高寒草甸生态系统不同退化阶段下植物、土壤及光合碳分配的特征研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 庞蕊 |
| 答辩日期 | 2022-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 欧阳华 ; 徐兴良 |
| 关键词 | 高寒草甸 退化 植物-土壤-微生物系统 同位素标记 碳储量 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 青藏高原是我国最重要的生态功能区之一，也是对气候变化和人类活动响应最敏感的地区之一，它拥有世界上面积最大、最为独特的高寒草地生态系统，而高寒草甸又是青藏高原主体的草地类型。但是过去的几十年，由于人类活动和全球变化的影响，高寒草甸生态系统正在经历着不同程度的退化。 虽然国内外关于高寒草甸退化的研究众多，但关于高寒草甸退化的关键过程和生物学机制仍缺乏足够的认知。因此，本研究选择青海省处于不同退化阶段的高寒草甸生态系统作为研究对象，以高寒草甸退化过程中植物-土壤-微生物的相互作用为切入点，光合碳分配为主线，运用同位素示踪技术，探讨高寒草甸不同退化阶段土壤性状、植被特征的变化、光合产物在不同碳库中的分配及碳储量特征，确定高寒草甸退化的关键过程，从而服务于高寒草甸的管理及退化草甸的恢复，实现高寒草甸的可持续发展。 本论文的主要结论如下： （一）高寒草甸退化包括植被退化和土壤退化，两个过程相互作用，形成草地退化的恶性循环。 （1）植物性状：高寒草甸退化是植物群落组成单一化过程，主要表现为莎草科植物增加、禾本科和豆科植物减少导致植物根系生物量比例增大。植物退化的具体表现如下： 随着高寒草甸退化程度的加深，植物群落结构组成以及地上-地下生物量分配格局均发生显著变化：（a）群落组成：随着退化程度的加深，草地植被的群落结构逐渐趋于单一化。具体表现为植物群落的盖度和平均营养高度随退化加深而下降（99 % - 64 %；11.9 cm-2.4 cm），丰富度及物种多样性整体呈现“先缓慢下降随即在剥蚀时期骤减”的变化趋势。（b）生产力：（i）植被的生存状态随退化程度加深而下降，退化限制了高寒草甸植被的生长。群落地上生物量下降主要与各退化阶段下优势植物类群的生产力变化有关，优势物种以禾本科-莎草科-杂类草的顺序发生转变。（ii）总地下生物量随退化程度的加深，整体呈现“先增加后降低”的变化趋势。小嵩草时期植物通过增加根系密度以及长度来补偿地上部分的损失（约5420 g/m2），剥蚀时期植物为获取深层土壤的水分和养分增加了深层土壤的根系生物量占比（9.1%）。 （2）土壤性质：高寒草甸退化过程中小嵩草草毡层的加厚以及根系的死亡是重要的转折点，随后在放牧干扰、水蚀风蚀的影响下草毡层剥离斑块化导致土壤有机碳和养分迅速降低，从而加剧草甸退化。土壤退化的具体表现如下： （a）物理性质：土壤紧实度、含水量及草毡层厚度随高寒草甸退化程度的加深整体呈现“先增加后降低”的变化趋势，小嵩草时期根系极度发育，致使草毡层加厚（约12.6 cm），进而造成土壤紧实度明显增加（约1585 KPa），而致密的草毡层则增加了土壤的持水能力（约47 %）。但土壤容重在该时期下较低，主要与该阶段下根土比较高有关。（b）化学性质：（i）小嵩草时期通过提高输入、降低分解增加了土壤有机碳和土壤全氮的含量（分别约为7.0 %和0.66 %），而剥蚀时期则由于草毡层剥离、水蚀风蚀影响严重、植物输入降低等原因土壤有机碳和土壤全氮处于较低水平（分别为4.4 %和0.4 %）；（ii）高寒草甸土壤中无机氮以铵态氮为主，小嵩草时期铵态氮含量最高（约24.4 mg/kg），而硝态氮含量近似等于或低于其他阶段，可能是因为致密的草毡层致使通气效果变差，抑制了土壤中的铵态氮向硝态氮转化；（iii）植被覆盖度降低、盐分随水分蒸发作用转移到土表但无法随水分蒸发以及啮齿动物的挖掘使得土壤pH随退化程度加深而有所增加；（iv）小嵩草时期较高的根际沉积，为土壤微生物提供丰富的能源从而提高了土壤微生物量碳氮的含量（分别约1.6 g/kg和0.09 g/kg）。 （二）借助同位素示踪技术，通过原位13C脉冲标记实验，测定不同碳库中13C/12C比值的变化，量化新近光合碳在不同碳库中的分配模式及动态变化，结果表明，植物可以通过改变碳分配比例来应对外界环境的变化，与不同退化阶段下表现出的植被群落和土壤性质显著相关。具体表现形式如下： （1）高寒草甸生态系统光合产物分配的动态变化：（a）未退化样地中，由于茎叶的呼吸损失以及同化产物向地下分配支持根系生长，实验周期内植物茎叶中13C回收率而呈指数下降；（b）植物根系与土壤有机碳中13C回收率的动态变化趋势相似，其中，13C的回收率在脉冲标记结束后的0 – 2 d内呈上升趋势，在第2 d时达到峰值（分别为11 %和10 %），随后下降，表明植物茎叶固定的光合产物能够快速通过植物根系流入地下碳库；（c）脉冲标记结束后0 h，13C在土壤微生物中的回收率最高（3 %左右），说明植物新近固定的碳向下转移时首先进入根际微生物，然后再通过微生物呼吸损失掉或进入土壤有机碳。 （2）高寒草甸不同退化阶段下光合碳分配模式的变化：（a）实验结束后，未退化、禾草+矮嵩草+小嵩草时期以及剥蚀时期下植物固定的光合产物主要分配在茎叶中，而小嵩草时期光合产物则主要分配到根系中（22.8 %-30.4 %）；（b）植物茎叶中13C的分配比例随退化程度的加深整体呈现“先下降随后在剥蚀时期有所回升”的变化趋势，与总地上生物量呈显著正相关关系；（c）13C标记的光合产物在植物根系、土壤有机碳及土壤微生物量碳库中的分配类似，整体呈现“先增加后降低”的变化趋势，与植物地下生物量、有机碳含量及微生物量碳含量呈显著正相关关系；（d）除剥蚀时期外，退化样地里土壤呼吸中13C的分配比例均高于未退化样地，与禾草+矮嵩草+小嵩草时期相比，随退化程度的加深，土壤呼吸中13C的分配比例随之降低。 （三）与未退化样地相比，退化降低了高寒草甸植物-土壤-微生物系统中地上、土壤有机碳（0 – 10 cm）和土壤微生物生物量碳（0 – 10 cm）库中的碳储量，而根系碳储量以及地下总碳储量则随着退化程度的加深呈现“先增加后降低”的变化趋势。在小嵩草加厚时期及小嵩草小开裂时期下生态系统总碳储量无显著差异，处于峰值（约52.5 Mg/ha），显著高于其他阶段。 综上所述，在退化初期，高寒草甸生态系统耐牲畜啃食、践踏的能力、地下碳分配比例、养分含量和碳储量等特征随着草地退化程度的加深而增加，而地上生产力却随之降低，表明小嵩草草甸出现裂缝之前，高寒草甸生态系统是一个养分增加、碳累积的过程，也是一个生产服务功能逐渐降低、生态碳储服务功能逐渐增加的过程。但是，如果出现极端退化，在放牧干扰和风蚀水蚀的影响下，生态系统土壤有机碳、养分含量及碳储量迅速降低，系统的服务功能急剧减弱。因此，小嵩草出现裂缝期是高寒草甸碳汇功能下降，也是碳分配比例由地上为主转为地下为主的转折点，是高寒草甸退化的关键过程。在演替到小嵩草草毡表层加厚时，实施“减牧、休牧、轮牧”等管理措施，能更有效地加强高寒草甸生态建设，促进植被恢复，增强高寒草甸的固碳能力。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 185 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199825]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 庞蕊. 高寒草甸生态系统不同退化阶段下植物、土壤及光合碳分配的特征研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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