本文選題：管理措施　切入點(diǎn)：群落多樣性　出處：《中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心》2017年博士論文

【摘要】：草地是我國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),在調(diào)節(jié)氣候、保持水土和保護(hù)生物多樣性等方面的生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮重要的作用。退化草地的恢復(fù)工作在過去幾十年成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn),但隨著生態(tài)恢復(fù)措施實(shí)施年限的延長,表現(xiàn)為草地群落結(jié)構(gòu)簡單化和生態(tài)系統(tǒng)功能降低的趨勢,使得恢復(fù)草地如何進(jìn)一步管理成為急需解決的科學(xué)問題。封育、施肥和火燒是人類在草地生態(tài)系統(tǒng)管理實(shí)踐中的主要措施,且基于功能性狀的群落功能多樣性是影響生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的關(guān)鍵所在。因此,開展基于功能性狀分析不同管理措施下草地群落結(jié)構(gòu)與功能的研究更加迫切。本論文以黃土高原半干旱區(qū)云霧山國家自然保護(hù)區(qū)為研究對象,借助物種多樣性和功能多樣性相關(guān)理論,在野外調(diào)查、實(shí)地采樣和室內(nèi)分析的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析了不同封育年限、不同氮素添加水平和不同火燒恢復(fù)年限對群落結(jié)構(gòu)和功能的影響,探尋了群落結(jié)構(gòu)組成、群落多樣性、根系形態(tài)特征、氮磷化學(xué)計量特征、土壤碳氮和生態(tài)系統(tǒng)功能對管理措施的響應(yīng)特征,揭示了群落多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系。主要研究結(jié)論如下:(1)不同物種和功能群受管理措施顯著影響。在長期封育過程中,以本氏針茅為建群種的草地群落演替成為甘青針茅+大針茅群落,小灌木/半灌木所占比例呈增加趨勢。在不同氮素添加水平,低氮水平增加豆科植物所占比例,而高氮水平抑制其生長;一年生和兩年生植物對氮素添加響應(yīng)較快,而多年生植物的生長短時間未能完全體現(xiàn)�；馃黾恿擞卸倦s草的所占比例,降低了草地群落的可食性,但隨著恢復(fù)年限延長,草地可食性得到改善。(2)基于功能性狀的多樣性和物種多樣性在不同管理措施下變化規(guī)律有所差異。最大植株高度、葉干物質(zhì)含量、葉片氮含量和比葉面積可作為草地管理的指示性狀。在長期封育過程中,功能多樣性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在封育18年達(dá)到峰值,且顯著高于放牧地;物種多樣性與放牧地?zé)o顯著差異。在不同氮素添加水平下,功能多樣性相對比較穩(wěn)定,變化不顯著,物種多樣性呈現(xiàn)下降趨勢。在火燒后的恢復(fù)過程中,除物種均勻度和功能均勻度外,基于功能性狀的多樣性和物種多樣性具有一致性,表現(xiàn)為先增加后降低的變化規(guī)律,在火燒后第3年達(dá)到峰值。(3)根系各形態(tài)指標(biāo)對不同管理措施的響應(yīng)特征不一致。比根長和比根面積表現(xiàn)為先增加后降低的變化特征;封育前18年各徑級的根長和根表面積均增加,而封育18年后,根長和根表面積的增加主要集中在0~0.5mm。根長、根系表面積和根長密度在適應(yīng)氮素上存在一個閾值,在尿素添加10gm-2yr-1水平較高,且0~0.5mm的根系比0.5~1mm對氮素添加的響應(yīng)比較敏感�；馃档透L、根表面積和根長密度,隨著在恢復(fù)過程中逐漸增加在火燒后第3年恢復(fù)到未火燒水平;1mm根系恢復(fù)時間較長。(4)不同優(yōu)勢種和功能群氮磷化學(xué)計量特征在不同管理措施下變化趨勢存在顯著差異。莎草和禾草葉片氮磷含量較低,豆科植物氮磷含量較高�；馃蠛瘫究坪陀卸绢惒荼臼艿拗频母窬植⑽词艿斤@著影響;但封育、氮素添加和火燒緩解大部分優(yōu)勢種和功能群氮素限制。如豆科由退化草地的氮限制轉(zhuǎn)為封育草地的磷限制;低濃度氮素添加緩解氮素限制,隨著濃度的增加,加劇了磷元素的限制;多年叢生禾草火燒后可能由氮限制逐步轉(zhuǎn)化為磷限制。(5)土壤不同形態(tài)的碳氮對氮素添加和火燒響應(yīng)有所不同。氮素添加顯著增加土壤有效氮,對土壤總有機(jī)碳的影響不顯著;低濃度氮促進(jìn)土壤微生物量碳氮含量的增加,而高濃度氮抑制了植物碳氮向微生物量碳氮的轉(zhuǎn)化�；馃@著降低有機(jī)碳、全氮和微生物生物量碳氮,但顯著增加有效氮的含量,在火燒后第7年基本恢復(fù)到未火燒水平。(6)不同生態(tài)系統(tǒng)功能在不同管理措施下變化規(guī)律差異顯著。草地群落生物量隨著封育時間的推移呈增加的趨勢,封育18年前生物量的增加集中地上部分,封育18年后集中地下部分;土壤碳氮儲量先增加后降低,在封育18年達(dá)到峰值。在不同氮素添加水平下,草地群落生物量呈增加的趨勢;中低氮水平有助于土壤碳氮的積累,而高氮水平土壤碳氮積累有所下降。在火燒后恢復(fù)過程中,火燒顯著降低群落總生物量、地下生物量和土壤碳氮儲量,但隨著火燒后時間的推移逐漸增加,在火燒后第7年恢復(fù)或者超過未火燒水平。(7)群落多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系因管理措施的差異而有所不同。在長期封育過程中,群落多樣性與生物量和土壤碳儲量相關(guān)性不顯著;最大植株高度群落加權(quán)值和生物量關(guān)系密切,而比葉面積與土壤碳儲量呈正相關(guān)。在不同氮素添加水平下,物種多樣性指數(shù)與生物量顯著負(fù)相關(guān);植物功能性狀中的最大植株高度和地上生物量關(guān)系密切,而葉片氮含量與地下生物量和土壤碳儲量呈正相關(guān)。在火燒后恢復(fù)過程中,群落多樣性和地上生物量的關(guān)系主要受“多樣性假說”的影響;群落總生物量、地下生物量和土壤碳氮儲量與最大植株高度和葉片氮含量呈正相關(guān),支持“質(zhì)量比假說”。(8)綜上所述,典型草地群落的最佳封育年限為18年左右,長期封育草地群落有灌叢化的可能,不利于優(yōu)化草地群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能;中低氮水平的添加有助于群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,持續(xù)氮沉降不利于草地生態(tài)系統(tǒng)功能的完善;火燒雖有某些消極作用,但火燒后3~7年群落結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)乃至優(yōu)于未火燒水平。封育、氮素添加和火燒在一定程度上改變植物生長氮磷限制格局,建議今后在封育18年左右、中低氮素添加、火燒后3年的草地上配施磷肥以緩解磷元素的限制,優(yōu)化草地群落結(jié)構(gòu)和功能。此外,物種多樣性和功能多樣性的關(guān)系、群落多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系受管理措施的顯著影響;除火燒后群落多樣性與地上生物量受“多樣性假說”的影響,優(yōu)勢種的功能性狀標(biāo)識是生態(tài)系統(tǒng)功能的主要驅(qū)動因子,由“質(zhì)量比假說”解釋群落多樣性和生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系,且不同生態(tài)系統(tǒng)功能取決于不同的植物功能性狀。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S812
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本文編號：1677765