【摘要】：生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是生命、經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)性的基礎(chǔ),地球上的多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)被人類影響和改變,其發(fā)展和演變機(jī)制是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。本文以能值理論為主要方法,集合北方農(nóng)牧交錯帶的主要陸地生態(tài)系統(tǒng)類型,探討了相同環(huán)境條件下,不同生態(tài)系統(tǒng)的功能特征與能值代謝特征;以我國玉米、小麥生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,闡述了不同環(huán)境條件下,同一生態(tài)系統(tǒng)的能值代謝規(guī)律。通過上述研究,進(jìn)而分析生態(tài)系統(tǒng)的演變機(jī)制。野外試驗(yàn)與調(diào)查問卷于2015年6-8月完成,以國家草地生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)研究觀測站為中心平臺,在河北省沽源縣境內(nèi)進(jìn)行。.試驗(yàn)樣地包括天然草地、人工草地與糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物四種當(dāng)?shù)刂饕纳鷳B(tài)系統(tǒng)類型。其中天然草地為割草地和自由放牧地;人工草地包括燕麥(Avena sativo)、羊草(Leymus chinensis)和青玉米(Zea mays);糧食作物有莜麥(Avena chinensis)、胡麻(Linum usitatissimum)和小麥(Triticum aestivum);經(jīng)濟(jì)作物包含大白菜(Brassica rapa pekinensis)和馬鈴薯(Solamum tuberosum)。共計(jì)十個生態(tài)系統(tǒng)。另外,全國玉米、小麥生態(tài)系統(tǒng)的能值代謝分析基于我國2014年的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。主要研究結(jié)果如下:1.大白菜、青玉米、馬鈴薯和燕麥生態(tài)系統(tǒng)的生物量較高,天然草地最低,氮素添加在一定程度上可以增加天然草原的生物量。大白菜生物量的鮮干比達(dá)到24.2,含水量最高,為155.4 t/hm2,馬鈴薯、青玉米和燕麥的含水量較高,分別為72.4、66.3和37.0t/hm2。地下水是關(guān)系生態(tài)安全和社會發(fā)展的核心資源,在干旱地區(qū)尤為明顯。由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動,含有大量水分的蔬菜和馬鈴薯在當(dāng)?shù)卮竺娣e灌溉種植且主要銷往外地,因此可能對當(dāng)?shù)氐叵滤Y源和生態(tài)安全構(gòu)成威脅。2.不同生態(tài)系統(tǒng)中,植物組織的全氮(TN),全磷(TP)含量和氮磷比(N:P)差異顯著(P0.05)。馬鈴薯0-30cm 土層的平均土壤有機(jī)碳(SOC,8.01gkg-1),TN(1.05Skg-1)和TP(0.33g kg-1)含量顯著低于其它生態(tài)系統(tǒng)(P0.05)。0-30cm土層的平均碳氮比(C:N)在10個生態(tài)系統(tǒng)之間沒有顯著差異(P0.05);馬鈴薯土壤的碳磷比(C:P)比大白菜略低(24.64 vs 33.17,P0.05),兩者均低于其它生態(tài)系統(tǒng)。九個生態(tài)系統(tǒng)的N:P值之間沒有顯著性差異(P0.05),但都高于馬鈴薯生態(tài)系統(tǒng)(P0.05)�？偟膩碚f,N是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)生物量生產(chǎn)的限制因素。土壤的C:P和N:P隨土地利用強(qiáng)度的增加而顯著下降。適當(dāng)增加氮肥的使用,保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)將有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。3.十個生態(tài)系統(tǒng)中,購買能值投入從3.53到147.67×1014seJ/ha/yr不等分布,雨水能是最高的可更新自然資源能值投入,為4.78×1014seJ/ha/yr。地下水對于需要灌溉的生態(tài)系統(tǒng)來說是最重要的不可再生資源。馬鈴薯(27.81)和大白菜(19.03)的能值投資率(EIR)均高于其它生態(tài)系統(tǒng),但割草地和人工羊草地有較高的能值自給率(ESR)。天然草地、人工羊草草地、青玉米和傳統(tǒng)糧食作物具有低環(huán)境負(fù)荷和高的可持續(xù)性,而馬鈴薯、大白菜和燕麥生態(tài)系統(tǒng)相反有高的環(huán)境負(fù)荷和低的可持續(xù)性。從環(huán)境負(fù)載率和初級生產(chǎn)力的角度看,雨養(yǎng)人工草地在當(dāng)?shù)鼐哂休^高的發(fā)展?jié)摿Α?.就玉米生態(tài)系統(tǒng)而言,可更新自然能值(R)投入從新疆的0.62×1014seJ/ha到廣西的6.34×1014seJ/ha不等變化;不可更新自然能值(N)投入從河南的3.95×1014 seJ/ha到吉林的9.46×1014seJ/ha不斷改變;可更新購買能值(PR)投入,從黑龍江的2.97×1014seJ/ha到甘肅的26.14×1014seJ/ha逐步增加;不可更新購買能值(PN)投入最低的是四川的14.89×1014seJ/ha,最高的是甘肅的33.00×1014seJ/ha。小麥生態(tài)系統(tǒng)的R值投入從新疆的0.53×1014 seJ/ha到湖北的3.91×1014 seJ/ha不等變化;N值投入從河南的3.42×1014 seJ/ha到黑龍江的7.61×1014 seJ/ha不斷改變;PR值投入從黑龍江的3.90×1014 seJ/ha到寧夏的21.63×1014 seJ/ha逐步增加;PN值投入最低的是黑龍江的9.90×1014seJ/ha,最高的是內(nèi)蒙古的31.34×1014seJ/ha。此外,玉米生態(tài)系統(tǒng)中,黑龍江的環(huán)境負(fù)載率最高,其次是內(nèi)蒙古(4.79),吉林(3.95)和遼寧(3.52),擁有相對較低環(huán)境負(fù)載率的是貴州,重慶,廣西,云南和四川。同樣,我國南方省份的能值可持續(xù)性指數(shù)也高于其它地區(qū)。多數(shù)省份的玉米、小麥生態(tài)系統(tǒng)屬于發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng),但是也具有高的環(huán)境負(fù)荷率。5.玉米生態(tài)系統(tǒng)的自然和購買能值投入占比從新疆的13.65%vs 86.35%到黑龍江的33.70%vs 66.30%不斷變化。區(qū)域尺度上分別接近于30%vs 70%(中國東北),25%vs75%(中國西南),22%vs78%(黃土高原),20%vs80%(黃淮海平原)和15%vs 85%(中國西北)。此外,小麥生態(tài)系統(tǒng)自然能和購買能的投入占比分別接近于40%vs60%(中國東北),27%vs73%(中國西南),23%vs77%(長江中下游),18%vs82%(黃土高原),15%vs85%(中國西北)和14%vs86%(黃淮海平原)。玉米、小麥生態(tài)系統(tǒng)中自然能量的投入影響了購買能量投入的數(shù)量和比例�？偟膩碚f,自然能量是維持生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的基本力量,人為能量投入是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生演變的直接原因。自然和購買能值的不同組合可以在不同的環(huán)境條件下維持同一種生態(tài)系統(tǒng)的存在和發(fā)展。一般情況下,一定的自然資源對應(yīng)特定的自然生態(tài)系統(tǒng),人為能量的干擾下,自然生態(tài)系統(tǒng)脫離原有的系統(tǒng)發(fā)展模式,形成新的生態(tài)系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S181
【圖文】：

地理坐標(biāo)范圍是北緯：４１°４５＇８９０＂－４１°４５＇９０１＂；東經(jīng)：１１５°４０＇４４６＂－１１５°４（Ｔ４６４＂。海拔逡逑近１４３０ｍ。野外臺站位于河北省沽源縣境內(nèi)，地處內(nèi)蒙古典型草原東南舌狀延伸地帶逡逑（圖２），古長城外側(cè)。全縣最高海拔２１２３米，？最低海拔１３５６米，平均海拔１５３６逡逑米。東與承德市豐寧縣接壤，南與赤城、崇禮兩縣連接，西與張北縣、康�？h峨鄰，逡逑北與內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗、正藍(lán)旗、多倫縣為界�？h城駐地平定堡鎮(zhèn)距北京市２７０逡逑公里，距張家口市１６７公里，距省會石家莊６００公里。逡逑沽源縣總面積３６５４平方公里，轄４鎮(zhèn)１０鄉(xiāng)（平定堡鎮(zhèn)、小廠鎮(zhèn)、黃蓋淖鎮(zhèn)、九逡逑連城鎮(zhèn)；高山堡鄉(xiāng)、小河子鄉(xiāng)、二道渠鄉(xiāng)、大二號回族鄉(xiāng)、閃電河鄉(xiāng)、長梁鄉(xiāng)、豐源逡逑店鄉(xiāng)、西辛營鄉(xiāng)、蓮花灘鄉(xiāng)、白土窯鄉(xiāng)、榆樹溝、沙梁子、小城子和東大門）、２３３逡逑個行政村，總?cè)丝阱澹玻玻度f，其中農(nóng)業(yè)人口邋２０．１萬。２０１６年，全縣ＧＤＰ完成４８．２３逡逑億元（沽源縣政府網(wǎng)站，２０１８）。該區(qū)域是我國北方農(nóng)牧交錯帶的典型代表，主要的逡逑生態(tài)系統(tǒng)類型包括天然草地、人工草地、糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物等。逡逑１６逡逑

水量達(dá)到１５５．４邋Ｕ其次是馬鈴薯、青玉米和燕麥的含水量較高，分別為７２．４、６６．３逡逑和３７．０邋ｔ／ｈｍ２。人工羊草、莜麥、胡麻和割草地次之，含水量分別是７．６，邋４．６，邋３．２和逡逑２．２ｔ／ｈｍ２，小麥和自由放牧地最低，分別為１．７和0．８ｔ／ｈｍ２邋（圖５）。逡逑值得一提的是，自由放牧地的現(xiàn)存生物量和含水量均為最低，但其鮮干比（２．％）逡逑要高于旱作的羊草（２．４９）、莜麥（２．５２）、胡麻（２．３３）和小麥（１．８１）。其原因主逡逑要是由于天然草原的土壤含水量和保水能力要優(yōu)于其它生態(tài)系統(tǒng)：再者草原植被由于逡逑放牧而使得植物保持了較為鮮嫩的狀態(tài)。逡逑１８０邋ｒ逡逑１５０邋＇邋Ｉ逡逑１２０－邋ｒ－Ｊ逡逑Ｓｉ邋９0－＠逡逑ｇ邋８邋６０邋＿邋：丨逡逑３０＂ｌｌｌｌａ逡逑ｉｊｌｌＢｇｌｌｌｌｉ．＾逡逑櫸來邐撇番逐邐ＩＭＸ逡逑＿邋镲邋ｔ邐Ｉ邐摟惡邐ｓ－邐七荽逡逑＾邐＾邐＾邐３邐５邐Ｉ邐１逡逑ｍ邐ｍ邐ｋ邐＇二逡逑ｉＪＴ邐ｆＪＴ逡逑生態(tài)系統(tǒng)類型Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ邋ｔｙｐｅｓ逡逑圖５不同生態(tài)系統(tǒng)植物含水量逡逑Ｆｉｇ．邋５邋Ｐｌａｎｔ邋ｗａｔｅｒ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ逡逑３．邋１．２不同濃度氮素添加對天然草地羊草生物量的影響逡逑由于上述農(nóng)牧交錯帶主要生態(tài)系統(tǒng)的功能特征（初級生產(chǎn)力）是在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逡逑和物質(zhì)能量投入改變下發(fā)生的，為了對比研宄結(jié)構(gòu)不變的情況下，物質(zhì)、能量投入對逡逑生態(tài)系統(tǒng)的功能的影響，本研究于２０１８年在河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀逡逑２７逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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1 米兆榮;陳立同;張振華;賀金生;;基于年降水、生長季降水和生長季蒸散的高寒草地水分利用效率[J];植物生態(tài)學(xué)報;2015年07期

2 黃春;鄧良基;楊娟;周偉;;成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)能值分析[J];水土保持通報;2015年02期

3 徐蘭;羅維;周寶同;;基于土地利用變化的農(nóng)牧交錯帶典型流域生態(tài)風(fēng)險評價——以洋河為例[J];自然資源學(xué)報;2015年04期

4 楊陽;宋乃平;劉秉儒;何彤慧;安慧;;農(nóng)牧交錯帶土地利用格局演變研究進(jìn)展[J];環(huán)境工程;2015年03期

5 王金朔;金曉斌;曹雪;周寅康;;清代北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)耕北界的變遷[J];干旱區(qū)資源與環(huán)境;2015年03期

6 宋濤;蔡建明;杜姍姍;倪攀;丁悅;;基于能值分析的北京城市新陳代謝研究[J];干旱區(qū)資源與環(huán)境;2015年01期

7 杜華明;延軍平;王鵬濤;;北方農(nóng)牧交錯帶干旱災(zāi)害及其對暖干氣候的響應(yīng)[J];干旱區(qū)資源與環(huán)境;2015年01期

8 馬鳳嬌;劉金銅;;基于能值分析的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估——以河北省欒城縣為例[J];資源科學(xué);2014年09期

9 王玉輝;井長青;白潔;李龍輝;陳曦;羅格平;;亞洲中部干旱區(qū)3個典型生態(tài)系統(tǒng)生長季水碳通量特征[J];植物生態(tài)學(xué)報;2014年08期

10 李春發(fā);曹瑩瑩;;國際能值研究熱點(diǎn)和前沿的可視化分析[J];生態(tài)環(huán)境學(xué)報;2014年06期

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1 楊寧;內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶主要作物對氣候的敏感性與適應(yīng)彈性研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

2 秦立剛;農(nóng)牧交錯帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及區(qū)域氣候?qū)ο聣|面變化響應(yīng)機(jī)制研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

3 劉志頤;內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶化德縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式研究[D];中央民族大學(xué);2013年

4 魏琦;北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱性評價與生態(tài)治理研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2010年

5 吳全忠;北方干旱、半干旱農(nóng)牧交錯帶地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力開發(fā)途徑研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2004年

6 董孝斌;北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分析評價及實(shí)證研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2003年

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1 高雅;三江源區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值的能值評價[D];蘭州大學(xué);2014年

2 李霞;基于GIS的中國北方農(nóng)牧交錯帶時空變化及特征研究[D];西北師范大學(xué);2009年

3 王小利;壩上地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析及生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展初探[D];首都師范大學(xué);2004年

4 朱麗;松嫩平原農(nóng)牧交錯帶農(nóng)、牧子系統(tǒng)能量與能值分析[D];東北師范大學(xué);2004年

本文編號：2713842