北方风沙区生态修复的科学原理、工程实践和恢复效果

北方风沙区位于欧亚草原的东部,是我国生态环境最为脆弱的地区之一,其在北方生态安全屏障和丝绸之路经济带建设中具有十分重要的战略地位。在国家一系列生态保育工程的支持下,该地区的生态环境得到明显改善。但是,由于受人类活动和全球气候变化的影响,该地区仍然面临着严峻的环境压力。在中国科学院科技服务网络计划(STS计划)等项目支持下,开展了北方风沙区土地沙化成因及退化土地空间分布研究,集成了北方风沙区重点脆弱区生态恢复的理论和技术体系,以内蒙古中部的阴山北麓地区、内蒙古浑善达克沙地和蒙辽交界的科尔沁沙地为重点研究区域,进行了高效人工草地建植、天然草地恢复和管理、沙化草地治理等相关工程技术的示范,开展生态恢复模式的效果跟踪监测和生态效益评估,确定生态恢复技术和模式的技术参数和指标,明确不同集成技术与模式在北方风沙区的适用区域和范围,为技术模式的推广应用提供科学依据。通过上述研究,可以为中央和地方政府制定生态系统管理和退化生态系统恢复政策、建立我国北方生态安全屏障提供决策依据,为生态修复产业提供技术指南,为相关研究提供全面系统的基础数据支撑。     

草甸草原土壤碳/氮矿化潜力及土壤微生物水分敏感性对极端干旱的响应

土壤碳、氮矿化是生态系统养分循环的关键过程,受到水分供给的强烈影响。本研究对极端干旱处理(连续3年生长季减少66%降水)的内蒙古草甸草原野外取土,采用超低温冻干后再调节土壤水分至3%、8%、13%、18%、25%和35% 6个水平进行室内培养,研究极端干旱处理后土壤碳/氮矿化潜力以及土壤微生物对水分变化的敏感性。结果表明: 与对照(自然降雨)相比,极端干旱处理后,6个培养水平的平均土壤氮矿化潜力显著提高14.2%,但未显著影响土壤碳矿化潜力。极端干旱显著提高土壤微生物生物量氮和土壤可溶性有机碳26.8%和26.9%。无论是对照还是极端干旱处理,土壤氮矿化潜力、碳矿化潜力和微生物生物量碳和氮均随着土壤含水量增加而增加,而可溶性有机碳从较低水分的培养水平(3%和8%)到较高水分的培养水平(>13%)显著降低,表明底物的扩散起到重要作用。极端干旱处理显著提高了碳矿化初始脉冲强度,表明极端干旱提高了土壤微生物对水分的敏感性。极端干旱显著降低了土壤碳矿化潜力/氮矿化潜力的比值,表明长期干旱可能会降低土壤碳、氮循环过程的耦合作用。极端干旱对土壤碳矿化和氮矿化过程的影响存在差异,激发了土壤微生物对水分的敏感性,弱化了碳、氮循环过程的耦合关系,并进一步影响中国北方草甸草原生态系统的生物地球化学循环过程及草地生产力。     

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。     

北方农牧交错带温性盐碱化草地土壤呼吸对不同形态氮添加和刈割的响应

农牧交错带草地生态系统兼受农业和牧业的影响, 属于脆弱生态系统, 尤其是养分贫瘠的盐碱化草地, 其生态系统结构和功能对外界干扰的响应更加强烈。位于晋西北地区的农牧交错带盐碱化草地, 地理位置独特, 区别于天然牧区草地生态系统。由于毗邻农田, 农业氮肥的过量使用促进了活性氮气体排放, 同时使得农牧交错带草地土壤碳氮循环发生改变。刈割是北方农牧交错草地生态系统的主要管理方式, 为了深入探究氮添加和刈割管理方式对农牧交错带草地碳循环的影响, 进一步厘清该区域草地生态系统的碳动态问题, 该研究设置了一个不同形态氮添加和刈割的裂区实验, 测定土壤呼吸对不同形态氮肥添加和刈割的响应, 为进一步科学管理该区域草地提供可靠的依据。实验样地位于山西省右玉县境内的“山西农业大学农牧交错带草地生态系统野外观测研究站”, 于2017年设置不同形态氮添加和刈割处理, 实验处理包括对照(不刈割和刈割)、尿素添加、缓释尿素添加、刈割+尿素添加、刈割+缓释尿素添加, 每种处理6个重复, 共36个小区。在不同处理条件下测定土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分、土壤微生物生物量、土壤无机氮含量、植物地上和地下生物量, 并计算土壤累积碳排放量及CO₂通量。研究结果表明: (1)短期(2017-2018年)尿素和缓释尿素的添加显著提高了该地区土壤呼吸速率和土壤累积碳排放量。与添加缓释尿素相比, 添加尿素处理下的土壤呼吸速率和累积碳排放量更高; (2)刈割显著降低土壤呼吸速率和累积碳排放量; (3)短期氮添加和刈割的交互作用对土壤呼吸速率没有显著影响。因此, 短期氮添加促进了北方农牧交错带盐碱化草地土壤碳释放, 刈割抑制土壤呼吸, 降低了累积碳排放量, 这可能是由于刈割移除地上植物, 减少了凋落物的输入, 底物减少导致土壤微生物活性降低。但是随着处理时间的延长, 氮添加和刈割对该农牧交错带盐碱化草地土壤碳动态的影响还有待进一步探究和发现。     

氮素添加对内蒙古羊草草原净氮矿化的影响

 为了更好地了解天然草原氮素矿化对全球氮沉降背景和草原施肥管理模式的响应, 从2000年起对内蒙古典型草原羊草(Leymus chinensis)群落开展了长期的氮素添加实验, 分别设置对照(N0), 添加5 g NH₄NO₃·m^–2 (N1.75)、30 g NH₄NO₃·m^–2(N10.5)和80 g NH₄NO₃·m^–2 (N28) 4个氮素添加梯度。2002年, 从相邻的同时进行施肥的两个生态系统类型, 即1979年围封的样地A和1999年围封的样地B进行土壤取样, 在最佳温度(25 ℃)和最适土壤湿度(即60%田间持水量)下进行5周的室内培养, 并用阶段性淋溶方法研究了氮素添加对土壤氮矿化动态的影响。在A和B两个样地内, 氮素添加都显著改变了土壤的累积氮矿化量。最高氮素处理N28对应于最低的累积氮矿化量, 而低氮素处理N1.75使得累积氮矿化量达到最高。在N0和N1.75处理中, 硝态氮的含量高于铵态氮; 在N28处理中, 却表现出相反的趋势。氮素添加显著降低了土壤的pH值, 但累积氮矿化量与土壤pH值、有机碳和全氮均没有显著的相关性。大多数氮素添加处理水平在样地A具有比样地B更高的土壤累积氮矿化量。     

长期氮添加对草甸草原生态系统氮库的影响

大气氮沉降增加深刻影响生态系统物种多样性、生产力及其稳定性,研究草原生态系统N库如何响应不断增加的大气氮沉降至关重要。本研究在内蒙古额尔古纳草甸草原开展刈割和不同水平外源氮添加试验,设置6个氮添加水平: 0、2、5、10、20和50 g·m^-2·a^-1,同时设置刈割处理,分为刈割和不刈割2个水平。在连续处理的第7年,采集群落中优势植物地上部分、群落根、地表凋落物和0～100 cm分层土壤样品,测定N含量并计算N库储量。结果表明: 氮添加显著增加植物地上部分和凋落物N含量,以及羊草、植物群落和凋落物的N库及生态系统N库总量。刈割处理显著增加羊草叶片和凋落物N含量,降低羊草、植物群落和凋落物N库,但并不改变它们对氮添加的响应格局。此外,刈割和氮添加对植物群落N库存在显著的交互作用。在不刈割处理下,高水平氮添加使更多的氮储存在凋落物中等待分解,植物群落N库的饱和阈值出现在10 g·m^-2·a^-1;在刈割处理下,植物群落N库表现为随氮添加量增加而不断增加,并且在相同水平氮添加条件下刈割后进入到植物群落N库中的氮更多。刈割可以缓解氮沉降不断增加对生物多样性和生态系统稳定性造成的不利影响,并可以在一定程度上推迟氮沉降增加引起的生态系统氮饱和的发生。     

中国牧区草地移动性利用的丧失和重建

草地利用移动性的丧失导致生态系统退化,是草地放牧生态学领域兴起的主导性学说。在我国,草地利用移动性的丧失不仅是政策变化导致的,更是众多自然和社会因素叠加演进的结果。草地利用移动性的重建对于中国草地恢复和可持续性管理具有重要意义,但是很难通过恢复传统或季节性轮牧的途径实现。我们可以依托智能围栏、牲畜智能可穿戴设备以及草地生产力无人机快测等新型放牧管理技术,在我国不同气候区域、不同类型草地,因地制宜地发展新型草地移动性管理模式,进而重建“草地利用的移动性”。新型轮牧模式还应与草畜平衡、牲畜补饲以及土壤养分补充等重要生态草牧业措施结合,确保我国草地资源的高效可持续利用。     

氮水添加对放牧背景下荒漠草原生产力的影响

水分与氮素作为干旱和半干旱草原生产力的共同限制性因子在退化草原的生态快速修复过程中备受关注。以不同放牧强度背景下的短花针茅荒漠草原为研究对象,开展围封模拟放牧利用实验,同时添加氮素和水分。通过分析历史放牧强度与年份对生产力的影响,以及添加氮素和水分对不同功能群植物生物量的作用,探讨放牧强度对短花针茅草原生产力的内在作用机制,以及如何实现荒漠草原资源合理开发和可持续利用。研究结果显示,降雨量与放牧强度决定着短花针茅草原的植物群落结构。氮素和水分添加可分别提升11%-29%和12%-32%的群落地上生物量,且二者存在显著的交互作用。不同功能群植物的地上生物量对氮素与水分添加的响应存在差异,多年生丛生禾草对氮素和水分添加响应最敏感。氮素与水分添加可显著提高多年生丛生禾草的地上生物量,但与自然降水量相关。氮素添加对地上生物量的影响在正常降雨和稍旱年份作用显著,而水分添加在干旱年份作用显著。在正常降雨年份,以半灌木植物为优势种的轻度放牧背景以添加水分对提升生产力最宜,以多年生丛生禾草和半灌木为共优种的中度放牧背景和以多年生丛生禾草为优势种的重度放牧以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜;在干旱年份不同放牧强度背景下均以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜。我们的结果表明了养分与资源的改善有利于退化短花针茅草原的快速恢复和可持续生产。     

西双版纳农田弃耕后橡胶园的建立对碳的固存作用

 由于温室气体的大量排放引起的全球气候变暖等环境问题日益严重,近年来人们开始考虑通过植被和土壤的碳固存,以缓解大气中CO2浓度的升高速度,减缓温室效应的影响。有研究表明,热带原始森林的保护和人工林的建立能有效地固存大气中的碳。但是,在建立热带种植园和人工林以固存大气CO2的可行性及其碳的固存潜力大小等方面还存在较大争议。云南省西双版纳自治州是我国重要的热带地区之一,目前橡胶(Hevea brasiliensis)园的面积为1.3×105 hm2,约占该地区林地面积的14%。在本研究中,选择11块在弃耕后的农田上建立的橡胶园（定植年限为3至38年）,初步探讨了橡胶园建立后植被和土壤中碳的固存规律。两个生物量模型（唐建维等的模型和Brown模型）的模拟结果显示,橡胶园建立后植被中生物量的平均增长速率分别为10.2×103和9.4×103 kg·hm-2·a-1,40和100 cm表层土壤碳的平均固存速率分别为0.61×103和0.72×103 kg C·hm-2·a-1,植被和100 cm表层土壤中碳的平均固存速率为5.82×103和5.42×103 kg C·hm-2·a-1,而定植40年后植被和100 cm表层土壤碳的固存潜力为232.8×103和216.8×103 kg C·hm-2。对两个模型的比较结果显示,唐建维等的模型生物量计算结果明显高于Brown模型,尤其是在对中幼龄橡胶园生物量估算时更是如此。