牧导致群落盖度、地上和地下生物量、禾草比例、凋落物质量、土壤有机碳及全氮含量的显著下降(P0.01),且使根冠比增加19.82%。(2)增温显著增加高寒草甸幼苗物种丰富度(P0.01)和密度(P0.001),且提高无性繁殖与有性繁殖幼苗的比例(P0.01);放牧减少无性补充与有性补充幼苗的比例(P0.05),且优势植物功能群从禾草向杂类草转变;放牧部分抵消了增温引起的幼苗物种丰富度的增加,但对幼苗密度没有显著影响。(3)增温导致高寒草甸地上生物量显著增加(P0.05),放牧引起地上生物量显著下降(P0.01);短期内增温对土壤有机碳的影响并不显著(P0.05),在2016年和2017年分别下降2.79%和1.85%;相反的是,放牧条件下的土壤有机碳则在2016年和2017年分别增加3.35%和1.89%。(4)DNDC模型能较好地模拟高寒草甸地上生物量和土壤有机碳(R~2=0.88,RMSE=17.11,MBE=-0.04,P0.001;R~2=0.71,RMSE=1.43,MBE=0.06,P0.001)对气候因子(温度、降水)和放牧强度变化的响应;因子分析显示,气候变化解释了地上生物量和土壤有机碳变化的49.8%和61.9%,放牧强度解释了地上生物量和土壤有机碳变化的26.4%和1.6%。(5)到2050年,RCP4.5和RCP8.5未来气候情景下高寒草甸地上生物量比2017年分别增加15.00~169.01%和7.74~135.27%;高寒草甸土壤有机碳含量(0~20cm)到2050年在RCP4.5情景下增加0.98~2.85%,而在RCP8.5情景下降低0.26~1.30%。本研究论文主要结论如下:(1)中度放牧有利于物种多样性、生物量和土壤理化性质的维持,是青藏高原高寒草甸更合理的草场管理措施;相反,围封是退化草甸植被恢复和养分固存的有效管理策略,但长期的围封禁牧不利于物种多样性的维持。(2)增温对高寒草甸的幼苗物种丰富度和密度具有积极影响,且提高无性繁殖与有性繁殖幼苗的比例;放牧降低无性补充与有性补充幼苗的比例且致使优势功能群发生转变。放牧在一定程度上抵消了温度对幼苗物种丰富度的影响。(3)增温导致高寒草甸地上生物量显著增加,并对土壤有机碳产生负面影响;放牧影响地上生物量和土壤有机碳对温度增加的响应。(4)与放牧强度相比,气候因子(温度、降水)是引起高寒草甸地上生物量和土壤有机碳变化的首要因素。模拟预测认为,在RCP4.5情景下,2017~2050年青藏高原高寒草甸的放牧强度可按照2017年的基准值保持不变或略微增加,以提高草地利用率。在RCP8.5情景下,该地区这段时期内的放牧强度应在2017年基准值基础上逐年适度降低,以确保高寒草甸生态系统的碳汇功能。综上,本研究认为中度放牧适宜于高寒草甸的可持续发展;了解气候变化对草地生态系统的影响需要考虑放牧和气候变化的非累加效应;在气候变化背景下探究草地的适应性管理将是今后重要的研究方向。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S812.2
【部分图文】：

兰州大学博士学位论文 高寒草甸植物群落和土壤有机碳对气候变化和放牧的响子模型构成（图 1-1）。第一部分包括气候土壤、植物生长和土壤有机碳分解三个子模型，通过生态驱动因子（气候、土壤、植被及人类活动）模拟土壤的环境条件（土壤温度、湿度、酸碱度、相关化学底物浓度以及氧化还原电位等）。第二部分包括土壤的硝化、反硝化以及发酵作用的三个子模型，来模拟微生物活动对土壤环境条件的响应，计算植物-土壤系统中 CO2，CH4，N2O，NH3，NO 及 N的排放量。DNDC 模型利用现代计算机技术，将参数化的植被与土壤的生物、物理和化学过程有机的结合起来，形成一个虚拟的完整的生态系统，并逐日运行起来。DNDC 模型可在点位模拟又可在区域尺度模拟。对于点位的模拟，可通过模型界面输入所有的参数。对于区域尺度的模拟，需要先设置一个数据库，然后由 DNDC 模型读取参数（新罕布什尔大学地球海洋与空间研究所,2010）。DND模型主菜单及参数输入界面示例如图 1-2 所示，主要输入参数参见表 1-2。

图 1-2 DNDC 模型主菜单及输入参数界面Fig. 1-2 DNDC model main menu and parameter interface对于点位的模拟，需要提供一个点位的输入参数，包括气候、土壤和农田（草地、森林等）管理信息三部分参数。在每一天的模拟中，DNDC 模型首先模拟土壤温度、湿度及其氧化还原电位；接着模拟植物生长；然后模拟土壤有机碳的分解；最后模拟土壤微生物引起的硝化及反硝化反应和发酵过程。根据植被或作物参数，DNDC 模型将每日的植被生长量分配到植物不同器官。土壤有机碳的模拟基于土壤的有机碳含量和全氮含量。DNDC 的硝化和反硝化反应依据土壤氧化还原电位和基质浓度计算含氮气体的排放。当氧化还原电位低于一定的阈值范围，DNDC 又开始进行发酵过程的子模型启动，去计算甲烷排放量。输入程序的过程中，如果要求记录每日模拟结果，DNDC 程序对农业生态系统的模拟逐日实施，从这年的第一天到最后一天。模拟过程结束后，会生成一个年度汇总报告，总结全年的碳、氮、水在该生态系统的收支平衡。若模拟多年结果，DNDC 模型将在前一年模拟完成后，自动开启下一年的模拟，直到所有年份的模拟完成为止。

本研究技术路线
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本文编号：2868691