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。     

放牧扰动下高寒草甸植物多样性、生产力对土壤养分条件变化的响应

为了揭示高寒小嵩草草甸群落在放牧扰动下,探讨土壤养分供给水平的变化对生态系统初级生产力和多样性影响,为高寒草地的退化演替机理研究提供依据,以野外样地调查和室内分析法研究了放牧扰动下高寒草甸植物多样性、生产力对土壤养分条件变化的响应.结果表明,放牧干扰不仅改变了高寒小蒿草草甸群落土壤根系和蕴育土壤根系的"载体"量及根土比例,改变了植物群落的结构和功能,而且使土壤的物理和化学特性发生了明显的改变.随着放牧强度的增加,蕴育土壤根系的基质量逐渐减少,根土比特别是0～10 cm土层的根土比例增加;"载体"量减少导致大部分地下根系由于营养供给水平的降低而死亡,归还土壤中有机质的数量逐渐减少,加之地上部分持续利用,土壤养分也在不断消耗,土壤基质量的减少和土壤资源持续供给能力的下降,草地发生逆向演替(退化),表现在:物种数减少、多样性下降、能量的分配转向地下等;土壤性状上的某些改变(土壤容重、土壤湿度等),也会引起植被组成、物种多样性变化;放牧主要通过影响土壤环境及其养分含量来改变草地群落生物量(地上、地下);土壤表面的适度干扰和原有植物的适度破坏为新成员提供了小生境,从而允许新的植物侵入群落,并提高了植物的丰富度.但是,在受到强度干扰时,草地植物群落的主要物种的优势地位发生明显的替代变化.     

放牧作用下高寒草甸群落物种分布与土壤因子的关系

以青藏高原东北缘高寒草甸为对象,研究不同放牧强度下植物群落和土壤因子的变化,以及群落物种分布与土壤物理结构和化学养分因子的定量关系.结果表明: 放牧导致优势种为垂穗披碱草和大针茅的原植物群落发生分异,高强度放牧样地优势种变为矮生嵩草和阴山扁蓿豆,低强度放牧样地变为垂穗披碱草和冷地早熟禾.随放牧强度增加,物种丰富度、重要值和生物量均显著降低.各放牧强度样地重要值的物种序列均可用对数模型进行拟合;随放牧强度增加,植物重要值累积到占整个群落重要值50%时,需要的物种数降低.土壤速效P、速效K、紧实度、含水量、稳定入渗速率和大团聚体指标随放牧强度显著变化,但变化规律不一致.CCA排序表明,土壤紧实度是放牧作用下影响群落物种分布格局的最关键因子.方差分解表明,土壤因子共解释群落物种分布变异的30.5%,其中土壤物理性状单独解释群落物种分布的22.8%,对群落物种分布的贡献率最高,主要影响放牧干扰下高寒草甸植物群落物种的分布格局.     

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。     

藏香猪翻拱型放牧对不同类型高寒草甸植物特征的影响及土壤环境驱动力

生态系统脆弱的高寒草甸是生态学研究的热点。藏香猪翻拱土壤并取食地下草根层,是藏族自治区一种特有的放牧类型,关于该放牧类型对藏区高寒草甸的影响尚缺乏研究。以滇西北高原国际重要湿地——纳帕海流域的典型高寒草甸为对象,研究了不同高寒草甸类型(陆生草甸与沼泽化草甸)中的植物群落结构特征对藏香猪翻拱型放牧的响应。结果表明,翻拱型放牧显著降低了植被盖度(63.5%)、地上生物量(84.6%)与地下生物量(97.4%),并促进植物生物量向地上部分的再分配。翻拱型放牧下随着植被盖度与生物量降低,植物竞争强度减小,植株高度与空间利用率提高。然而,不同草甸类型中的植物群落结构对翻拱型放牧表现出差异响应。陆生草甸上的群落组成基本未变,而沼泽化草甸上的优势植物华扁穗草(Blysmus sinocompyessus)向1年生水生植物水蓼(Polygonum hydropiper)演替。土壤含水率是导致植物响应差异的关键驱动力。综上,藏香猪翻拱型放牧对植物生物量及盖度等特征均产生不利影响,导致高寒草甸生物量积累锐减,而植物群落结构的变化是放牧干扰与土壤水分、空间竞争协同作用的结果,反映出植物在不同环境中对放牧干扰的差异化响应。研究区域环境特征与放牧干扰的耦合关系,可以为藏香猪放牧作用下的高寒草地植物多样性保护及恢复提供理论依据。     

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。     

高寒嵩草草甸植物群落数量特征对不同利用强度的短期响应

以时空转换的方法确定典型高寒嵩草草甸演替过程的4个关键阶段,以此为研究对象,探讨冬春放牧对高寒草甸生态系统植物功能群数量特征的影响,及在现有放牧制度下不同退化程度草甸植物群落数量特征对禁牧和减牧的响应。结果表明:当禾本科功能群在群落中的地位大于等于莎草科功能群时,减牧可以提高禾本科和莎草科功能群而降低杂类草功能群在群落中的地位;禁牧可以提高禾本科和杂类草功能群而降低莎草科功能群在群落中的地位。当莎草科功能群在群落中的地位大于禾本科功能群,且莎草科功能群以根茎密丛型植物为优势种时,放牧强度降低可以提升禾本科功能群但降低莎草科功能群在群落中地位;而莎草科功能群以密丛型植物为优势种时,放牧强度降低可增加莎草科功能群在群落中的地位,而禾本科功能群在群落中地位的变化取决于草地中裂缝的性质,一定强度的裂缝可以增加禾本科功能群在群落中的地位。因此,退化高寒嵩草草甸自我恢复方式的选择取决于可食性牧草组分、地表特征及恢复目标。当可食性牧草以禾本科功能群为优势种(或禾本科同莎草科功能群为共优种)时,减牧容易提高草地的牧用价值,而禁牧容易增加草地中杂类草功能群的比例,不利于畜牧业生产;当高寒嵩草草甸可食性牧草以莎草科功能群为优势种时,禁牧较减牧更容易加快其牧用性的恢复。小嵩草草甸草毡表层开裂期为该演替系列的激变期,而由于冻融交替形成的裂缝是草地恢复的新生带,如加以利用可以加速草地恢复。     

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。     

高寒草甸不同扰动斑块植物功能群和根土复合体特征变化研究

高原鼠兔(Ochotona curzoniae)活动在高寒草甸上会形成各种类型扰动斑块, 扰动斑块类型的转变是导致草地退化的原因之一。目前, 斑块类型发生转变的关键影响因子尚不清楚, 因此, 对高寒草甸活动斑块、非活动斑块和恢复斑块三个扰动斑块类型植物功能类群结构、根土复合体特征和斑块分布特征进行研究, 旨在探讨斑块类型发生转变的主要因子, 说明高寒草甸退化机理。研究结果表明, 高寒草甸中活动斑块土壤表层由于放牧和高原鼠兔活动扰动强度大, 无法形成稳定的植物群落, 非活动斑块的植物群落处于次生演替早期阶段, 但是恢复斑块已具备高寒草甸优势种莎草科植物生长的基本条件。退化高寒草甸中活动斑块与非活动斑块呈现镶嵌性分布, 而恢复斑块相对独立没有镶嵌性分布现象。造成高寒草甸干扰斑块类型转变的主要原因是高原鼠兔活动强度由间歇性干扰转变为持续干扰的结果。     

不同放牧强度下高寒草甸植被演替规律的数量分析

 本文采用数量分析方法,研究了不同放牧强度下高寒草甸植被的演替规律。聚类分析的结果,当相关系数R>0.850时,组成群落的24种植物聚合为6类,它们分别属于植物群落不同演替阶段的建群种,优势种或主要伴生种,当R>0.870时,6个放牧强度下的群落聚合为2类,分别属于以禾草植物为共建种的两层结构的植物群落和以矮嵩草(Kobresia humilis)以及 杂类草为共建种的单层结构的植物群落。     

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。     

高寒草地土壤温室气体排放对放牧的响应研究进展

高寒草地生态系统具有独特的地理环境和气候特征,对放牧干扰十分敏感,在全球温室气体通量中贡献突出,研究高寒草地放牧对土壤温室气体排放的影响机制具有重要意义。本文总结高寒草地温室气体源/汇特征、不同放牧方式对土壤微环境和微生物群落结构的影响,发现高寒草地主要是CO₂源、CH₄汇、N₂O源。放牧通过家畜选择性采食、践踏和排泄物返还等多重机制作用于地上植物、土壤结构、温度、湿度和养分,进而影响地下微生物及温室气体通量。本文旨在为高寒草地生态系统健康发展和管理及缓解全球气候变化提供科学依据,并对未来研究方向进行展望。     

藏北高寒草地植被和土壤对不同放牧强度的响应

放牧压力在时间和空间的不均衡分布导致局部土地过度利用和生态退化,然而当前对放牧强度的量化多采用替代性指标或对照试验,缺乏直接监测数据,也缺乏不同草地类型对放牧强度变化的响应差异性研究。以西藏自治区那曲市为研究区,利用佩戴式GPS牛羊定位器构建高精度放牧轨迹数据集模拟放牧强度,构建栅格尺度放牧强度空间分布和划分方法,结合草地群落样方调查,通过Duncan法（Duncan''s multiple comparative analysis）进行多重比较分析,探究自由放牧模式下高寒草甸和高寒草原两类区域植被和土壤对不同放牧强度的响应方式及差异性。本研究可为放牧行为环境效应监测提供新思路,并根据不同草地状况因地制宜提出放牧优化管理策略,助力高寒传统牧区的可持续发展。主要结论有：1）随着放牧强度的增大,高寒草原地上生物量先升高后降低,高强度放牧对高寒草原植被的影响大于高寒草甸。2）高放牧强度下,高寒草原土壤水分显著高于中低强度,高寒草甸土壤容重显著低于低强度。可能原因是放牧压力多集聚于水源附近。高寒草原区土壤的砂粒含量随放牧强度的增大而增加。放牧强度的增大导致草甸上层土壤有机质增加,草甸下层、草原上层、草原下层土壤有机质先增加后减小。草甸上下层土壤全磷含量在低放牧强度下显著低于中高强度。3）植被土壤变化受到自然因子和放牧活动的共同影响。高寒草甸更加耐牧,高强度放牧对高寒草原的负面影响更大,而中度放牧有利于草地尤其是高寒草原的放牧利用。4）放牧生态系统是一个环境-植物-家畜自适应系统。在放牧管理中不能仅通过控制载畜量缓解草地超载,还需要综合考虑生态系统的弹性及各营养级的适应性,合理配置放牧强度,控制季节性超载和局部超载。     

Moderate grazing promotes the root biomass in Kobresia meadow on the northern Qinghai–Tibet Plateau

Grazing is an important modulator of both plant productivity and biodiversity in grassland community, yet how to determine a suitable grazing intensity in alpine grassland is still controversy. Here, we explore the effects of different grazing intensities on plant biomass and species composition, both at community level and functional group level, and examines the productivity–species richness relationship under four grazing patterns: no grazing (CK), light grazing (LG), moderate grazing, (MG) and heavy grazing (HG), attempt to determine a suitable grazing intensity in alpine grassland. The results were as follows. The total aboveground biomass (AGB) reduced with increasing grazing intensity, and the response of plant functional groups was different. AGB of both sedges and legumes increased from MG to HG, while the AGB of forbs reduced sharply and the grass AGB remained steady. There was a significant positive relationship between productivity and species richness both at community level and functional group level. In contrast, the belowground biomass (BGB) showed a unimodal relationship from CK to HG, peaking in MG (8,297.72 ± 621.29 g/m²). Interestingly, the grassland community tends to allocate more root biomass to the upper soil layer under increasing grazing intensities. Our results suggesting that moderate levels of disturbance may be the optimal grassland management strategy for alpine meadow in terms of root production.     

不同强度牦牛放牧对青藏高原高寒草地土壤和植物生物量的影响

放牧作为家畜饲养方式之一,是草地最简单、有效的利用方式,放牧中的家畜对草地生态系统的影响是全球畜牧生态学研究的焦点。过度放牧导致草地退化严重,虽然在青藏高原地区已有较多放牧对草地影响的研究,但探究连续4年放牧对高寒草地生态系统影响的定位实验却鲜见报道。本研究在青藏高原东缘选取典型高寒草地,使用高原特有且分布最广的牦牛作为大型草食放牧家畜,设置了4个牦牛放牧强度（禁牧：无放牧、轻牧：1头/hm²、中牧：2头/hm²和重牧：3头/hm²）以研究其对高寒草地土壤和植物功能的影响。开展4年试验后的结果表明：放牧条件下土壤含水率显著增加;而土壤容重、全磷和有机质含量对放牧强度均无显著性响应;土壤全氮和pH的响应主要在表层0-20 cm,其中全氮为轻牧和重牧处理分别显著高于中牧,中牧处理下的土壤pH为显著高于轻牧;土壤全钾含量在禁牧处理中显著高于放牧处理;而土壤有效氮和速效钾均为中牧处理显著高于禁牧;放牧可以显著降低植物地上生物量。牦牛放牧强度显著影响土壤含水率、有效养分和植物地上生物量,而对其它土壤理化性质影响较弱。本研究结果揭示放牧对高寒草地土壤理化性质和植物地上生物量的影响,为青藏高原高寒草甸生态系统保护、可持续管理和合理放牧率提供理论依据。     

放牧强度对华北农牧交错带典型草地土壤化学计量特征的短期影响

放牧是天然草地的主要利用方式之一,不同放牧强度可能通过影响家畜的选择性采食、凋落物输入和微生物的组成及结构等影响草地土壤化学计量特征。本研究通过在华北农牧交错带典型草地一个连续3年(2017—2019年)的生长季放牧试验,测定了土壤全碳(TC)、全氮(TN)、可溶性有机碳(DOC)和可溶性氮(DN)含量,以及土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN),分析这些参数间的化学计量特征,研究放牧强度对该地区草地土壤计量化学特征的影响。结果表明: 连续3年不同强度的放牧(1、2、4 sheep·0.2 hm^-2)对土壤TC含量没有显著影响,2019年中度放牧显著降低了10～20 cm土层中TN含量,轻度、中度和重度放牧显著提高10～20 cm层土壤的C/N。连续3年不同强度的放牧对土壤DOC、DN含量以及DOC/DN均没有显著影响,而DOC和DN含量在2019年呈现出随放牧强度增加而减少的趋势,表明持续高强度的放牧可能会引起土壤可溶性养分减少。随着放牧年限的增长,轻度放牧显著增加了土壤MBC,重度放牧显著降低了土壤MBC,而土壤MBN及MBC/MBN在不同放牧强度下变化不显著。     

放牧强度对高寒草甸土壤理化性状和植物功能群的影响

为明晰放牧强度对植物功能群落的物种分布特征和土壤理化性状的影响。在青藏高原东北缘高寒草甸设置6块放牧强度样地开展试验。采用多元排序和方差分解等方法,分析放牧强度作用下植物功能群落物种分布与土壤物理结构和化学养分因子的定量关系。结果表明:(1)随放牧强度增加,禾本科、莎草科和多年生杂类草植物群落的物种丰富度、盖度和实际重要值均显著降低,而一年生杂类草无显著变化。(2)对于土壤化学养分,不同放牧强度区,土壤速效钾、全氮和有机质含量均随土层深度的增加而降低,土壤速效磷在不同放牧强度区变化规律不一致。随放牧强度增加,土壤速效钾和全氮含量增加,而土壤速效磷和有机质含量无明显变化。(3)对于土壤物理性状,不同放牧强度区,随土层深度增加,土壤紧实度和容重均增加,而土壤含水量和通气孔隙度均降低。随放牧强度增加,0—30 cm各土层深度的土壤紧实度和容重均增加,土壤含水量和通气孔隙度均降低。(4)以功能群为基本单元对植物群落进行方差分解得出,土壤物理性状可单独解释群落功能群分布总方差的58.10%。(5)基于物种尺度对不同功能群落与环境因子进行定量研究表明,土壤紧实度是决定每种功能群物种分布格局的最主要因子。禾本科、莎草科和多年生草本植物均受土壤物理性状的显著影响,贡献率分别为26.3%、31.0%和16.5%。而一年生草本植物不受土壤物理和化学性状的显著影响。综上所述,放牧强度对土壤化学性状的影响具有不确定性,而对土壤物理性状和群落特征的影响具有确定性。土壤物理结构性状主导了高寒草甸植物功能群落的物种分布格局。