放牧对拉萨河谷高寒草地结构与功能影响的试验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 向明学 |
| 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 | 张宪洲 ; 武俊喜 |
| 关键词 | 放牧强度 高寒草地 植物群落 土壤微生物群落 植物新生根 植物光合碳 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 高寒草地敏感且脆弱，在气候变化和人类活动等因素的共同作用下，其生态系统结构与功能受到严重威胁。然而，生态系统能否长期维持其功能，不仅取决于系统自身的组成、结构与动态变化，更取决于外界因素的作用时间和强度。放牧是草地最普遍的利用方式之一，在一定程度上利用强度直接决定草地的退化程度。过去的20多年里，放牧对高寒草地生态系统结构与功能的影响虽已被广泛研究，但尚未取得突破性进展。以往研究大多停留在地上植物群落和地下土壤养分层面，主要强调放牧对植物地上生产力、群落结构、物种多样性和土壤养分的影响，但忽视了放牧强度对草地生态系统结构与功能的影响。由不同放牧强度引起的草地生态系统结构变化进而导致其功能变化的机制目前仍存在诸多不确定性。因此，厘定不同放牧强度下植物地上部分的利用阈值，解析利用超过一定阈值后草地生态系统结构与功能的变化特征，不仅可以准确预测放牧利用下草地群落组成与结构的动态变化，而且可以为青藏高原生物多样性保护、生态系统管理和退化草地恢复提供科学支持，更可以为农牧民生计维系、区域经济发展乃至青藏高原生态安全屏障建设提供重大的现实指导意义。 本研究以西藏拉萨河谷高寒草地为研究对象，通过设置连续7年的放牧试验，围绕“放牧强度如何影响高寒草地生态系统的结构与功能及其影响机制？”这一科学问题，系统展开以下4个方面的研究：不同放牧强度对高寒草地植物群落和土壤养分的影响机制？不同放牧强度对高寒草地植物新生根的功能性状和生物量的影响机制？不同放牧强度对高寒草地植物-土壤-微生物系统新近光合碳分配的影响机制？以及不同放牧强度下高寒草地土壤微生物的响应特征？ 主要结果与结论如下： （1）中度放牧能够维持高寒草地群落地上部分的结构与功能；而重度放牧却削弱甚至破坏了其结构与功能。 经过7年的连续放牧，中度放牧的群落高度、盖度和地上生物量（Aboveground biomass, AGB）分别维持在对照的70%、99%和80%；而重度放牧的群落高度、盖度和AGB则分别维持在对照的50%、60%和47%。群落特征变化主要是由禾草类和莎草类功能群特征变化引起的。重度放牧显著改变了高寒草地植物群落结构，并且群落间差异主要是由物种周转所致。对照和中度放牧的AGB随物种丰富度、Shannon指数和Simpson指数增加而显著增加，但重度放牧的AGB与多样性之间无相关性。受重度放牧影响，生产力与多样性之间的关系由显著正相关的耦合状态转变为无相关的解耦状态。 （2）中度放牧通过“保守策略”维持高寒草地地下根系功能，而重度放牧通过“激进策略”维持地下根系功能。 中度放牧并未显著改变表层新生根的比根长和比根面积，而显著降低表层根系的可溶性糖含量以及底层新生根的比根长和比根面积，即中度放牧使底层新生根表现为“资源保守型策略”。重度放牧显著降低了植物新生根的长度、表面积、体积，并显著增加了表层新生根的比根长、比根面积以及表层根系的淀粉含量，即重度放牧使新生根表现为“高资源获取策略”；重度放牧显著增加了底层新生根的组织密度，即重度放牧使底层新生根表现为“慢速生长策略”。 （3）中度放牧通过增加根系光合碳的分配来维持高寒草地群落地上—地下部分的功能协同，而重度放牧造成茎叶中光合碳的分配降低，难以维持地下部分的功能。 本研究发现标记后第1天13C被植物迅速捕获并分配到植物茎叶、根系、土壤和土壤微生物的PLFA中。具体而言，相比于对照，标记后第1天中度放牧显著增加了13C在根系中的分配，在标记后第60天重度放牧显著降低了13C在茎叶中的分配，而13C在土壤和土壤微生物的PLFA中均无显著性差异。此外，在标记的前30天内，大量的13C被腐生真菌（Saprotrophic fungi, SAP）和革兰氏阴性菌（Gram-negative bacterium, Gram –）吸收利用，即在不同放牧强度之间SAP的13C吸收量占总PLFA-13C的30.2%~36.65%，而Gram (–)的13C吸收量占总PLFA-13C的27.40%~33.02%。由此表明，SAP和Gram (–)是主要的根际光合碳同化者。通过计算13C的相对摩尔浓度（13CCr）可以发现，重度放牧的SAP中的13CCr在标记后第7天大量增加，而中度放牧的Gram (–)中的13CCr在标记整个示踪期内一直增加且维持在43%左右。由此表明，SAP为重度放牧下主要的根际碳同化者，而Gram (–)为中度放牧下主要的根际碳同化者。 （4）中度放牧通过增加土壤细菌多样性和细菌网络复杂度来维持高寒草地地下部分的功能，而重度放牧降低了土壤真菌多样性和细菌与真菌网络复杂度，从而难以维持地下部分的功能。 相比于对照，中度放牧显著增加了细菌的Shannon指数，而重度放牧显著降低了真菌的ACE指数和Chao指数；与对照相比中度放牧显著改变了土壤细菌的群落结构（R2=0.211, P = 0.041），而重度放牧显著改变了土壤真菌的群落结构（R2=0.185, P = 0.032）；网络分析发现不同放牧强度对微生物网络影响不同。中度放牧使土壤细菌网络更复杂，即网络内模块化程度变高和物种联结变紧密，并且使土壤真菌网络更简化，即网络内模块化程度变低和物种间联结变松散。重度放牧均使土壤细菌和真菌网络更简化，即网络内模块化程度变低和物种间联结变松散。 综上所述，本研究拟将放牧强度作为精细化控制的干扰方式，同时鉴于植被、干扰和土壤之间的强烈反馈，从植物群落特征、植物新生根功能性状、植物新近光合碳分配以及土壤微生物群落特征着手，证明了放牧利用超过一定阈值后高寒草地的结构与功能发生明显变化，并阐明了高寒草地在不同利用强度下的变化机制。以上结果为解释放牧对草地的影响机制和预测高强度放牧影响草地生态系统变化提供了理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 166 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199835]  |
| 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 | 向明学. 放牧对拉萨河谷高寒草地结构与功能影响的试验研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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