短花针茅荒漠草原物种多样性及生产力对长期不同放牧强度的响应

以内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原为研究对象,从植物个体尺度入手,通过2016年野外群落调查试验,对荒漠草原不同放牧处理[载畜率分别为0(CK)、0.91(LG)、1.82(MG)、2.71(HG)羊/(hm2·a-1)]下的物种组成、植物多样性与生产力的关系进行分析,以揭示荒漠草原群落中的物种组成、物种多样性及其功能群多样性对不同载畜率的响应机制。结果表明:(1)对照区的植物种最多,有13科30种,轻度放牧区只比对照区少野韭(Allium ramosum)1种植物,而中度放牧区和重度放牧区的植物种分别较对照区减少了30%和40%,其中减少的物种大多属于多年生杂类草与多年生根茎禾草两大功能群。(2)多年生丛生禾草在植物群落中占比始终最大(29%~78%),且随着载畜率的增加而增加,而其他功能群均随载畜率增加呈减小的趋势。(3)两种多样性指数中,除了功能群多样性的Margalef丰富度指数,其他多样性指数均在对照区达到最大值,且大小依次为对照轻度中度重度放牧区。(4)物种多样性的3个α多样性指数与草地生产力存在显著正相关关系,功能群多样性指数则与生产力无相关关系。研究认为,长期放牧使得荒漠草原群落结构趋于简单化,使多年生丛生禾草形成优势单种;且载畜率的增加使得短花针茅荒漠草原植物的多样性及生产力均显著下降,高水平的多样性会导致高水平的草地生产力,比较2种多样性指数指标,物种多样性指标对荒漠草原生产力的贡献更大。     

荒漠草原异常降水对不同载畜率植物群落物种组成及多样性的影响

放牧和异常降水对荒漠草原生态系统产生了显著的影响,群落物种组成及多样性因降水和载畜率的改变而变化。然而不同载畜率下荒漠草原植物群落物种组成及多样性对异常降水的响应尚不明晰。本研究以内蒙古短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原为研究对象,调查并分析不同载畜率(绵羊,CK:不放牧、LG:0.93、MG:1.82和HG:2.71羊单位hm^-2半年^-1)放牧区植物群落物种组成及其数量特征。结果表明：降水增加对群落数量特征和物种多样性促进作用显著,但对群落物种优势度指数有显著抑制作用;降水增加使得不同功能属性物种数目增多,引起建群种物种综合优势度降低,从而改变群落物种组成及多样性;不同功能属性物种对载畜率的响应存在差异,群落物种组成及多样性在响应异常降水变化时,降水与载畜率之间协同变化和相互制约,但直根系C3植物和群落总密度的变化主要受载畜率影响。异常降水可影响长期过度放牧引起的生态系统过程,对草地生态系统恢复有积极作用。     

不同载畜率对荒漠草原群落结构和功能群生产力的影响

采用随机区组试验研究了内蒙古高原荒漠草原亚带短花针茅(S tip a brev if lora)草原群落不同载畜率对草原群落结构和功能群生产力的影响。结果表明:随着载畜率的增加,群落的植物种数逐渐减少,在每个载畜率水平下,冷蒿(A rtem isia f rig id a)占有绝对优势地位,优势度为35.66%~41.95%;群落的地上生物量随载畜率的增加而降低,各功能群地上生物量组成中,灌木类处于主体地位,分别占据了群落68%(CK)、77.40%(LG)、73.25%(M G)、76.91%(HG)的生物量;在植物生活型功能组成中,灌木类和杂类草、多年生丛生禾草和杂类草功能群,在生物量上具有生态互补效应(n iche com p lem en tary effect)。     

不同放牧强度下植物种群密度的季节性变化

采用随机区组的试验方法, 着力于探索内蒙古荒漠草原3 种主要植物种群密度在不同生长季节随放牧强度变化而呈现出季节性的波动规律。研究对象主要是短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)。结果表明: 上述3 种主要植物种群总密度在放牧区均高于对照区; 短花针茅和无芒隐子草枝条总密度的变化趋势基本一致, 冷蒿枝条总密度总体逐月降低。整体分析而言, 放牧期间(6-9 月), 短花针茅、冷蒿和无芒隐子草枝条总密度的峰值均出现在HG(或MG), 说明放牧家畜的持续采食及践踏, 导致了植物种群株丛发生破碎而趋向小型化, HG(或MG)由母株破碎而产生的小株丛多, 故株丛总密度相应增加; 另外, 连续放牧致使大多数植株未能进行生殖生长即被采食, 从而促进了植物的营养繁殖和营养生长, 增加了种群密度。     

不同放牧强度下短花针茅荒漠草原植被-土壤系统有机碳组分储量特征

草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在全球碳循环中发挥着重要作用。以内蒙古短花针茅荒漠草原不同放牧强度样地为研究对象,通过分析地上植物、凋落物、根系、土壤中有机碳和土壤轻组有机碳,研究草原植被-土壤系统有机碳组分储量的变化特征,从碳储量角度为合理利用草原提供指导。研究结果表明:(1)不同放牧强度荒漠草原地上植物碳储量为11.98—44.51 g/m~2,凋落物碳储量10.43—36.12 g/m~2,根系(0—40cm)碳储量502.30—804.31 g/m~2,且对照区(CK)均显著高于中度放牧区(MG)、重度放牧区(HG);(2)0—40cm土壤碳储量为7817.43—9694.16 g/m~2,其中轻度放牧区(LG)碳储量为9694.16 g/m~2,显著高于CK、HG(P0.05);(3)植被—土壤系统的碳储量为8342.14—10494.80 g/m~2,LGMGCKHG,有机碳主要储存于土壤当中,占比约90.54%—93.71%,适度放牧利用有利于发挥草地生态系统的碳汇功能;(4)土壤轻组有机碳储量为484.20—654.62 g/m~2,LG储量最高,表明适度放牧有助于草原土壤营养物质的循环和积累。     

短花针茅荒漠草原植物地上地下生物量对载畜率和降水的响应

该研究于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗农牧科学院基地进行,试验采用完全随机区组设计,3个区组内各自设置了对照(CK)、轻度载畜率(LG)、中度载畜率(MG)、重度载畜率(HG)处理,在每个载畜率试验小区内随机设置了4个降水梯度(自然降水、减少50%降水、增加50%降水、增加100%降水),在短花针茅荒漠草原不同载畜率试验基础上模拟降水试验,分析植物地上地下生物量对载畜率和降水变化的响应特征。结果表明:(1)4种载畜率基础上增加50%降水,短花针茅荒漠草原的植物种数显著高于减少50%降水(P0.05),但与增加100%降水无显著差异;轻度载畜率下增加50%降水时物种数最多。(2)轻度、中度载畜率下增加50%降水地上生物量显著高于减少50%降水和自然降水,但与增加100%降水无显著差异;水分改变均没有使围封、重度载畜率地上生物量出现显著变化。(3)随着载畜率的增加,根系现存量随着土层的深度增加而逐渐降低,水分增加使得根系现存量出现降低趋势。(4)根系现存量与地上生物量呈一次函数极显著正相关关系(R=0.92,P0.01)。     

氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分,同时也是评价生态系统健康状况的重要指标,对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipabreviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行,该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理,探讨不同放牧强度背景下,氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明:(1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响,2016和2017年都有显著影响,放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外,氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率,HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用;(2)无论是历史放牧强度,还是氮、水添加处理,都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势,土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式,峰值出现在水热同期的7月份;(3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同,氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响,但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理,说明氮添加的有效性依赖于水分条件,两者表现为协同作用;(4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q_(10))值介于1.13–2.41之间,平均值为1.71。在无氮、水添加时,放牧区的Q_(10)值都小于CK区,总体表现为CK MG LG HG;加水和氮水共同添加处理后, Q_(10)值都有明显增加,其中NW处理下Q_(10)值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中,土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子,外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用,尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

载畜率对内蒙古荒漠草原冷蒿种群资源分配格局的影响

研究植物的资源分配格局以揭示其对环境变化的响应机制有重要的生态学意义。以内蒙古短花针茅(Stipa breviflora)草原冷蒿(Artemisia frigida)种群为研究对象,设置4个载畜率水平的随机区组试验,由冷蒿地上、地下及各构件生物量的变化入手,探讨了载畜率对该种群资源分配格局的影响规律,为退化草地的恢复及合理的放牧管理提供参考。结果表明:(1)冷蒿种群的高度随载畜率的增大而显著降低(P0.05),中度与重度放牧显著降低了该种群的盖度(P0.05),轻度放牧使该种群密度显著增加(P0.05);(2)地上、地下生物量及总生物量均随载畜率的增加而显著降低(P0.05),3a的年际效应及载畜率与年际的互作效应对总生物量、地上和地下生物量的影响差异均显著(P0.05);(3)生物量分配的总体格局是根茎叶花/果,且各构件的生物量均随着载畜率的增加而减少;(4)各构件的生物量分配比例对载畜率的响应不同,中度与重度放牧显著增大了生物量在根的分配(P0.05),茎的生物量分配在轻度放牧显著增加,重度放牧显著降低(P0.05),轻度与中度放牧显著促进了叶的生物量分配(P0.05),花/果的生物量分配随载畜率的增加而显著降低(P0.05);(5)随着载畜率的增大,冷蒿的有性繁殖能力减弱,而无性繁殖能力增强。     

短花针茅荒漠草原α多样性对绵羊载畜率的响应

以短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原为研究对象,采用巢式样方法分析在不同绵羊载畜率下草地的α多样性以及物种组成的变化,探讨荒漠草原生态系统在放牧利用下α多样性对载畜率的响应。结果表明:物种数和α多样性指数随着载畜率的升高而下降。放牧会减少群落非优势物种的相对多度,非优势物种能够反映α多样性。40 m~2为短花针茅荒漠草原多样性研究的最佳取样面积。种-面积关系以及α多样性指数-面积关系符合对数增长模型:y=aln(x)+b。随着取样面积尺度的增加,α多样性指数沿载畜率梯度差异性逐渐增大,在取样面积为0.16 m~2到0.64 m~2时可以体现中、高载畜率和零、低载畜率水平间的差异性,在160 m~2时可以体现各载畜率水平之间的差异显著性。     

不同起始状态对草原群落恢复演替的影响

内蒙古典型草原,由于过度放牧利用,绝大部分草原处于退化状态.为了使退化草原得到较好的恢复,以锡林郭勒盟白音锡勒牧场典型草原为研究对象,比较分析了在不同起始状态下的草原群落,经过6a的自然恢复,其各自的群落组成,地上生物量及共有种的植株高度、节间长、叶长、叶宽,土壤紧实度和容重.结果表明:1)不同放牧率的植物群落,经过6a的禁牧恢复,群落类型发生了变化且群落趋于一致.2)当放牧率SR≤5.33羊/hm2(SR4)时,演替起始状态对草原群落地上生物量的恢复没有影响;当放牧率SR＞5.33羊/hm2时,演替起始状态对草原群落地上生物量的恢复产生影响,其结果是导致当前生物量降低,不利于草原的恢复.3)不同放牧率植物群落的植物个体特征趋于一致,“个体小型化”现象消失.同时,也说明群落恢复演替的起点不同,正常化的时间没有太大的变化.4)不同放牧率植物群落的土壤紧实度和容重经过6a的禁牧恢复,没有得到完全恢复,但均达到一致的水平.     

Effects of forage composition and growing season on methane emission from sheep in the Inner Mongolia steppe of China

Understanding the effects of dietary composition on methane (CH₄) production of sheep can help us to understand grassland degradation resulting in an increase of CH₄ emission from ruminant livestock and its resulting significance affecting CH₄ source/sink in the grazing ecosystem. The objective of this study was to investigate the effect of forage composition in the diet of sheep in July and August on CH₄ production by sheep in the Inner Mongolia steppe. The four diet treatments were: (1) Leymus chinensis and Cleistogenes squarrosa (LC), (2) Leymus chinensis, Cleistogenes squarrosa and concentrate supplementation (LCC), (3) Artemisia frigida and Cleistogenes squarrosa (AC), and (4) Artemisia frigida, Cleistogenes squarrosa and concentrate supplementation (ACC). CH₄ production was significantly lower in July than in August (31.4 and 36.2 g per sheep-unit per day, respectively). The daily average CH₄ production per unit of digestive dry matter (DM), organic matter (OM) and neutral detergent fiber (NDF) increased by 10.9, 11.2 and 42.1% for the AC diet compared with the LC diet, respectively. Although concentrate supplementation in both the AC and LC diets increased total CH₄ production per sheep per day, it improved sheep productivity and decreased CH₄ production by 14.8, 12.5 and 14.8% per unit of DM, OM and NDF digested by the sheep, respectively. Our results suggested that in degraded grassland CH₄ emission from sheep was increased and concentrate supplementation increased diet use efficiency. Sheep-grazing ecosystem seems to be a source of CH₄ when the stocking rate is over 0.5 sheep-units ha⁻¹ during the growing season in the Inner Mongolia steppe. Shiping Wang and He Zhou contributed equally to this work.     

Effect of stocking rate on soil-atmosphere CH4 flux during spring freeze-thaw cycles in a northern desert steppe, China

BACKGROUND: Methane (CH(4)) uptake by steppe soils is affected by a range of specific factors and is a complex process. Increased stocking rate promotes steppe degradation, with unclear consequences for gas exchanges. To assess the effects of grazing management on CH(4) uptake in desert steppes, we investigated soil-atmosphere CH(4) exchange during the winter-spring transition period. METHODOLOGY/MAIN FINDING: The experiment was conducted at twelve grazing plots denoting four treatments defined along a grazing gradient with three replications: non-grazing (0 sheep/ha, NG), light grazing (0.75 sheep/ha, LG), moderate grazing (1.50 sheep/ha, MG) and heavy grazing (2.25 sheep/ha, HG). Using an automatic cavity ring-down spectrophotometer, we measured CH(4) fluxes from March 1 to April 29 in 2010 and March 2 to April 27 in 2011. According to the status of soil freeze-thaw cycles (positive and negative soil temperatures occurred in alternation), the experiment was divided into periods I and II. Results indicate that mean CH(4) uptake in period I (7.51 μg CH(4)-C m(-2) h(-1)) was significantly lower than uptake in period II (83.07 μg CH(4)-C m(-2) h(-1)). Averaged over 2 years, CH(4) fluxes during the freeze-thaw period were -84.76 μg CH(4)-C m(-2) h(-1) (NG), -88.76 μg CH(4)-C m(-2) h(-1) (LG), -64.77 μg CH(4)-C m(-2) h(-1) (MG) and -28.80 μg CH(4)-C m(-2) h(-1) (HG). CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: CH(4) uptake activity is affected by freeze-thaw cycles and stocking rates. CH(4) uptake is correlated with the moisture content and temperature of soil. MG and HG decreases CH(4) uptake while LG exerts a considerable positive impact on CH(4) uptake during spring freeze-thaw cycles in the northern desert steppe in China.     

Impact of grazing on soil carbon and microbial biomass in typical steppe and desert steppe of Inner Mongolia

The potential of grazing lands to sequester carbon must be understood to develop effective soil conservation measures and sustain livestock production. Our objective was to evaluate the effects of grazing on soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), microbial biomass carbon (MBC) in Typical steppe and Desert steppe ecosystems, which are both important grassland resources for animal grazing and ecological conservation in China, and to derive region-specific soil C changes associated with different stocking rates (ungrazed, UG; lightly grazed, LG; moderately grazed, MG; heavily grazed, HG). This study substantiated that significant higher SOC, TN and MBC appeared with the treatment of LG in typical steppe. From 2004 to 2010, grazing treatments increased soil carbon storage in desert steppe, which was partly due to the grazing history. The higher MBC concentration and MBC/SOC suggest a great potential for carbon sequestration in the desert steppe ecosystem. The greater MBC in desert steppe than typical steppe was mainly the result of higher precipitation and temperature, instead of soil substrate. The change of MBC and the strong positive relationships between MBC and SOC indicated that MBC in the soil was a sensitive index to indicate the dynamics of soil organic carbon in both steppes in Inner Mongolia of China.     

内蒙古典型草原放牧压力评价及土壤N储量响应

放牧是草原生态系统的重要干扰,是草原氮循环的重要影响因素。为了揭示放牧对土壤N储量的影响,在内蒙古典型草原,基于单位草原面积草原载畜量和单位草原生产力,建立了放牧压力评价模型,并利用1990—2011年以县为单位统计的放牧牲畜数据和2001—2011每年合成的MODIS-NDVI_(max)影像数据评估了放牧压力的空间分布。基于2011年野外调查的95个样点和2010年调查的41个样点数据,对处于低放牧压力(LG),中放牧压力(MG)和高放牧压力(HG)的样点数据进行了统计分析。结果表明:放牧压力对土壤容重(BD),土壤全碳(TC)含量和土壤全氮(TN)含量具有显著影响,特别在土壤表层(0—10cm),土壤容重、TC含量和TN含量在LG,MG和HG之间存在显著差异。TC含量和TN含量随放牧压力增加而降低,BD随放牧压力增加而增加;黏粒含量(CC)在3个放牧压力梯度上不存在显著差异;土壤N储量表现出和TN含量相似的变化特征,随土壤深度增加而降低,随放牧压力增加而减少,在0—50cm范围内,土壤N储量在LG、MG和HG之间存在显著差异(2011,P0.05;2010,P0.1)。重度放牧是草原生态系统氮损失的主要因素之一,降低放牧压力有助于降低草原氮损失和恢复植被生产力。     

氮沉降和降雨变化对荒漠草原凋落物分解的影响

以荒漠草原凋落物为研究对象,通过设置自然降雨(CK)、增雨30%(W)和减雨30%(R) 3种水分处理和0 (N0)、30(N30)、50 (N50)和100 kg hm~(-2) a~(-1)(N100)4种氮素(NH_4NO_3)水平处理,用分解袋法,研究内蒙古短花针茅荒漠草原短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)和木地肤(Kochia prostrata)凋落物分解过程,旨在阐明荒漠草原凋落物分解过程及其对氮沉降和降雨变化的响应特征,为荒漠草原生态系统物质循环过程响应气候变化研究提供基础数据。结果表明:1)经过270 d分解后,短花针茅、冷蒿、木地肤和无芒隐子草干物质残留率分别为69.95%—78.67%、68.89%—79.89%、64.68%—79.23%、66.89%—79.38%,分解速率为木地肤无芒隐子草冷蒿短花针茅。2)氮沉降和降雨对短花针茅和冷蒿凋落物分解速率产生显著影响(P0.05),其交互作用对这两种凋落物分解速率不显著(P0.05)。氮沉降和降雨以及交互作用均对无芒隐子草和木地肤凋落物分解速率产生显著影响(P0.05)。3)单一水分或氮素的添加均提高土壤微生物量碳氮含量,而水氮交互作用下更为显著。4)凋落物分解速率受生物及非生物因子的影响,相关分析表明:冷蒿、无芒隐子草、木地肤与土壤微生物量碳呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与土壤微生物量氮呈极显著正相关(P0.01);木地肤和短花针茅与土壤含水量呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与地上生物量呈极显著正相关(P0.01)。