高寒草甸植物群落和土壤有机碳对气候变化和放牧的响应

论文摘要

气候变化和人类活动已经并将持续改变自然生态系统的结构和功能。青藏高原高寒草甸由于其特殊的自然环境,被认为是研究陆地生态系统对气候变化和人类活动响应机制的理想区域。过去的研究分别报道了气候变化和放牧对草地群落结构和生态系统功能的影响,然而,对于气候变化和放牧的交互作用尚不清楚。为此,本研究通过增温-放牧控制试验和区域调查试验,并结合DNDC（Denitrification-Decomposition）模型,以高寒草甸最脆弱的生长阶段——植物幼苗期,最重要的生产指标——地上生物量和最重要的生态指标——土壤有机碳为主要研究对象,探索气候变化和放牧对高寒草甸的作用机制,预估未来气候情景下相应指标的动态变化,以期明确气候变化和放牧对高寒草甸生态系统的影响,为草地的适应性管理提供理论依据。主要研究结果如下:（1）与中度放牧相比,长期围封（14年）导致植物群落盖度增加30.06%,土壤有机碳含量增加16.51%（010cm）和30.67%（1020cm）,全氮含量增加13.26%（010 cm）和15.24%（1020cm）,土壤容重下降30.18%（010cm）和20.0%（1020 cm）,且增加地下生物量（P<0.01）和禾草地上生物量（P<0.001）;但长期围封使植物群落物种丰富度和密度分别下降了17.31%和20.57%。重度放牧导致群落盖度、地上和地下生物量、禾草比例、凋落物质量、土壤有机碳及全氮含量的显著下降（P<0.01）,且使根冠比增加19.82%。（2）增温显著增加高寒草甸幼苗物种丰富度（P<0.01）和密度（P<0.001）,且提高无性繁殖与有性繁殖幼苗的比例（P<0.01）;放牧减少无性补充与有性补充幼苗的比例（P<0.05）,且优势植物功能群从禾草向杂类草转变;放牧部分抵消了增温引起的幼苗物种丰富度的增加,但对幼苗密度没有显著影响。（3）增温导致高寒草甸地上生物量显著增加（P<0.05）,放牧引起地上生物量显著下降（P<0.01）;短期内增温对土壤有机碳的影响并不显著（P>0.05）,在2016年和2017年分别下降2.79%和1.85%;相反的是,放牧条件下的土壤有机碳则在2016年和2017年分别增加3.35%和1.89%。（4）DNDC模型能较好地模拟高寒草甸地上生物量和土壤有机碳（R2=0.88,RMSE=17.11,MBE=-0.04,P<0.001;R2=0.71,RMSE=1.43,MBE=0.06,P<0.001）对气候因子（温度、降水）和放牧强度变化的响应;因子分析显示,气候变化解释了地上生物量和土壤有机碳变化的49.8%和61.9%,放牧强度解释了地上生物量和土壤有机碳变化的26.4%和1.6%。（5）到2050年,RCP4.5和RCP8.5未来气候情景下高寒草甸地上生物量比2017年分别增加15.00169.01%和7.74135.27%;高寒草甸土壤有机碳含量（020cm）到2050年在RCP4.5情景下增加0.982.85%,而在RCP8.5情景下降低0.261.30%。本研究论文主要结论如下:（1）中度放牧有利于物种多样性、生物量和土壤理化性质的维持,是青藏高原高寒草甸更合理的草场管理措施;相反,围封是退化草甸植被恢复和养分固存的有效管理策略,但长期的围封禁牧不利于物种多样性的维持。（2）增温对高寒草甸的幼苗物种丰富度和密度具有积极影响,且提高无性繁殖与有性繁殖幼苗的比例;放牧降低无性补充与有性补充幼苗的比例且致使优势功能群发生转变。放牧在一定程度上抵消了温度对幼苗物种丰富度的影响。（3）增温导致高寒草甸地上生物量显著增加,并对土壤有机碳产生负面影响;放牧影响地上生物量和土壤有机碳对温度增加的响应。（4）与放牧强度相比,气候因子（温度、降水）是引起高寒草甸地上生物量和土壤有机碳变化的首要因素。模拟预测认为,在RCP4.5情景下,20172050年青藏高原高寒草甸的放牧强度可按照2017年的基准值保持不变或略微增加,以提高草地利用率。在RCP8.5情景下,该地区这段时期内的放牧强度应在2017年基准值基础上逐年适度降低,以确保高寒草甸生态系统的碳汇功能。综上,本研究认为中度放牧适宜于高寒草甸的可持续发展;了解气候变化对草地生态系统的影响需要考虑放牧和气候变化的非累加效应;在气候变化背景下探究草地的适应性管理将是今后重要的研究方向。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 家畜放牧对草地生态系统影响的研究进展
•     1.2.1 植被对放牧的响应
•     1.2.2 土壤对放牧的响应
•     1.2.3 根系对放牧的响应
•   1.3 气候变化对草地生态系统影响的研究进展
•     1.3.1 幼苗更新对气候变化的响应
•     1.3.2 植被对气候变化的响应
•     1.3.3 土壤对气候变化的响应
•   1.4 DNDC模型概述
•     1.4.1 从经验模型到过程模型
•     1.4.2 DNDC模型应用
•   1.5 研究目的与内容
•     1.5.1 研究目的
•     1.5.2 研究内容
•     1.5.3 技术路线
• 第二章 研究区与研究方法
•   2.1 控制试验
•     2.1.1 研究区Ⅰ概况
•     2.1.2 研究方法
•   2.2 调查试验
•     2.2.1 研究区Ⅱ概况
•     2.2.2 研究方法
• 第三章 放牧管理对高寒草甸地上/地下生态特征的影响
•   3.1 前言
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 三种典型放牧管理对高寒草甸物种丰富度和密度的影响
•     3.2.2 三种典型放牧管理对高寒草甸地上/地下生物量及凋落物的影响
•     3.2.3 三种典型放牧管理对高寒草甸土壤理化性质的影响
•     3.2.4 高寒草甸植物群落特征与土壤理化性质的关系
•   3.3 讨论
•     3.3.1 中度放牧增加高寒草甸植物群落物种丰富度和密度
•     3.3.2 长期重度放牧增加高寒草甸根系浅层化
• 20cm）土壤的理化性质'>    3.3.3 放牧影响高寒草甸浅层（0²0cm）土壤的理化性质
•     3.3.4 高寒草甸植物群落结构影响土壤理化性质
•   3.4 小结
• 第四章 增温和放牧对高寒草甸幼苗期群落结构的影响
•   4.1 前言
•   4.2 结果与分析
•     4.2.1 增温和放牧对幼苗物种多样性的影响
•     4.2.2 增温和放牧对不同功能群幼苗密度的影响
•     4.2.3 增温和放牧对幼苗有性或无性繁殖的影响
•   4.3 讨论
•     4.3.1 气候变暖增加高寒草甸幼苗物种丰富度和密度
•     4.3.2 放牧降低高寒草甸幼苗无性与有性更新补充的比例
•   4.4 小结
• 第五章 气候变化和放牧对高寒草甸地上生物量影响的模拟研究
•   5.1 前言
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 增温和放牧对高寒草甸地上生物量的影响
•     5.2.2 模型验证
•     5.2.3 情景分析
•     5.2.4 高寒草甸地上生物量变化与气候因子和放牧强度的关系
•   5.3 讨论
•     5.3.1 气候变化增加高寒草甸地上生物量
•     5.3.2 不确定性分析
•   5.4 小结
• 第六章 气候变化和放牧对高寒草甸土壤有机碳的影响模拟研究
•   6.1 前言
•   6.2 结果与分析
•     6.2.1 增温和放牧对高寒草甸土壤有机碳的影响
•     6.2.2 模型验证
•     6.2.3 情景分析
•     6.2.4 高寒草甸土壤有机碳变化与气候因子和放牧强度的关系
•   6.3 讨论
•   6.4 小结
• 第七章 未来气候情景下高寒草甸地上生物量的变化趋势
•   7.1 前言
•   7.2 结果
•     7.2.1 现实气候情景下地上生物量的空间变化
•     7.2.2 地上生物量和气候因子（温度、降水）的关系
•     7.2.3 放牧强度空间格局
•     7.2.4 未来气候情景下气候因子（温度、降水）的变化幅度
•     7.2.5 未来气候情景下地上生物量的空间格局
•   7.3 讨论
•   7.4 小结
• 第八章 未来气候情景下高寒草甸土壤有机碳的变化趋势
•   8.1 前言
•   8.2 结果
•     8.2.1 现实气候情景下土壤有机碳的空间变化
•     8.2.2 地上生物量和土壤有机碳的关系
•     8.2.3 未来气候变化情景下土壤有机碳的空间格局
•   8.3 讨论
•     8.3.1 高寒草甸土壤有机碳具有较强的空间异质性
•     8.3.2 RCP8.5情景不利于高寒草甸土壤有机碳积累
•     8.3.3 依据未来气候变化动态调整高寒草甸的放牧强度
•   8.4 小结
• 第九章 结论与展望
•   9.1 主要结论
•   9.2 创新点
•   9.3 研究不足与展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王多斌

导师: 林慧龙

关键词: 气候变化,放牧,高寒草甸,幼苗补充,地上生物量,土壤有机碳,未来气候情景

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,畜牧与动物医学

单位: 兰州大学

基金: 国家自然基金(NO.31772666),中央高校专项基金(NO.lzujbky-2016-183)

分类号: S812.2

总页数: 121

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