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深入理解生态系统结构-过程-功能与服务功能的关系,是当前生态系统服务研究急需解决的问题。本研究选择内蒙古典型草原,以区域内具代表性的群落类型及退化系列为对象,在不同尺度上开展生态系统服务的碳储量和碳通量研究,揭示典型草原生态系统结构-过程-功能与其服务功能的关系。同时,基于动态植被的碳循环模型(TESim_P)模拟典型草原生态系统碳通量的演变过程。研究对发展草原生态系统服务功能的理论与方法具有典型的现实意义。主要研究结果如下: 1.不同群落类型 (1)群落类型中,小叶锦鸡儿、芨芨草群落具相对较大的生物量(141.5和113.4g/m2),冷蒿和碱韭群落相对较小,为72.6和57.5g/m2;而群落比叶面积(SLA)正好相反。各群落类型总体上根生物量分数最大,平均占46.9％,茎生物量分数最小,平均占23.6％:小叶锦鸡儿、芨芨草群落根生物量分数相对较高。小叶锦鸡儿和芨芨草群落具有相对较大的土壤容重,碱韭群落相对最小;各群落随土壤深度的增加,土壤容重增大。 (2)各群落植被碳含量表现为根＜茎＜叶;小叶锦鸡儿具相对较高的碳含量,根、茎、叶分别为366.8、411.0和415.0 mg/g,其次为芨芨草、冷蒿、羊草群落,碱韭群落最低,根、茎、叶分别为319.9、383.7和388.5 mg/g。小叶锦鸡儿和芨芨草群落的单位面积植被碳储量同样相对较高,根、茎、叶总和达55.2和43.5 gC/m2,羊革群落次之,为32.5 gC/m2,冷蒿和碱韭群落最小,为28.0和20.0 g C/m2:区域中植被总碳储量仍以小叶锦鸡儿、芨芨草群落为最高,分别为427.9×103和337.5×103t,其次为羊草、冷蒿、碱韭群落,分别为252.0、217.1和153.4×103t;此外,单位面积上和区域上均以根中的碳储量为最高。 (3)小叶锦鸡儿、芨芨草群落具较大的叶片尺度的净光合速率Pnmax(18.45和10.90μmol·m-2·s-1),群落尺度的总生态系统生产力(GEP)(16.21和15.83μmol·m-2·s-1)、群落净碳交换速率(NEE)(-6.23和-5.83μmol·m-2·s-1)、群落呼吸速率(RE)(10.39和9.28μmol·m-2·s-1),向冷蒿和碱韭群落较低。土壤呼吸方面,小叶锦鸡儿、芨芨草、冷蒿等群落均较大,有草状况下分别为9.76、6.70和6.12μmol·m-2·s-1,而羊草和碱韭群落仅为4.16和4.03μmol·m-2·s-1。 (4)土壤有机碳含量羊草、冷蒿群落较高,平均各层为8.0和7.9 mg/g,碱韭、小叶锦鸡儿和芨芨草群落较低,为5.8、5.4和6.7 mg/g;土壤深度增加有机碳含量下降。单位面积土壤有机碳储量羊草和冷蒿群落较高,各层平均为1.22和1.21 kg/m2,芨芨草、小叶锦鸡儿、碱韭群落较低,为0.75、0.84和0.83 kg/m2。区域有机碳总储量羊草、芨芨草群落较高,为606.49×105和292.46×105t,碱韭和冷蒿群落最小,为63.38×105和99.39×105t。 2.不同退化等级草原 (1)在3个退化等级草原上,随退化等级的增加,生物量显著下降(171.2、91.0和57.2g/m2),根生物量分数上升(37.0％、38.7％和52.2％),SLA增大(66.7、89.6和101.7cm2/g),随退化等级和的增加,土壤容重增大(分别位于1.32.1-40、1.40-1.49和1.44-151g/cm3之间);随土壤深度的增加,土壤容重增大。轻度、中度退化草原土壤含水量高于重度退化样地:土壤含水量随深度的增加总体呈下降趋势。Μmol·m-2·s-1(2)随退化程度的增加,叶中碳含量下降(411.6、407.1和398.2 mg/g),根中碳含量增加(326.7、350.6和347.0 mg/g);各退化等级草原根中碳含量明显低于叶和茎。随退化等级的加重,单位面积上植被碳储量出现下降(65.5、35.2和21.3 g/m2)。区域上植被碳储量与单位面积上的规律基本相同(507.95×103、272.35×103和165.10×103t)。 (3)随退化程度增加,植被叶片尺度Pnmax(9.36、4.77和3.66μmol·m-2·s-1)、群落尺度GEP(15.51、9.70和5.80μmol·m-2·s-1)、NEE(-8.29、-3.14和-1.57μmol·m-2·s-1)、土壤呼吸速率均显著下降,有草状况下2年平均值分别为7.18、5.52、2.72μmol·m-2·s-1。 (4)随退化等级加重,土壤各层有机碳含量下降,各层平均分别为12.8、8.3和8.2 mg/g;随土壤深度增加,土壤有机碳含量下降。随退化程度增加,各层土壤单位面积有机碳储量下降,5层土壤平均值分别为1.71、1.22和1.20 kg/m2。区域土壤有机碳总储量以中度退化草原最大,为2259.49×105t,其次为轻度和重度退化草原,为1321.54×105和922.21×105t。 3.不同群落类型碳通量模拟 (1)1980-2011年间,研究区内呈增温趋势,降水呈下降趋势,气候趋于干旱化。 (2)1990-2011年间,碱韭、冷蒿群落净生态系统生产力(NEP)呈增加趋势,而大针茅、芨芨草、羊草群落下降;各群落类型均表现为碳汇的功能特征,但是,总体上多年来典型草原的碳汇功能呈下降趋势。芨芨草、羊草群落NEP相对较大,多年平均值分别为145.6和107.9 gC·m-2·a-1,碱韭和冷蒿群落最小,仅为27.1和5.6gC·m-2·a-1。NEP最小值出现在3-5月,最大值出现在6-8月。 (3)1990-2011年,大针茅、芨芨草、羊草群落净初级生产力(NPP)下降,碱韭、小叶锦鸡儿呈上升趋势;芨芨草群落的NPP相对最大,大421.9 gC·m-2·a-1,其次为羊草(268.5 gC·m-2·a-1)、大针茅群落(136.0 gC·m-2·a-1),冷蒿(41.6 gC·m-2·a-1)、小叶锦鸡儿群落(95.6 ggC·m-2·a-1)相对较小。1-4月NPP处于下降阶段,6-8月达最大。 (4)1990-2011年,各群落异养呼吸速率(Rh)增大,芨芨草群落Rh达276.3 ggC·m-2·a-1,其次为羊草和大针茅群落,为1.48.7和96.8 gC·m-2·a-1,小叶锦鸡儿和碱韭群落相对较小(67.9和46.0 gC·m-2·a-1);Rh各月动态总体上4-6月最大。 群落类型和退化程度不同,植被、土壤碳储量和碳通量发生明显差异。草原退化导致植被、土壤碳储量、生态系统净碳吸收显著下降;不同群落类型中,芨芨草、小叶锦鸡儿等碳储量、碳通量值均相对较大,而碱韭、冷蒿等群落表现出相对较小的特征。