青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力

为了揭示青藏高原高寒草甸生态系统植被变化对碳储量的影响,以原生矮嵩草草甸、退化草甸、人工草地以及农田为研究对象,对比分析了该4种不同土地格局下生态系统的有机碳现状.以原生矮嵩草草甸土壤碳储量为基准对不同类型高寒生态系统的碳增汇潜力进行了估算.结果表明:不同类型生态系统的碳储量和碳增汇潜力有很大差异,在0-40cm土层中,(1)原生草甸碳储量最高,达到17098 g C/m2,退化草甸、人工草地和农田的有机碳汇增加潜力分别为:5637、3823、1567 g C/m2.(2)对于退化草甸和人工草地,土壤有机碳含量和密度明显低于原生草甸和农田.(3)地下生物量碳储量主要集中在0-20cm,且原生草甸地下生物量的碳储量比其他3个植被类型高3.6-5倍.总体上,青藏高原草地生态系统存在巨大的碳增汇潜力.     

青海省高寒草甸不同退化阶段土壤无机碳分异特征

采用时空转换的方法,选取青海省高寒草甸退化演替过程中典型退化阶段,探讨高寒草甸不同退化阶段土壤无机碳(SIC)含量及储量分异特征。结果表明:禾草-矮嵩草群落、小嵩草群落、小嵩草剥蚀期和黑土滩型退化草地0~50 cm土层SIC总储量分别为0.45、0.10、0.13和1.10 kg C·m-2;0~50 cm土层范围内,禾草-矮嵩草群落与黑土滩型退化草地存在明显的碳酸盐淀积层(主要在30 cm土层以下),而小嵩草群落和小嵩草剥蚀期在剖面内无明显的碳酸盐淀积层;草甸草毡表层特征(厚度、破碎度等)以及土壤容重、pH值与SIC变化特征存在某种协同演化关系;高寒草甸退化与无机碳储量之间没有明显的耦合作用,只有当草甸极度退化(黑土型退化草地)时,草甸SIC分层及总储量特征才表现出明显的差异。     

祁连山中段高寒草甸草毡表层发育程度的空间分异及环境影响因子

高寒草甸植被下的草毡表层能够发挥水土保持、水源涵养等生态环境效益,是高寒草甸植被生态功能发挥的核心,认识草毡表层发育程度的空间分异及环境影响因子有利于深入理解高寒草甸在高原生态系统中的作用。本研究以祁连山中段高寒草甸分布区为研究区,依据根系体积并结合草毡层厚度以及土壤容重,将草毡表层划分为弱发育、中等发育以及强发育草毡。分析了不同发育程度草毡的地形、植被、气候等环境特征,并采用支持向量机模型对其分布进行了空间制图。结果表明:祁连山中段发育程度较高的草毡表层趋向于分布在水分条件较好的低海拔、缓坡,低坡位以及北向坡的位置,以嵩草属植物为主,中等以上发育程度的草毡地表植被及水分条件都较好;发育程度较高的草毡表层年均温较高,各发育程度草毡表层降水量差异不显著。空间分布结果整体与现有的高寒草甸植被类型分布具有高度的一致性,但空间分辨率更为详细,并且实现了不同发育程度草毡表层的空间细分。     

高寒草毡层基本属性与固碳能力沿水分和海拔梯度的变化

高寒草毡层是高原寒区自然植被下形成的松软而坚韧且耐搬运的表土层,认识其生态功能是促进草牧业生产休养保护和工程施工主动利用的前提。通过对青藏高原东部若尔盖高原植被的广泛调查,在布设沼泽、退化沼泽、沼泽化草甸、湿草甸、干草甸和退化草甸水分梯度群落样地,以及亚高山草甸、亚高山灌丛草甸、高山灌丛草甸和高山草甸海拔梯度群落样地的基础上,通过对不同类型群落样地草毡层容重、土壤颗粒组成和土壤有机碳(SOC)含量的测定分析,比较了水分和海拔梯度下草毡层固碳能力。结果表明,草毡层厚度平均为30cm,沼泽湿地草毡层容重最小,SOC含量在300g/kg以上;退化草甸容重最高,SOC含量显著下降。不同群落草毡层SOC密度在10—24kg C/m~2之间,随着土壤水分有效性的降低而降低;高山灌丛草甸草毡层SOC密度比草甸高15%。研究得出,保持草毡层稳定的质量含水量阈值为30%,SOC含量阈值为30g/kg;高寒植被草毡层在沼泽到草甸的退化演替中,容重、紧实度变大,有机碳含量减少,碳密度和碳储量下降;灌丛草甸的固碳能力大于草甸,但灌丛草甸的生产功能降低;保持可持续发展的草地生产能力,维护固碳生态功能,需要防止草毡层退化,抑制草甸向灌丛草甸演替。     

不同演替状态下高寒草甸土壤物理性质与植物根系的相互关系

采用空间代时间的方法,以高寒嵩草草甸不同退化演替状态土壤物理性质(土壤机械阻力、温度、湿度)为变量,探讨高寒草甸不同退化阶段土壤物理性质同植物根系生长特质的相互关系。结果表明:高寒嵩草草甸根系分布具有明显的"V"型垂直构型特征;高寒嵩草草甸根系以细根为主,直径0.5 mm的根系占全剖面根系总长的90.8%—93.6%。土壤紧实度和土壤湿度与植物根系直径细化具有显著的正相关关系(P0.05);土壤温度与根系细化之间具有显著的负相关关系(P0.05),且其对高寒嵩草草甸根系生长特性形成的贡献率最高,说明高寒嵩草草甸植物根系生长构型特征的主控因子为温度。高寒嵩草草甸根系细化及表聚现象与土壤物理性质之间具有一定程度的互馈效应。低温、高紧实度和较高的土壤湿度有助于形成高密度和细根构型的草毡表层,这种土壤根系构型也是高寒草甸植物群落为适应放牧干扰及恶劣环境的应激性改变。该发现对明晰草地退化演替过程中生态系统构件对外界干扰改变的响应和适应过程及为制定合理有效的退化高寒草甸恢复措施提了供理论依据。     

人类活动对青藏高原高寒矮嵩草草甸碳过程的影响

随着人类活动干扰(放牧)的增加,青藏高原高寒嵩草甸的退化演替过程依次为禾草-矮嵩草群落、矮嵩草群落、小嵩草群落和杂类草-黑土滩4个阶。其中小嵩草群落又可划分为草毡表层加厚、开裂与塌陷3个子阶段。采用时空转换的方法,研究了人类活动对青藏高原高寒矮嵩草草甸碳过程的影响。结果表明,随着人类干扰强度的增加,植物群落地上部分有机碳储量逐渐降低,由禾草-矮嵩草群落的(134.7±17.3)gC/m2逐渐降低到杂类草-黑土滩次生裸地(18.96±6.18)gC·m-2。土壤、植物地下部分有机碳贮量呈单峰曲线变化,草毡表层开裂子阶段最高,分别为(49.7±0.83)gC·kg-1和(3596.7±179.8)gC·m-2。;杂类草-黑土滩阶段最低,分别为(19.2±1.13)gC·kg-1和(121.6±6.1)gC·m-2。受植物地下部贮碳的影响,土壤-植被系统呈现逐渐降低的变化特征。随人类活动干扰的加强,高寒嵩草草地植物有机碳地下/地上分配比发生巨大改变,草地草毡表层厚度不高于4.3cm是保证草地生产与生态服功能双赢的重要指标。     

不同草地类型对三江源区草地土壤养分的影响

对三江源区原生高寒草甸草原、退化高寒草甸草原、退化高寒草原和人工草地4种不同草地类型中,草地土壤养分的含量进行了测定,结果表明;高寒草甸草原随着退化程度的加重,全氮、有效氮、全磷、有效磷、有效钾均在土壤表层含量降低,中下层土壤含量升高。原生高寒草甸草原全氮、全磷、有效磷含量在中层土壤含量升高,而有效氮、有效钾含量随着土层加深逐渐降低。退化高寒草原全氮、全磷含量随土层加深变化较不明显,有效氮在中层土壤含量较多随后急剧下降,有效磷和有效钾随土层加深逐渐减少。人工草地各种土壤养分均呈现随土层逐步下降的态势,总体来看,人工草地在表层土壤的各种养分含量远远大于原生和退化草地,土壤速效养分受退化程度影响较大,其变化幅度明显高于全量养分,表层土壤养分受退化影响的程度较深层土壤大。     

高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化

高寒草原对高寒生态系统的稳定具有重大意义。为探明高寒草原土壤有机碳（SOC）、土壤活性有机碳（ASOC）变化,以及草地退化对土壤碳库稳定性的影响,对藏北高原正常、轻度和严重退化高寒草原表层（0-10 cm）、亚表层（10-20 cm）土壤进行了初步研究。结果表明：（1）轻度、严重退化草地各土层SOC、ASOC均呈不同程度的下降。其中,退化草地SOC的降幅均以表层最大,且各土层降幅均随草地退化加剧而下降;退化草地ASOC的降幅则均以亚表层最大,但各土层ASOC的降幅随草地退化加剧而提高。（2）正常草地、轻度和严重退化草地表层ASOC比率分别为16.8%、21.3%、16.6%,亚表层分别为21.8%、18.1%和16.0%;土壤碳库活度与ASOC比率的变化趋势完全一致。因此,轻度退化草地SOC的不稳定性主要体现在表层土壤。（3）退化草地表层、亚表层碳库管理指数（CMI）均呈显著下降,但表层降幅相对较低;与严重退化草地比,轻度退化草地不同土层CMI明显提高。（4）高寒草原环境中,正常草地、轻度和严重退化草地各土层SOC、ASOC间则均呈一定程度的负相关,表明土壤微生物对SOC、ASOC的影响和作用可能不同。     

土壤元素失衡是导致高寒草甸退化的重要诱因

土壤元素失衡是造成高寒草甸退化的关键诱因,明晰其过程与机制是高寒草甸生态系统可持续利用和退化草地恢复的重要内容。以我国典型青藏高原高寒草甸生态系统为研究对象,选取围封1年样地作为短期恢复、围封6年样地作为中期恢复及围封15年样地作为长期恢复阶段,分析了这些样地的土壤基本理化性质。研究发现,退化高寒草甸的恢复未改变土壤pH,但增大了土壤保水能力和电导率。土壤有机碳和全氮含量随恢复进程变化敏感,而磷含量的变化并不明显,随着恢复时间的增加土壤C∶N,C∶P和N∶P显著升高,土壤可利用氮素特别是铵态氮的供应能力得到显著提升,长期恢复阶段的土壤铵态氮含量为短期恢复阶段的3.1倍。退化草地的恢复大幅度增加了高寒草甸生态系统地上生物量,这进一步增加了植物对土壤中的碳和氮输入,使土壤中的碳氮周转变快,诱发了植物-土壤之间的正反馈,形成良性循环,使退化草甸得以改善。本研究从退化高寒草甸恢复角度初步证实,土壤碳氮与磷元素比例失衡是造成高寒草地退化的重要诱因,研究结果对高寒草地的养护管理以及退化高寒草地的恢复工作具有重要意义。     

江河源区高寒草甸退化序列上"秃斑" 连通效应的元胞自动机模拟

高寒草甸草毡层"秃斑"是高寒草甸退化进程中最活跃的表征,明确其在退化序列上的演变时空规律是揭示草地退化动力学机制的关键之一。采用实地调研结合元胞自动机模拟的方法,对高寒草甸退化序列上秃斑格局动态进行了模拟,是对退化序列上秃斑的连续动态图谱表达,建立了高寒草甸由初步退化到系统崩溃的符合实际的草地秃斑连通的图谱序列,模拟吻合度达93.9%。通过对图谱序列关系的分析表明,秃斑连通进程分为3个阶段:低速连通期——第0—2年、跃变期——第2—7年、连通不可逆转期——第7—9年;最大秃斑面积、最大秃斑面积-秃斑总面积比的跃变过程,是草地退化等级的质变过程;通过对跃变期和连通不可逆转期相应的草地生态与恢复性能的对比分析,确定了连通阈值为54.5%;秃斑连通的过程伴随着临界阈现象的发生。由于连通不可逆转期"黑土滩"形成过程的不可逆性及形成后的巨大危害性,连通阈值的确定将为高寒草甸生态系统安全预警及其退化恢复治理提供依据。     

高寒草原不同植物群落地上-地下生物量碳分布格局

高寒草原具有独特的自然生境和生物资源,对高寒草原开展系统研究对于减缓气候变化与草原恢复具有重要实践意义。以往研究主要针对高寒草原生物量碳开展整体评估,缺乏对不同群落类型间的定量比较。本文分析了高寒草原10种主要典型植物群落地上-地下生物量碳分布格局以及对总生物量碳的贡献差异。结果表明:高寒草原面积为167.33×10^6hm^2,总生物量碳为1.53 Pg(1 Pg=1015g),其中地上生物量碳0.19 Pg,地下生物量碳1.34 Pg;紫花针茅、青藏苔草和紫花针茅-小蒿草群落面积大,生物量碳密度高,为高寒草原贡献了69.3%的生物量碳。高寒草原平均生物量碳密度为690.80 g C·m^-2,其中紫花针茅群落(196.14 g C·m^-2)和蔷薇群落(177.93 g C·m^-2)具有最高的地上生物量碳密度(AGC);蔷薇(1491.18 g C·m^-2)和紫花针茅-小蒿草群落(1306.51 g C·m^-2)则具有最高的地下生物量碳密度(BGC),且显著高于其他群落类型(P<0.05)。不同群落的BGC在土壤中的垂直分布格局存在较大差异,驼绒藜、盐爪爪、金露梅、紫花针茅、青藏苔草、紫花针茅-小蒿草、蔷薇、固沙草、砂生槐等群落的BGC主要集中在表层土壤(0~10 cm),分布曲线呈指数函数,而华扁穗草群落的BGC则集中在40~60 cm土壤层,分布曲线呈二次函数关系。对草原植物群落的地上-地下生物量碳开展评估,可以提高生物量碳的估算精度,为草原生态管理提供更有力的数据支持。     

高寒矮嵩草群落退化演替系列氮、磷生态化学计量学特征

运用历史资料与实地调查相结合的方法,以多元数量统计为手段确定采样地点,以空间尺度代替时间尺度,确定演替系列,以生态化学计量学为基础探讨了高寒矮嵩草草甸退化演替系列氮(N)磷(P)含量及化学计量学特征,发现:1)高寒矮嵩草草甸土壤全量N、P含量随退化演替程度的加深而呈倒"V"字形变化趋势,速效N、P含量随退化程度的加深呈降低趋势,但土壤草甸全量及速效N/P化学计量学特征则呈现降低趋势;2)地上植物N/P化学计量学特征在整个退化演替过程没有明显的差异。说明高寒矮嵩草群落退化改变了土壤中全量及速效N、P的积累和分解速率,打破了土壤系统养分平衡模式,但并没有明显改变植物地上部分整体的N/P化学计量学特征,因此在退化演替过程中植物N/P比为草地退化诊断的惰性指标;土壤N/P化学计量学特征变化同草地退化演替过程具有较好的同步性,其对草地退化演替的敏感性较高,有可能成为未来草地退化诊断的生态指示指标。     

Using functional trait diversity to infer community assembly mechanisms: an exclosure experiment as an example

Aims The Qinghai-Tibetan Plateau has a mean altitude exceeding 4000 m and covers about 2.5 million km2. More than 60% of this area is alpine grassland. Exclosures have been widely used in this region to study the sustainable use of grassland resources. We used patterns of functional trait diversity to infer the effects of exclosures on community assembly in alpine meadows.     

青藏高原多年冻土区不同草地生态系统恢复能力评价

草地生态系统恢复能力是评价人类工程活动对青藏高原多年冻土生态系统影响的重要组分.分析了不同草地生态系统干扰带和非干扰带群落特征、植物多样性、草地初级生产力和经济类群，综合评价了青藏高原多年冻土区地上植被在受工程活动干扰后的综合恢复能力.结果表明:经过近20多年的自然恢复，青藏苔草草原、紫花针茅草原、扇穗茅草原、高山嵩草草甸、矮蒿草草甸和藏蒿草沼泽化草甸6种草地的盖度和物种组成均有一定程度的恢复，且草原群落的恢复程度好于草甸群落,但干扰群落仍低于未干扰群落；紫花针茅草原分布区物种多样性恢复好于其他草地类型分布区；干扰带由最初的地上植物生物量全部为0恢复到148.8～489.6 g·m^-2，其中藏嵩草沼泽化草甸干扰带恢复最好，生物量达489.6 g·m^-2；除藏嵩草恢复群落的饲用植物类群组成相对稳定外，干扰后的其他5种草地类型饲用价值降低.高寒草原生态系统的植被综合恢复能力显著高于草甸生态系统.     

拉萨河谷草地群落的数量分类与排序

采用TWINSPAN数量分类和DCA、CCA排序的方法,对拉萨河谷草地23个样点进行统计分析。结果显示:(1)TWINSPAN数量分类将拉萨河谷草地群落划分成8种类型,拉萨河谷的草地群落分布呈现明显的垂直地带性分布格局。(2)TWINSPAN分类所划分的各群落在DCA排序图上都有各自的分布范围和界限,说明DCA排序能较好的反应各群落与其环境资源之间的关系,同时,TWINSPAN的分类结果也在排序图上得到较好的印证。(3)样点DCA排序的第一轴基本反映了海拔高度的变化梯度,第二轴基本反映了坡向的变化。(4)样点CCA排序表明,影响群落分布的主要环境因子是海拔,其次是坡向。CCA排序进一步阐明了拉萨河谷草地群落分布决定于海拔和坡向等环境因子,并间接验证了TWINSPAN的分类结果。(5)物种CCA排序和TWINSPAN分类结果表明:植物群落中物种的分布格局与植物群落类型的分布格局存在一定的相似性,物种的分布格局在很大程度上影响着群落的分布格局。     

短期增温对西藏念青唐古拉山典型植物群落结构和稳定性的影响

青藏高原气候变暖幅度显著高于全球其他区域,深刻影响着该地区植物群落的结构和稳定性。选择西藏念青唐古拉山的三种典型植物群落(高寒草原、高寒草甸和流石滩)作为研究对象,采用开顶式增温箱(OTC)模拟增温,研究了短期增温对植物群落结构和稳定性的影响。结果表明:(1)增温改变了群落的优势物种,影响其结构组成,而对物种多样性无显著影响;(2)增温显著降低了高寒草甸的地上生物量(P < 0.05),增加地下生物量(P < 0.01),从而导致了群落地下地上生物量分配策略的改变;(3)增温降低群落中部分物种的生态位宽度,进而影响群落稳定性,其中高寒草甸变化最大,达到-66.8%。研究结果可为青藏高原高寒草地生态系统应对和适应未来气候变化提供一定科学依据。     

放牧对青藏高原东部两种典型高寒草地类型凋落物分解的影响

为认识放牧对青藏高原东部中生性的高寒草甸草地和半湿生的沼泽草地凋落物分解的影响,在这两种草地上分别设置了围栏和放牧样地,研究了其各自的混合凋落物样品和4个优势物种(发草Deschampsiacaespitos、鹅绒委陵菜Potentilla anserine、木里苔草Carexmuliensis、藏嵩草Kobresiatibetica)凋落物的分解和养分释放动态,这4个优势物种也大致代表了当地沼泽草地生态系统在放牧和气候变暖驱动下逆行演替不同阶段的优势物种类群。结果表明,各优势物种凋落物的分解速率有显著差异;放牧在总体上促进了凋落物的分解,但不同物种的响应有所不同;放牧对凋落物C的释放影响不显著或有抑制作用,但对N、P的释放具有一定促进作用。对各优势物种凋落物分解和养分释放模式的分析表明,群落逆行演替过程中,凋落物分解和C释放加速,可能促进沼泽湿地退化的正反馈效应。草甸草地的退化标志物种鹅绒委陵菜具有较高的凋落物质量和分解速度,反映了中生条件下植物应对牲畜啃食采用"逃避"而非"抵抗"策略的趋向。     

Plant community and soil available nutrients drive arbuscular mycorrhizal fungal community shifts during alpine meadow degradation

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) play an important role in maintaining the function and sustainability of grassland ecosystem, but they are also susceptible to environmental changes. In recent decades, alpine meadows on the Tibetan Plateau have experienced severe degradation due to the impact of human activities and climate change. But it remains unclear how degradation affects the AMF community, a group of functionally important root associated microorganisms, which potentially limit the development and application of microbial technologies in the restoration of degraded grasslands. In this study, we investigated AMF communities richness and composition in non-degraded (ND), moderately degraded (MD) and severely degraded (SD) alpine meadows on the Tibetan Plateau, and then explored their main biotic and abiotic determinants. Alpine meadow degradation significantly reduced plant community biomass, richness, soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen and available phosphorus, but increased soil pH. AMF community composition and the iesdominant family and genera differed significantly among different degradation stages. Grassland degradation shifted the AMF community composition in favor of Claroideoglomus over Rhizophagus, and resulted in a marked loss of Glomeraceae and the dominance of Diversisporaceae. Alpine meadow degradation significantly increased AMF hyphal density and richness, likely working as a plant strategy to relieve nutrient deficiencies or loss as a result of degradation. The structural equation model showed that AMF community richness and composition were significantly influenced by plant community, followed by soil available nutrients. Soil available nutrients was the key contributor to the increased AMF hyphal density and richness during grassland degradation. Our findings identify the effects of alpine meadow degradation on AMF richness and highlight the importance of the plant community in shaping the AMF community during alpine meadow degradation. These results suggest that plant community restoration should be the primary goal for the ecological restoration of degraded alpine meadows, and these soil functional microorganisms should be simultaneously integrated into ecological restoration strategies and management.