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不同放牧强度对青藏高原东部高寒草甸植被和土壤影响的研究

作　者: 孙大帅
导　师: 杜国祯
学　校: 兰州大学
专　业: 生态学
关键词: 放牧强度高寒草甸青藏高原植物功能特性土壤理化性质氮矿化氮硝化
分类号: S812
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在草地生态系统中,放牧是主要生物干扰因素之一,显著影响草地植物群落的物种组成和生物多样性。因此,调查草地植物的放牧反应一直是草地生态学的中心议题。此外,放牧还显著改变土壤营养元素的含量和循环,尤其是碳、氮和磷的循环,从而进一步影响草地生态系统的诸多功能。大量的研究证明,放牧强度、放牧时间和放牧历史是决定放牧对草地生态系统影响的主要因素,其中放牧强度尤为重要。前期研究大多从二分法入手,仅仅进行了放牧和不放牧的比较,从而忽略了植被和土壤有可能存在的非线性放牧反应。而且已开展的研究大多都集中在温带地区,而在海拔高、气候寒冷、生态系统敏感和脆弱的青藏高原高寒草甸开展的研究较少。因此,从2005年到2007年,本研究根据地上植被残留量及参照前人对该地区放牧强度和演替阶段的划分,选取四个处理,分别为禁牧(GO)、轻牧(G1)、中牧(G2)和重牧(G3),对不同放牧强度下植被和土壤动态进行了三年系统监测和分析,可以说是对高寒地区放牧研究的重要补充,并且为青藏高原和的可持续利用和发展提供了较为全面的理论基础。我们的研究结果表明：1)整个实验过程中总共记录了17个科的69种植物,其中一年生植物占到9.7%,多年生植物为90.3%。禁牧监测到47种植物,而轻牧、中牧和重牧的物种数分别为56、54和31种。随着放牧强度的增加,地上植被盖度也随之下降,2007年降幅最大：从禁牧下的99.2±0.5%降到了重度放牧52.6±1.2%。同时,物种丰富度和个体密度受放牧强度的影响显著,随着放牧强度的增加其变化为非线性的单峰模式,即在中牧和轻牧下数值明显高于禁牧和重牧。这些结果证明,禁牧能显著提高植物的地表盖度,但适度的放牧有助于增加高寒草甸植物多样性。同时,考虑到高寒草甸承载放牧的功能,适当控制放牧强度是解决草场放牧利用和可持续发展等问题的有效管理措施。2)基于植物功能特性水平上的RLQ分析结果显示,增强放牧强度线性增加低矮植物的相对丰富度,同时降低高植物相对丰富度；线性增加小种子植物,降低大种子植物；线性增加杂草生长型植物,降低禾草生长型植物；线性增加低度和中度适口植物,降低高适口植物；线性增加一年生植物,降低多年生植物；线性增加匍匐型植物,降低直立生长植物；线性增加莲座结构和具匍匐茎植物；降低丛生类植物。广义附加模型(GAM)分析显示非线性反应主要存在于莎草类、豆科类、不适口植物、克隆、非克隆和叶茎植物。以上结果显示,植物功能特性可以用来作为预示指标在一定程度上反应高寒草甸植物的放牧反应,但是在分析植物功能特性---放牧关系时应该考虑非线性反应。3)基于植物种群水平上的典范相关分析(CCA)结果显示,21种常见植物种的放牧响应变化不一。其中随着放牧强度的增加,10种植物地表盖度线性降低；2种植物地表盖度线性增加；2种对轻度和中度的反应不显著,其盖度只在重度放牧下降低；其余7种呈现非线性反应,即在中牧下地表盖度最高。此外,种群水平上的分析还显示具有相同功能特性的植物种的放牧响应不一致,这说明单一的植物特性作为预测高寒草甸植物放牧反应的基础具有一定的局限性,而植物重要功能特性的交互作用在未来关于植被放牧响应的研究中需加以重视。4)三年实验结果显示增加放牧强度导致0-15cm土壤中有机碳(SOC)的含量下降,最大降幅出现在2007年9月,从未放牧的57.6±6.1g/kg降低到了重度放牧的36.6±2.2g/kg。整个植物生长季中SOC存储量也随着放牧强度的增加而线性降低,且重度放牧造成SOC从土壤释放到空气中。另外,SOC的存储与地上植被残留量和地下根生物量密切正相关。这些结果表明,青藏高原高寒草甸生态系统中放牧通过降低植物生物量和抑制SOC存储,而重度放牧会导致青藏高原高寒草甸土壤从“碳库”到“碳源”的转变。5)土壤全氮的含量也随着放牧强度的增大而逐渐降低,最大降幅出现在2005年5月,从未放牧的4.1±0.1g/kg降低到重度放牧的3.3±0.3g/kg。土壤全磷在放牧梯度上的变化趋势不清晰。随着放牧强度的增加,土壤中速效氮的含量显著增加,最大的增幅出现在2006年9月,从未放牧的14.9±1.2mg/kg增加到了重度放牧的36.4±1.2mg/kg。土壤速效磷沿放牧强度的变化与速效氮不同,相对未放牧,轻度和中度放牧增加土壤速效磷含量,重度放牧则降低土壤速效磷含量。6)随着放牧强度的增加,60天原位培养累积矿化氮和硝化氮的含量逐渐增加。青藏高原东部放牧干扰下高寒草甸土壤氮矿化、硝化和土壤C/N呈现负相关关系(P<0.05),随着土壤C/N的增加,土壤中60天矿化氮和硝化氮含量均降低。从2005年到2007年,上述两种负相关关系均存在。我们结果显示,放牧增强土壤矿化和硝化作用,这一过程受到诸多因素调节,但是土壤C/N对土壤矿化和硝化作用具有显著的负影响。

全文目录

中文摘要  3-6
Abstract  6-12
第一章总论  12-30
  1.1 草地资源概况  12-13
  1.2 放牧强度与草地退化  13-14
  1.3 放牧对草地植被的影响  14-22
    1.3.1 放牧对植物群落组分种个体的影响  14-15
    1.3.2 放牧对植物功能特性的影响  15-16
    1.3.3 放牧对植物群落组成的影响  16-19
    1.3.4 放牧对草地植物群落生物多样性的影响  19-22
    1.3.6 放牧对草地植物养分的影响  22
  1.4 放牧对草地土壤的影响  22-28
    1.4.1 放牧对草地土壤物理性质的影响  23-24
    1.4.2 放牧对草地土壤化学性质的影响  24-28
  1.5 本研究的目的和意义  28-30
第二章实验材料与方法  30-44
  2.1 实验区概况  30-31
  2.2 实验设计  31-40
    2.2.1 高寒草甸植物群落物种组成  31-32
    2.2.2 高寒草甸植物群落功能团划分  32-36
    2.2.3 放牧强度划分  36
    2.2.4 植被样方监测、土壤取样及原位培养土壤氮矿化  36-37
    2.2.5 功能团植物碳、氮、磷分析  37
    2.2.6 土壤样品处理及理化性质的测定  37-40
  2.3 数据分析  40-44
    2.3.1 高寒草甸植物群落特征和土壤理化特征计算方法  40-41
    2.3.2 高寒草甸植物群落常见植物种在不同放牧强度上的响应的典范对应分析  41
    2.3.3 高寒草甸植物群落功能特性在放牧强度上的响应的RLQ分析  41
    2.3.4 高寒草甸植物功能团和放牧强度的非线性关系的GAM模型分析  41-43
    2.3.5 放牧强度对其它高寒草甸植物群落和土壤特性的影响分析  43-44
第三章研究结果  44-63
  3.1 青藏高原东部不同放牧强度对高寒草甸地上植物群落的影响  44-46
  3.2 青藏高原东部不同放牧强度对高寒草甸植物功能特性的影响  46-49
  3.3 青藏高原东部高寒草甸常见植物种对放牧的响应  49-52
  3.4 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸植物功能团养分含量的影响  52-53
  3.5 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤理化性质的影响  53-60
    3.5.1 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤物理性质的影响  53-55
    3.5.2 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤化学性质的影响  55-56
    3.5.3 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤C/N和C/P的影响  56-57
    3.5.4 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸生长季土壤有机碳存贮量的影响#46  57-58
    3.5.5 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤N矿化、硝化的影响  58-60
  3.6 青藏高原东部高寒草甸放牧干扰下植被和土壤特性之间的关系  60-63
    3.6.1 植被地上和地下生物量和植物生长季土壤碳存储的关系  60-61
    3.6.2 放牧干扰下高寒草甸植物多样性和土壤速效氮和速效磷的关系  61
    3.6.3 放牧干扰下高寒草甸土壤C/N和土壤氮矿化、硝化的关系  61-63
第四章讨论  63-76
  4.1 青藏高原东部高寒草甸三年实验期气候变化  63
  4.2 放牧强度对高寒草甸植物群落地上、地下生物量和盖度的影响  63-64
  4.3 放牧强度对高寒草甸植物群落生物多样性的影响  64-65
  4.4 放牧强度对高寒草甸植物群落植物功能特性的影响  65-68
  4.5 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸常见植物种的影响  68-69
  4.6 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸植物功能团养分含量的影响  69
  4.7 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤物理性质的影响  69-70
  4.8 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸SOC含量和存储的影响  70-71
  4.9 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤全N和速效N含量的影响  71-72
  4.10 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤全P和速效P含量的影响  72-73
  4.11 放牧强度对青藏高原东部高寒草甸土壤N矿化和N硝化的影响  73-76
第五章结论  76-77
参考文献  77-88
攻渎博士学位期间的研究成果  88-89
致谢  89

不同放牧强度对青藏高原东部高寒草甸植被和土壤影响的研究

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