氣候變化和人類活動(dòng)已經(jīng)并將持續(xù)改變自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。青藏高原高寒草甸由于其特殊的自然環(huán)境,被認(rèn)為是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)響應(yīng)機(jī)制的理想?yún)^(qū)域。過去的研究分別報(bào)道了氣候變化和放牧對(duì)草地群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,然而,對(duì)于氣候變化和放牧的交互作用尚不清楚。為此,本研究通過增溫-放牧控制試驗(yàn)和區(qū)域調(diào)查試驗(yàn),并結(jié)合DNDC(Denitrification-Decomposition)模型,以高寒草甸最脆弱的生長階段——植物幼苗期,最重要的生產(chǎn)指標(biāo)——地上生物量和最重要的生態(tài)指標(biāo)——土壤有機(jī)碳為主要研究對(duì)象,探索氣候變化和放牧對(duì)高寒草甸的作用機(jī)制,預(yù)估未來氣候情景下相應(yīng)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化,以期明確氣候變化和放牧對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響,為草地的適應(yīng)性管理提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)與中度放牧相比,長期圍封(14年)導(dǎo)致植物群落蓋度增加30.06%,土壤有機(jī)碳含量增加16.51%(0~10cm)和30.67%(10~20cm),全氮含量增加13.26%(0~10 cm)和15.24%(10~20cm),土壤容重下降30.18%(0~10cm)和20.0%(10~20 cm),且增加地下生物量(P0.01)和禾草地上生物量(P0.001);但長期圍封使植物群落物種豐富度和密度分別下降了17.31%和20.57%。重度放牧導(dǎo)致群落蓋度、地上和地下生物量、禾草比例、凋落物質(zhì)量、土壤有機(jī)碳及全氮含量的顯著下降(P0.01),且使根冠比增加19.82%。(2)增溫顯著增加高寒草甸幼苗物種豐富度(P0.01)和密度(P0.001),且提高無性繁殖與有性繁殖幼苗的比例(P0.01);放牧減少無性補(bǔ)充與有性補(bǔ)充幼苗的比例(P0.05),且優(yōu)勢植物功能群從禾草向雜類草轉(zhuǎn)變;放牧部分抵消了增溫引起的幼苗物種豐富度的增加,但對(duì)幼苗密度沒有顯著影響。(3)增溫導(dǎo)致高寒草甸地上生物量顯著增加(P0.05),放牧引起地上生物量顯著下降(P0.01);短期內(nèi)增溫對(duì)土壤有機(jī)碳的影響并不顯著(P0.05),在2016年和2017年分別下降2.79%和1.85%;相反的是,放牧條件下的土壤有機(jī)碳則在2016年和2017年分別增加3.35%和1.89%。(4)DNDC模型能較好地模擬高寒草甸地上生物量和土壤有機(jī)碳(R~2=0.88,RMSE=17.11,MBE=-0.04,P0.001;R~2=0.71,RMSE=1.43,MBE=0.06,P0.001)對(duì)氣候因子(溫度、降水)和放牧強(qiáng)度變化的響應(yīng);因子分析顯示,氣候變化解釋了地上生物量和土壤有機(jī)碳變化的49.8%和61.9%,放牧強(qiáng)度解釋了地上生物量和土壤有機(jī)碳變化的26.4%和1.6%。(5)到2050年,RCP4.5和RCP8.5未來氣候情景下高寒草甸地上生物量比2017年分別增加15.00~169.01%和7.74~135.27%;高寒草甸土壤有機(jī)碳含量(0~20cm)到2050年在RCP4.5情景下增加0.98~2.85%,而在RCP8.5情景下降低0.26~1.30%。本研究論文主要結(jié)論如下:(1)中度放牧有利于物種多樣性、生物量和土壤理化性質(zhì)的維持,是青藏高原高寒草甸更合理的草場管理措施;相反,圍封是退化草甸植被恢復(fù)和養(yǎng)分固存的有效管理策略,但長期的圍封禁牧不利于物種多樣性的維持。(2)增溫對(duì)高寒草甸的幼苗物種豐富度和密度具有積極影響,且提高無性繁殖與有性繁殖幼苗的比例;放牧降低無性補(bǔ)充與有性補(bǔ)充幼苗的比例且致使優(yōu)勢功能群發(fā)生轉(zhuǎn)變。放牧在一定程度上抵消了溫度對(duì)幼苗物種豐富度的影響。(3)增溫導(dǎo)致高寒草甸地上生物量顯著增加,并對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生負(fù)面影響;放牧影響地上生物量和土壤有機(jī)碳對(duì)溫度增加的響應(yīng)。(4)與放牧強(qiáng)度相比,氣候因子(溫度、降水)是引起高寒草甸地上生物量和土壤有機(jī)碳變化的首要因素。模擬預(yù)測認(rèn)為,在RCP4.5情景下,2017~2050年青藏高原高寒草甸的放牧強(qiáng)度可按照2017年的基準(zhǔn)值保持不變或略微增加,以提高草地利用率。在RCP8.5情景下,該地區(qū)這段時(shí)期內(nèi)的放牧強(qiáng)度應(yīng)在2017年基準(zhǔn)值基礎(chǔ)上逐年適度降低,以確保高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。綜上,本研究認(rèn)為中度放牧適宜于高寒草甸的可持續(xù)發(fā)展;了解氣候變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響需要考慮放牧和氣候變化的非累加效應(yīng);在氣候變化背景下探究草地的適應(yīng)性管理將是今后重要的研究方向。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S812.2
【部分圖文】：

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文 高寒草甸植物群落和土壤有機(jī)碳對(duì)氣候變化和放牧的響子模型構(gòu)成（圖 1-1）。第一部分包括氣候土壤、植物生長和土壤有機(jī)碳分解三個(gè)子模型，通過生態(tài)驅(qū)動(dòng)因子（氣候、土壤、植被及人類活動(dòng)）模擬土壤的環(huán)境條件（土壤溫度、濕度、酸堿度、相關(guān)化學(xué)底物濃度以及氧化還原電位等）。第二部分包括土壤的硝化、反硝化以及發(fā)酵作用的三個(gè)子模型，來模擬微生物活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境條件的響應(yīng)，計(jì)算植物-土壤系統(tǒng)中 CO2，CH4，N2O，NH3，NO 及 N的排放量。DNDC 模型利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將參數(shù)化的植被與土壤的生物、物理和化學(xué)過程有機(jī)的結(jié)合起來，形成一個(gè)虛擬的完整的生態(tài)系統(tǒng)，并逐日運(yùn)行起來。DNDC 模型可在點(diǎn)位模擬又可在區(qū)域尺度模擬。對(duì)于點(diǎn)位的模擬，可通過模型界面輸入所有的參數(shù)。對(duì)于區(qū)域尺度的模擬，需要先設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)庫，然后由 DNDC 模型讀取參數(shù)（新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所,2010）。DND模型主菜單及參數(shù)輸入界面示例如圖 1-2 所示，主要輸入?yún)?shù)參見表 1-2。

圖 1-2 DNDC 模型主菜單及輸入?yún)?shù)界面Fig. 1-2 DNDC model main menu and parameter interface對(duì)于點(diǎn)位的模擬，需要提供一個(gè)點(diǎn)位的輸入?yún)?shù)，包括氣候、土壤和農(nóng)田（草地、森林等）管理信息三部分參數(shù)。在每一天的模擬中，DNDC 模型首先模擬土壤溫度、濕度及其氧化還原電位；接著模擬植物生長；然后模擬土壤有機(jī)碳的分解；最后模擬土壤微生物引起的硝化及反硝化反應(yīng)和發(fā)酵過程。根據(jù)植被或作物參數(shù)，DNDC 模型將每日的植被生長量分配到植物不同器官。土壤有機(jī)碳的模擬基于土壤的有機(jī)碳含量和全氮含量。DNDC 的硝化和反硝化反應(yīng)依據(jù)土壤氧化還原電位和基質(zhì)濃度計(jì)算含氮?dú)怏w的排放。當(dāng)氧化還原電位低于一定的閾值范圍，DNDC 又開始進(jìn)行發(fā)酵過程的子模型啟動(dòng)，去計(jì)算甲烷排放量。輸入程序的過程中，如果要求記錄每日模擬結(jié)果，DNDC 程序?qū)r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模擬逐日實(shí)施，從這年的第一天到最后一天。模擬過程結(jié)束后，會(huì)生成一個(gè)年度匯總報(bào)告，總結(jié)全年的碳、氮、水在該生態(tài)系統(tǒng)的收支平衡。若模擬多年結(jié)果，DNDC 模型將在前一年模擬完成后，自動(dòng)開啟下一年的模擬，直到所有年份的模擬完成為止。

本研究技術(shù)路線
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本文編號(hào)：2868691