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青藏高原正在经历着以增温为主要特征的气候变化过程。气候变化必然会对高寒草甸生态系统带来各种各样的影响。当地最重要的人类活动—自由放牧可能加速或削弱高寒草甸生态系统对气候变化的响应和反馈。本研究的目的是为了了解不同增温幅度下高寒草甸生态系统温室气体通量的变化及其主要影响因子,评价自由放牧方式对高寒草甸生态系统温室气体通量的影响。同时,本研究中不同增温幅度下土壤氮循环关键过程和不同土壤碳库容量变化的研究有助于提高对高寒草甸生态系统对气候变化响应的认识。
本研究利用温度随海拔高度增加而降低的原理以及空间代替时间的方法,选择4个不同样点的高寒草甸,在3200、3400、3600和3800 m4个海拔高度梯度上采用双向移栽方法模拟气候变化,对2个生长季(2008-2009)气候变化和自由放牧条件下高寒草甸生态系统温室气体通量的变化进行了观测。同时,在此山体垂直带上开展了气候变化条件下土壤氮矿化和不同土壤碳库容量变化的研究。研究结果表明:
1、环境变化。山体垂直带双向移栽试验可以很好的模拟气候变化。3200、3400、3600和3800 m两个生长季内20 cm土壤平均温度分别为9.8、7.5、6.2和5.8℃。3200-3800m的温差范围在0.3～4.2℃之间,海拔每升高200 m,20 cm土壤温度平均降低1.2℃。3200、3400、3600和3800 m4个海拔高度两个生长季内土壤20 cm平均湿度分别为35.3、27.9、38.7和14.3％,3600 m处土壤湿度较高的原因是因为地处山体与滩地交界处,以及地形雨较多的缘故。
2、甲烷(CH4)通量。青藏高原高寒草甸生态系统是CH4的汇,生长季内平均吸收88.9 mg m-2。总体而言,CH4的吸收随着土壤温度的增加有增加的趋势,但不同试验样点之间增加的程度有一定的变化。CH4吸收通量与土壤温度显著正相关,与土壤湿度相关性不显著。但在各试验样点表现不一致。土壤温度和土壤湿度结合起来只解释了2-11%的CH4通量变异,说明CH4通量更大程度上受到其它因子的影响。降雨增加抑制了高寒草甸对CH4的吸收。
放牧对高寒草甸CH4吸收能力的影响依据试验样点、取样日期和取样年份的不同而发生变化。总体上放牧对高寒草甸CH4通量没有显著影响。低海拔(3200m)高强度冬季放牧的高寒草甸CH4吸收能力可能通过土壤温度的快速升高而增加。而其他情况下放牧降低了该地区高寒草甸CH4平均通量和累积通量,但差异不显著。
3、氧化亚氮(N2O)通量。青藏高原高寒草甸生态系统是N2O的排放源,生长季内平均排放30.2mg m-2。总体上,N2O通量与土壤温度相关性不显著,与土壤湿度显著正相关(P＜0.001)。土壤温度和土壤湿度二者结合能解释11-13%的N2O通量变异,说明N2O通量更大程度上受到其它因子的影响。气候变化对N2O通量的影响不同的试验样点依增温幅度和降雨量的变化而变化。
放牧对高寒草甸N2O通量的影响依据试验样点、取样日期和取样年份的不同而发生变化。总体上放牧没有显著改变该地区生长季N2O的累积排放量。冬季高强度放牧增加的N2O来源于放牧家畜的排泄物;夏季长期放牧减少了海拔3600和3800 m高寒草甸N2O的排放。
4、生态系统呼吸(CO2)。各类高寒草甸生态系统呼吸均随着温度的增加而增加。20 cm土壤温度每升高1℃,生态系统呼吸增加32.0%(13.7～49.4%)。土壤温度能解释该地区高寒草甸生态系统60～68%的生态系统呼吸变异。在0.3～4.2℃的增温幅度上,高寒草甸生态系统呼吸温度敏感性随着海拔高度的升高而增加,即地处高海拔的高寒草甸生态系统呼吸对温度更敏感。但在10℃的增温幅度上,金露梅灌丛高寒草甸的生态系统呼吸温度敏感性(Q10)高于3800 m以下的矮嵩草高寒草甸,但低于3800 m的矮嵩草高寒草甸。高寒草甸生态系统呼吸与土壤湿度的相关性很弱(r=0.05),且不同试验样点之间表现不一致。
自由放牧对高寒草甸生态系统呼吸的影响依据不同的试验样点有增加或降低的趋势,但放牧和不放牧处理之间差异并不显著,说明该地区目前的自由放牧方式对高寒草甸生态系统呼吸没有显著影响。
依据不同温室气体的增温潜值,综合三种温室气体通量,发现温度每升高1℃,该地区整个生长季内高寒草甸生态系统将平均累积多释放341.7 g CO2当量。放牧降低了该地区4.4%的全球增温潜能(GWP),生长季内平均减少124.2 g CO2当量m-2,但差异不显著。因而,自由放牧对气候变暖的响应在温室气体方面表现为较弱的负反馈。
5、土壤净氮矿化。海拔高度和试验样点显著影响各层次(0-30 cm)土壤NO3-N、NH4+-N和总无机氮(NO3-N和NH4+-N)的含量。试验样点和海拔高度之间没有互作效应。土壤无机氮含量没有明显而统一的增加或降低的趋势。取样时间、试验样点、海拔高度以及试验样点和海拔高度的互作显著影响0-20 cm土壤净氮矿化速率和净氨化速率。温度对同一试验样点高寒草甸生长季内净氮矿化率的影响主要是通过影响净硝化率而实现的,温度对土壤净氨化率没有明显的影响。自由放牧对该地区高寒草甸中土壤表层(0-10 cm)无机氮含量没有显著影响。
6、土壤可溶性碳(DOC)。温度是影响高寒草甸土壤可溶性有机碳(DOC)的主要因子,可以解释75.8%的土壤DOC变异。增温(0.6-4.2℃)增加高寒草甸生长季4.4～32.9%的土壤DOC含量。处于高海拔的高寒草甸土壤DOC含量对温度更敏感,可能导致地处高海拔的高寒草甸生态系统呼吸对温度更敏感。温度能解释21.9%的该地区土壤活性碳库的变异。高寒草甸土壤微生物量碳库、土壤活性碳库容量都随着温度的增加而增加。短期内增温可能通过提高微生物的活性,加快有机物质的分解速率,增加土壤活性碳库而增加高寒草甸生态系统呼吸。