气候变化和养分添加对草地植物群落稳定性的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 沈若楠 |
| 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 | 张扬建 ; 朱军涛 |
| 关键词 | 生物多样性 生态系统稳定性 气候变化 氮沉降 全球草地 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 生物多样性和生态系统稳定性，作为生态学研究的核心内容，对于保障生态系统为人类提供持续且稳定的功能与服务至关重要。在全球变化背景下，气候变暖、降水改变、大气氮沉降等问题日渐突出，严重地威胁陆地生态系统结构与功能的稳定。目前，全球变暖、降水变化以及养分添加对草地群落多样性和稳定性的影响已得到广泛关注和研究。群落稳定性包括抵抗力稳定性、恢复力稳定性等多个不同方面，本研究主要关注时间稳定性，即群落生产力、物种组成和多样性随时间变化的波动情况。然而，现有研究主要聚焦于群落生产力的稳定性，即功能稳定性，而对于群落其它方面稳定性(组成稳定性和多样性稳定性)如何响应全球变化，目前仍存在很大的不确定性。此外，尽管研究表明养分添加和降水变化等单一全球变化因子能够改变生态系统结构和功能，但对于这两种全球变化因子之间是否存在交互影响及其潜在机制，我们的理解尚不全面。 青藏高原，作为全球变化的敏感区域，其高寒草地生态系统对于温度、降水、养分等环境因子的变化表现出高度的敏感性和脆弱性。因此，为了更好地探究全球变化对草地生态系统的影响，本研究将选择青藏高原腹地的主要草地类型—高寒草甸生态系统为研究对象。首先，利用开展了10年(2013-2022)的梯度增温控制实验(即对照、增温0.4℃、1.6℃、2.1℃和2.5℃)和4年(2018-2022)的氮水添加控制实验，探究气候变化和养分添加对高寒草地生物多样性和生态系统生产力的影响。其次，同样利用在高寒草地布设的梯度增温控制实验和养分添加(对照与添加NPK)与降水改变(增加50%与减少50%)的控制实验，探究在高寒草地生态系统稳定性对梯度增温、降水变化、氮沉降及其交互作用的响应及其机制。最后，借助全球联网实验平台(NPKD-NET)提供的来自全球16个不同草地为期4年的养分添加和干旱交互的实验数据，全面探究了在全球范围内草地生态系统稳定性对养分添加、干旱及其交互作用的响应。主要研究结果如下：1.气候变暖、氮添加和降水增加对高寒草甸群落生产力均产生了显著的影响(p<0.05)。具体而言，草地群落生产力和多样性与梯度增温的关系呈现凸的非线性，适度的增温缓解了高寒植被受到低温的限制，且提高了土壤中养分的可利用性，有利于植物的生长发育，提高草地生产力和多样性。而高水平增温导致土壤含水量显著降低，生物多样性下降，最后导致高寒草地生产力减少。氮添加提高了生态系统总生产力、植物生物量、群落盖度和群落平均高度，而水添加则没有显著影响。进一步分析发现氮添加和降水增加对高寒草地生产力的影响受到自然降水量的调控。在干旱年份，氮添加没有影响而水添加影响显著，在湿润年份则与之相反。此外，不同功能群对气候变暖、氮添加和降水增加的响应也不一致，群落中的优势种群在生态系统应对全球变化的过程中发挥了重要的作用。2.气候变暖和养分添加均显著降低了高寒草地群落稳定性，而降水变化没有显著的影响(p<0.05)。群落在功能、结构和多样性三个方面的稳定性对气候变暖均呈现凸的非线性的响应特征。适度增温对群落功能、结构和多样性的稳定性均具有积极的影响，而高水平增温则产生强烈的消极影响。多样性稳定性与组成稳定性以及功能稳定性之间呈现非线性的关系，而组成稳定性和多样性稳定性之间关系是线性正相关。在增温的背景下，群落不同方面稳定性维持机制各异。高水平增温导致优势种稳定性和物种异步性的降低，进而削弱群落功能稳定性；另一方面，群落组成稳定性的降低则主要归因于群落物种丰富度、异步性和优势种稳定性的下降；此外，多样性稳定性的降低，主要是由于高水平增温导致的物种丰富度的降低。养分添加可以通过改变高寒草地群落的生产力直接影响群落稳定性，还可以通过氮添加导致的竞争加剧和土壤酸化带来生物多样性的降低间接影响群落稳定性。3.养分添加和干旱均会降低草地群落功能稳定性，并且存在交互作用(p<0.1)。营养添加提高群落生物量，但是由于生物量随时间波动的增幅更大，导致群落稳定性降低。而干旱则仅通过降低了生物量来削弱草地稳定性。此外，两者对草地群落的动态变化产生不同影响。养分添加和干旱均降低物种多样性，但是前者主要对物种稳定性产生显著的影响，后者则主要影响物种异步性。值得注意的是，两者对物种丰富度、稳定性和异步性均不存在交互作用。通过结构方程模型分析发现，群落的稳定性由物种稳定性和物种异步性共同维持，而物种丰富度只通过物种异步性增强群落稳定性。干旱主要通过降低物种丰富度对物种异步性的正效应降低群落稳定性。养分添加对群落稳定性的消极影响主要通过降低物种稳定性和物种丰富度引起的物种异步性减少来驱动。研究证实了养分添加和干旱对全球草地群落稳定性存在直接的交互作用。 综上所述，本研究首次发现了高寒草地不同方面的稳定性对未来增温情景的非线性响应特征，适度增温有利于维持群落生产力、物种组成以及丰富度的稳定性，这与土壤的养分有效性提高有关，而高水平增温在多方面削弱了高寒草地生态系统稳定性。氮和水添加可以提高高寒草地生态系统生产力，但是其影响效应受到年降水的调控。以上结果都是基于单个站点的实验探究，进一步基于全球尺度的养分添加和干旱联网试验发现，养分添加和干旱均显著降低草地生产力的时间稳定性，但两者的驱动机制不同；研究首次从全球尺度阐明养分添加和干旱对草地生态系统稳定性的交互影响，强调未来应更加关注全球变化多要素对草地结构和功能的共同影响。研究成果为全球变化背景下草地管理政策制定，及草地生态系统多样性和稳定性维持提供有力的科学依据和支撑。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 123 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209272]  |
| 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 | 沈若楠. 气候变化和养分添加对草地植物群落稳定性的影响[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
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