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。     

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。     

放牧强度对短花针茅荒漠草原甲虫群落分布格局的影响

放牧对脆弱的荒漠草原生态系统有着重要影响,且随放牧强度及持续时间不同而变化。鞘翅目昆虫是环境监测与生物多样性变化的指示生物。利用巴氏罐诱法对短花针茅荒漠草原不同放牧强度草地的甲虫群落组成和多样性进行调查,探究放牧对荒漠草原甲虫群落的影响。结果表明:(1)步甲科、金龟科为短花针茅荒漠草原甲虫群落优势类群,埋葬甲科、芫菁科、拟步甲科和花金龟科为常见类群。(2)放牧强度增加不利于维持更多的捕食性甲虫;对照和轻度放牧样地可维持更多的腐食性甲虫。(3)甲虫数量随放牧强度增加而递减;群落多样性以重度放牧草地最大,轻度放牧草地最小;群落优势度为对照、中度、重度显著高于轻度放牧草地。各甲虫类群在不同放牧强度草地出现时间、高峰期均不同。(4)对照、轻度、重度放牧样地的甲虫优势类群群落结构不同于其他生境,但均与中度放牧样地存在相似性。轻度、中度、重度放牧样地的甲虫稀有类群群落结构不同于其他生境,但均与对照样地存在相似性。(5)甲虫群落个体数与植物群落物种丰富度、盖度、植物平均高度、生物量呈显著正相关。Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数均与植物群落物种丰富度、生物量显著负相关。研究结果为荒漠草原甲虫多样性保护提供参考依据。     

荒漠草原不同放牧强度背景下添加氮水对凋落物分解的影响

凋落物分解是连接生态系统地上、地下过程的重要环节,决定了生态系统养分循环速率,但到目前为止对凋落物分解在荒漠草地生态系统受放牧以及外源资源补给影响的研究较少。本研究通过对不同放牧强度(对照、轻牧、中牧和重牧)短花针茅草原群落进行添加氮素(10.0 g N m~(-2) a~(-1))和增水(108 mm/a)处理,探讨群落水平凋落物分解速率的变化。研究结果显示,过去不同强度放牧历史对群落凋落物分解影响极显著(P0.0001)。凋落物前期分解(135 d)过程中,凋落物初始C∶N比与凋落物分解速率常数呈显著负相关关系,表明凋落物可降解性在凋落物前期分解中起主要作用。轻度放牧影响下凋落物分解速度最快,这与该条件下凋落物C∶N比显著低于其他放牧强度下的有关,说明适度放牧不仅有利于群落维持,也在一定程度上有利于生态系统养分循环。当凋落物分解更长时间(870 d)后,对照区凋落物分解速率显著低于放牧处理样地,但凋落物初始C∶N比对凋落物分解速率没有显著影响。进一步分析显示,不同放牧强度背景下长期凋落物分解速率与分解环境的土壤微生物多样性成正相关关系,与群落盖度呈极显著(P0.001)负相关关系。添加氮素显著(P0.05)降低凋落物分解速度,但对凋落物氮含量无显著影响。生长季加水未影响凋落物质量及凋落物分解速度。研究结果表明,凋落物前期分解受凋落物质量影响,但较长时间凋落物分解则与分解过程中接受到的太阳辐射量有关。     

基于生态资产的内蒙古生态保护效益评估

生态资产是能够为人类提供生态产品和服务的自然资源资产,生态资产的变化特征可以反应生态保护政策与工程的实施效果。内蒙古地理位置重要,生态系统脆弱,发挥着生态安全屏障作用,是国家生态保护政策与工程实施的重点区域,通过生态资产变化评估内蒙古生态保护效益,对掌握生态状况与保护生态资产具有一定的意义。通过核算森林、灌丛、草地生态资产面积和质量,并建立生态资产综合指数,评估了内蒙古生态资产特征及变化情况。内蒙古生态资产主要以草地生态资产为主,占自然生态资产总面积的73.72%。草地生态资产质量较差,以中级、差级和劣级为主,占草地生态资产的81.03%;森林生态资产质量较好,灌丛生态资产质量也较差。2000-2015年,生态资产综合指数提高了24.91,生态资产面积变化不明显,生态资产质量明显提升,质量提升面积为16.59×10⁴km²。内蒙古整体生态质量水平在缓慢提升,实施的生态保护工程与政策发挥了积极作用。     

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。     

短期氮、水添加对放牧背景下荒漠草原短花针茅叶片属性的影响

叶片属性是反映植物对环境变化敏感程度的重要特征,可在一定程度上预测植物对放牧干扰后的恢复能力。短花针茅（Stipa breviflora）是内蒙古荒漠草原的主要建群种。在不同放牧强度背景下的短花针茅草原开展了围封模拟放牧持续利用的实验,同时进行添加氮素和水分的恢复措施,测定了7月和9月中旬建群种短花针茅叶片的比叶面积、叶干物质含量,以及叶片全氮、叶片全磷和叶片全碳含量,分析水分和氮素添加对建群种短花针茅叶片的影响,探讨不同放牧强度下短花针茅可持续利用的氮水调控机制。结果显示,氮素和水分添加显著地增加了短花针茅叶片氮含量,降低了叶片碳氮比;放牧强度也显著地增加了叶片氮含量,且轻度放牧下的叶片氮含量（20.36 g/kg）显著高于对照（18.80 g/kg）;生长末期短花针茅的比叶面积、叶片碳含量、叶片碳氮比和叶片碳磷比显著高于生长盛期,叶片氮含量和磷含量显著低于生长盛期;在生长盛期和生长末期,不同放牧强度背景下对短花针茅所采取的氮素和水分的供给措施也不同。研究结果表明在放牧背景下短期氮、水添加提高了短花针茅的叶片氮含量,特别是在生长季后期水分添加增加了叶片氮和磷含量,可进一步促进短花针茅的生长。我们的结果也表明了资源供给水平的改善有助于短花针茅的迅速恢复。