高寒草甸生态系统碳循环关键过程对长期增温和刈割的响应及机理
文献类型：学位论文
| 作者 | 晏颖杰 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 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 | 牛书丽 |
| 关键词 | 长期增温 刈割 碳循环 若尔盖高寒草甸生态系统 极端降雨事件 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 全球草地面积约占陆地表面积的40.5%，提供着重要的生态系统碳汇功能。自19 世纪中期工业革命开始以来，随着大量化石燃料的燃烧和人类活动的加剧，全球气温急剧上升，对草地生态系统碳循环过程产生了巨大影响。同时，刈割作为天然草地和人工经营草地的主要利用方式之一，对草地生态系统的结构和功能也有着重要的影响。然而，我们对草地生态系统碳循环关键过程如何响应长期气候变暖和刈割及其机理的认识十分有限，特别是极端降雨事件的频繁发生进一步增加了碳循环过程对气候变暖和刈割响应强度和方向的不确定性。因此，本文以对气候变化十分敏感的青藏高原若尔盖高寒草甸生态系统为研究对象，通过长期增温和刈割的野外控制实验，探究该生态系统碳循环关键过程对长期增温和刈割的响应及机理，并结合极端降雨事件以研究生态系统生产力在全球气候变化下的稳定性及其维持机制。本研究设置了3 个水平的增温处理，分别为对照、增低温（+ 1.5℃）和增高温（+ 2.5℃），并且在每个增温水平下都嵌套了两个刈割处理（不刈割和刈割）。通过监测高寒草甸生态系统的环境因子、群落结构、生产力、碳循环的各个过程以及土壤有机碳含量，探究高寒草甸生态系统碳循环关键过程对长期增温和刈割的响应及其机制。主要研究结果如下：（1）在实验期间（2015-2021 年），增温处理下高寒草甸生态系统总初级生产力（GEP）和生态系统呼吸（ER）分别显著增加了8.8%和7.3%，从而使得生态系统净生产力（NEP）在增温处理下显著增加了9.2%。同样地，刈割使GEP和ER 分别显著增加了13.0%和5.3%，从而使得NEP 显著增加了20.5%。增温处理下GEP 和NEP 相近幅度的增加导致了增温对生态系统碳利用效率（CUE）没有显著影响；而刈割处理下NEP 的增加幅度大于GEP 使得CUE 在刈割处理下显著增加了6.7%。增温和刈割对CUE没有显著的交互作用。我们发现禾本科植物的优势度在CUE 对增温和刈割的响应上起着关键的调节作用。此外，增温和刈割处理下较高的土壤温度对CUE 表现出促进作用，而地上净初级生产力（ANPP）却对CUE 表现为抑制作用。这些结果表明，气候变暖不会改变高寒草甸生态系统的固碳效率；而每年在生长季结束时进行刈割处理，可以有效的提高生态系统的固碳效率。因此，我们的研究结果强调了禾本科植物的优势度在决定高寒草甸生态系统在气候变暖和土地利用变化下对CUE 的重要调控作用。（2）我们发现增温对土壤异养呼吸没有显著影响，但显著增加了自养呼吸（18.3%），从而使得土壤呼吸显著增加了13.2%。相比之下，刈割处理则显著增加了异养呼吸（22.6%），但降低了自养呼吸（8.1%），使得土壤呼吸显著增加了15.5%。此外，增温处理使得异养呼吸与土壤呼吸的比值显著降低了5.5%，而在刈割处理下却显著增加8.1%。我们发现增温或刈割引起的异养呼吸与土壤呼吸的比值的变化主要受微生物代谢熵、微生物生物量碳和氮、土壤水分和土壤温度的调节。以上结果表明，气候变暖和刈割都会加速高寒草甸生态系统的碳循环，而气候变暖可能会增加高寒草甸生态系统土壤中的碳含量，刈割则可能会导致生态系统土壤碳的大量损失。（3）我们发现增温使土壤有机碳含量（SOC）显著增加了8.1%，而刈割却使SOC 显著减少了6.4%。SOC 与地下净初级生产力（BNPP）呈显著正相关关系，而SOC 与物种丰富度之间存在显著的负相关关系，这主要是因为增温显著增加了禾本科植物的优势度，并抑制了非禾本科植物的生长，从而使得群落的物种丰富度减少，而禾本科植物优势度的增加促进了BNPP，并进一步导致了SOC 的增加。与增温相反，刈割通过降低禾本科植物的优势度而减少了BNPP，从而导致了SOC 的显著减少。因此，在气候变暖和刈割的情景下，高寒草甸生态系统SOC 的变化主要受BNPP 的调控，而BNPP 的变化又是由禾本科植物的优势度和物种丰富度的变化所控制的。总而言之，我们的研究表明，气候变暖引起的禾本科植物优势度的增强将有利于高寒草甸生态系统土壤有机碳的固存，但刈割会抑制这种积极效应。（4）增温通过增加ANPP 对淹水事件的抵抗力（27%）和降低淹水事件后ANPP 的恢复力（28%），显著增加了ANPP 的时间稳定性（9%）。这主要归因于增温通过增加禾本科植物（Deschampsia caespitosa）的优势度而降低了群落的物种丰富度和异步性，但同时增加了群落优势度和优势物种的稳定性。因此，我们的研究结果表明，在高寒草甸生态系统中，气候变暖引起的禾本科植物的优势度的增加对于稳定淹水事件下生态系统生产力方面发挥了关键的作用。这些发现表明，气候变暖可能通过改变草地生态系统的植物群落结构来减轻淹水事件对群落生产力时间稳定性的冲击。综上所述，增温和刈割不仅改变了高寒草甸生态系统的植物的群落结构，也同时改变了生态系统的生产力、生态系统碳交换、土壤呼吸及其组分和土壤有机碳含量。我们的研究结果表明，长期增温和刈割能够通过改变高寒草甸生态系统的植物群落结构影响生态系统的碳循环的关键过程。本研究不仅为预测和模拟高寒草甸生态系统对气候变暖和土地利用变化的响应提供了实验证据和理论依据，而且为全球变化背景下草地生态系统的管理和可持续经营提供了理论基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199834]  |
| 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 | 晏颖杰. 高寒草甸生态系统碳循环关键过程对长期增温和刈割的响应及机理[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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