植物功能群去除对高寒草甸生态系统功能的影响及其机制

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群落中生物多样性的下降对生态系统过程和功能的潜在影响引发了广泛的关注。在干扰存在的情况下,自然群落中的物种丧失常以非随机的模式出现,对系统功能造成的影响往往不均匀的取决于群落中的所有物种。受人为活动和气候变化等因素的影响,草地生态系统面临着严重的退化和物种丧失。其中,家畜过度放牧活动所导致的群落优势物种的丧失普遍存在。基于此,我们在青藏高原东缘的高寒草甸群落中开展了针对植物功能群(Plant functional group,PFG)的去除实验,试图通过对群落组成、结构、多样性、生产力、植物-土壤中碳、氮和磷元素含量和化学计量比以及系统CO2交换量的监测、分析,明确植物功能群丧失对高寒草甸生态系统主要过程和功能的影响及其机制。通过连续两个生长季的去除处理以及对植物群落特征、生物量(生产力)、营养元素含量和系统CO2交换量等指标的监测,本研究主要结论如下:(1)高寒草甸群落的加权平均高度和累加盖度主要受杂草功能群的影响。植物功能群和随机生物量的去除均显著抑制了群落高度、禾草盖度、禾草综合优势比(Summed Dominance Ratio,SDR)的增加和杂草盖度、杂草SDR的减小,且两种去除方式之间无显著差异;去除禾草会导致莎草高度和SDR显著增大;禾草、莎草和杂草SDR的相对变化之间均存在显著负相关,表明三者在群落中具有竞争性。(2)去除处理对群落、禾草物种多样性指数的相对变化均具有显著影响,去除禾草导致群落功能群Shannon-Wiener多样性增大而优势度减小,其他处理则相反,禾草、莎草和杂草综合优势比的变化对多样性变化具有解释力;禾草综合优势比的增加会显著增加物种优势度,而降低物种Shannon-Wiener多样性和均匀度,杂草综合优势比与此相反;禾草、杂草综合优势比的增加会减小功能群Shannon-Wiener多样性,而增加功能群优势度,莎草与此相反。(3)植物功能群和随机生物量的去除显著抑制了群落地上生物量(Aboveground biomass,AGB)、根系生物量(LB)和禾草生物量的增加趋势,且两种去除方式之间无显著差异,LB随着去除功能群和随机生物量的增加而线性递减;AGB主要取决于禾草和杂草生物量,而根系生物量(Root Biomass,RB)主要取决于莎草生物量;禾草、莎草均与杂草生物量比例之间存在极显著线性负相关,说明二者与杂草之间存在竞争关系。(4)AGB与群落中物种的均匀度指数呈显著线性负相关性关系,而与其他物种、功能群多样性指数无显著线性相关性,表明优势禾草、莎草功能群对AGB具有更大的影响。(5)去除处理显著影响了根系的氮含量,显著降低了凋落物的碳含量和C:N,而对其植物其他元素含量及计量比无显著影响;群落中植物元素含量及计量比与功能群生物量比例之间存在显著相关性;功能群的去除显著降低了土壤中的全氮含量,而对全碳、全磷含量及计量比的相对变化无显著影响。土壤中的元素含量及计量比与物种多样性和功能群生物量比例之间均存在显著相关性。(6)高寒草甸生态系统在生长季日间的CO2交换量表现为净吸收,即为碳汇;其GEP、ER和NEE的CO2通量分别在生长季的7月、6月和8月达到峰值。植物功能群的连续去除处理显著减小了系统的GEP和NEE的CO2吸收通量,显著减小了生长季后期的系统ER;高寒草甸生态系统生长季日间的GEP和ER的CO2通量与表层土壤温度之间存在显著的正向线性回归关系,与表层土壤含水量之间存在显著的负向线性回归关系,但二者与系统NEE之间的线性回归关系不显著;生长季高峰期(07月)系统ER与群落的加权平均高度和物种丰富度之间存在显著的线性负相关关系,而系统GEP的CO2吸收通量与莎草功能群的生物量比例之间也存在显著的线性负相关关系。(7)高寒草甸群落中不同植物功能群的竞争关系显著影响干扰下群落组成的响应,而功能群作为相似物种的集合,其组合对于群落的多样性、系统的生产力、营养元素含量及计量比和系统CO2交换量均具有显著的影响。相比于物种的丰富度,物种类别对于系统过程和功能的影响同样存在。
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