氮添加对内蒙古草原植物群落物种组成的影响及其机理
文献类型：学位论文
| 作者 | 郝亚鹏 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 李胜功 ; 郭群 |
| 关键词 | 物种组成 状态转变 群落构建 内蒙古温带草原 氮添加试验 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 自工业革命以来，农业生产和工业生产排放了大量的氮，极大地改变了全球氮循环，氮沉降速率不断增加，且未来氮沉降更加严重。虽然氮沉降增加缓解了陆地生态系统氮限制，增加粮食产量，但同时也造成了诸如生物多样性降低、土壤酸化、生态系统不稳定等生态危害。草原是重要畜牧业基地，对氮沉降响应敏感，地上植被群落物种组成改变是对氮沉降的主要响应之一。以往基于群落构建理论为氮添加后群落物种组成的改变提供了大量生物学理论机制，然而该理论无法回答氮沉降增加后物种组成改变的方向、改变的时间以及是否可逆等问题，而这些问题的回答至关重要，一方面有利于评估氮添加对牧草产量和质量等草原生态系统服务功能的可持续性，另一方面也是氮添加作为草原恢复措施可行性及实施方案的重要依据。基于系统动力学的生态系统状态转变理论是近年来生态学科的新兴方向，重点解决生态系统状态（如草原转变为荒漠状态以及荒漠修复回草原状态）转变过程的正反馈机制、预警指标及机理以及转变过程中的多稳态现象等科学问题，可以很好的用于回答氮添加后草原物种组成的状态转变方向和时间等问题。然而一方面以往的状态转变研究大多关注生物量和植被覆盖度等生态系统的部分功能状态，另一方面，状态转变机理机制多基于物理的动力学理论，缺乏生物学理论支撑。因而有必要在草原生态系统结合状态转变和群落构建理论，共同研究氮添加后导致物种组成状态转变的方向、时间以及机理机制等科学问题，从而为草地生态系统服务功能的可持续性以及草地生态系统的修复提供科学支持。 我国天然草原面积约3.93 亿公顷，占国土总面积的41.7%，内蒙古草原是我国北方面积最大、最具有代表性的草原。本研究基于中国科学院植物研究所多伦恢复生态学实验示范研究站已持续12 年的氮添加控制试验平台（包括对照（CK）、2 个水平的氮添加：10 g m－2·a－1(N10)和40 g m－2·a－1 (N40)），结合状态转变理论和群落构建理论，通过植被盖度、生物量、比叶面积、株高、植被化学计量等生物因子以及土壤水分、温度和土壤养分含量等非生物因子长期观测，分析氮添加导致植物群落物种组成改变的时间、方向以及不同氮添加剂量的影响差异，讨论氮添加导致物种组成改变的生物学和非生物学机理，探究氮添加如何驱动植物群落物种组成状态转变及其正反馈机制。主要研究结果如下： (1) 氮添加3-4 年后即导致了物种组成的状态转变，较高剂量氮添加导致物种组成转变的强度大时间早。N40 处理2 年后物种丰富度显著降低 (15.7%)，试验至今，物种丰富度从20 下降到10，而N10 处理10 年后物种丰富度才有降低趋势。相较于物种丰富度，物种组成的改变更加显著。氮添加第3 和4 年开始，N40 处理和N10 处理的群落物种组成发生状态转变，且氮处理和CK 之间的物种组成差异随实验年限的延长而增加，其中N40 处理的状态转变速率更快，并在氮添加处理5 年后，N40 与CK 之间的物种组成差异不再增加，而N10 与CK之间的物种组成差异在试验期间内一直增加。 (2) 氮添加导致物种组成状态转变存在多个阶段和多个方向。试验期间，CK处理相邻两年的物种组成相似，而氮处理相邻两年的物种组成差异存在1 个峰值（物种组成改变）和2 个低谷（物种组成稳定），表明氮添加使得物种组成转变有两个阶段。对照处理各样方物种组成差异一直维持在一个较低的水平，而同一氮添加水平内各样方的物种组成差异在第6 年开始增加，表明氮添加6 年后的物种组成的转变是多方向的，而前6 年物种组成向着一个方向转变。 (3) 氮添加前期的较为一致的状态转变方向为样方本底优势种针茅和冰草，而后期物种组成朝着二裂委陵菜、苔草、羽茅、冰草和羊草等多个方向转变。氮添加第3 年开始，针茅和冰草的相对盖度较CK 显著增加，随后二者盖度急剧下降，其中冰草相对盖度在第10 年之后又有增加趋势。第7 年开始，二裂委陵菜、苔草、羽茅、冰草和羊草相对盖度逐渐增加，但各物种在N10 和N40 的变化趋势有一定差异。试验至目前为止，氮处理以冰草、羊草、羽茅、苔草和二裂委陵菜为主要优势种。结合物种组成差异分析，本试验样地内氮添加3-4 年后存在1个物种组成一致的临时状态（针茅）和7 年后二裂委陵菜、苔草、羽茅、冰草和羊草等多物种组成并存的状态。 (4) 氮添加使得群落构建从以随机的物种替代过程为主向确定的物种替代过程为主转变，且大部分年份N40 处理群落构建的确定性比N10 处理群落构建的确定性大。CK 处理内部的群落构建以随机性过程为主，但氮处理内部大部分年份群落构建的随机性过程和确定性过程较为接近（占比写上）。试验时间内，氮添加导致的群落物种组成改变以物种替代为主，随着氮添加年限增加，物种替代程度越大，且N40 处理的物种替代程度更大。 (5) 氮添加5 年后，氮添加与对照处理之间有显著的土壤环境异质性，但氮添加处理各样方间的土壤环境异质性与对照处理各样方间的土壤环境异质性相近，这说明土壤环境过滤作用是氮添加导致物种组成状态转变的原因，但氮添加后物种转变多方向的原因。氮添加导致的土壤环境异质性主要来自于土壤无机氮(23.7%)、土壤pH (20.4%) 和土壤水分 (15.7%)，氮添加显著增加了5-8 月的土壤无机氮、铵态氮和硝态氮含量 (P<0.05)，显著增加了N40 处理的土壤含水量(P<0.05)，显著降低了土壤Ph (P<0.05)，而土壤总碳、土壤总氮和土壤总磷无显著变化。生长季降水与群落物种组成的改变无相关性。 (6) 氮添加的环境过滤作用导致群落物种的性状朝着叶面积大、光合速率高以及叶片氮回收低的物种聚集。氮添加处理的比叶面积、最小荧光值、植物高度和叶片氮含量显著增加 (P<0.05)，而叶片磷含量和叶片氮回收显著降低，导致群落水平的比叶面积、叶片最小荧光值、植物高度、叶片氮含量、叶片磷含量和叶片氮回收功能分散值更小，即物种性状更加聚集。 (7) 物种组成的改变可能通过凋落物分解正反馈于环境异质性，加剧了氮添加通过环境异质性改变导致物种组成状态转变的进程。氮添加后生物量、叶氮含量显著增加 (P<0.05)，而叶氮回收显著降低 (P<0.05)，导致凋落物量和氮含量显著增加 (P<0.05)，通过分解作用提高了土壤氮含量，这可能是氮添加引起草原群落状态转变的正反馈机制之一。值得注意的是，本试验每年都在进行氮添加，因此每年的氮添加外力作用可能是导致草原群落状态转变的更主要的机制。 综上所述，本研究将群落构建理论和状态转变理论相结合，从物种组成角度探讨氮沉降如何引起草原生态系统状态转变，一方面，更加深入的分析草原群落不同状态间如何转变，完善了状态转变理论，另一方面，为草原生态系统管理提供依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 93 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/208056]  |
| 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 | 郝亚鹏. 氮添加对内蒙古草原植物群落物种组成的影响及其机理[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。