不同海拔高寒草甸生态系统呼吸对实验增温和刈割的响应

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在念青唐古拉山的一个南坡,基于海拔高度上的三块实验增温和刈割样地(海拔4313m,4513 m和4693m),通过测定2010-2012年6-9月的生态系统呼吸、8月的物种丰富度和地上现存生物量、地上净初级生产力;2011-2012年8月的根系生物量、土壤有机碳、全氮、微生物量、水溶性有机碳/氮等,探讨了高寒草甸生态系统呼吸对实验增温和刈割的响应及其机理,海拔高度与生态系统呼吸温度敏感性的关系及生态系统呼吸对气候变暖的适应性。主要结论如下:  (1)开顶箱显著增加了土壤温度、空气温度和饱和水汽压差,同时显著减少了土壤含水量。刈割对土壤温度、空气温度、土壤含水量和饱和水汽压差没有显著影响。土壤温度、空气温度和饱和水汽压差都随着海拔高度的升高显著降低。海拔4313 m的土壤含水量显著低于海拔4513m和4693m的,而海拔4513m和4693m两海拔间无显著差异。  (2)生态系统呼吸的时间变异同时受土壤温度、空气温度、土壤含水量的调控,它们对生态系统呼吸变异的相对贡献因海拔和实验处理而有所差别。此外,生态系统呼吸随着地上净初级生产力、地上现存生物量、物种丰富度、根系生物量、土壤有机碳、全氮、微生物量、微生物碳氮比、铵态氮、土壤有效氮以及海拔高度的增加而显著增加。生态系统呼吸的温度敏感性随着地上净初级生产力、物种丰富度、土壤有机碳、全氮、微生物量、有机碳与全氮的比值的增加显著增大,而随着土壤温度、空气温度、饱和水汽压差的增加显著减小。  (3)实验增温、刈割及其交互作用对根系生物量、土壤有机碳、全氮、水溶性有机碳/氮、微生物碳/氮、土壤有效氮都无显著影响,这些因子都随着海拔高度的升高而显著增加。  (4)物种丰富度与空气温度、土壤温度、饱和水汽压差都呈显著的负相关关系,但与土壤有效氮、全氮以及6-9月降水量无显著关系,因此,实验增温对物种丰富度的负作用主要归因于实验增温形成的暖干化微环境。刈割显著增加了海拔4513 m的物种丰富度;趋于增加了海拔4313m的物种丰富度,而减少了海拔4693m的物种丰富度,三海拔物种丰富度对刈割的不同响应可能与其不同的刈割强度有关。实验增温和刈割对物种丰富度无显著交互作用。物种丰富度与海拔无显著关系。生态系统呼吸及其温度敏感性与物种丰富度的显著关系表明,不同物种的呼吸作用速率及其温度敏感性不同。  (5)地上净初级生产力与降水、全氮、微生物氮、铵态氮、土壤有效氮都呈显著的正相关关系,与土壤含水量呈不显著的正相关关系,而与土壤温度、空气温度、饱和水汽压差都呈显著的负相关关系。实验增温趋于减少了地上净初级生产力,这也主要归因于实验增温形成的暖干化微环境。刈割显著增加了海拔4693m的地上净初级生产力,趋于增加了海拔4313m和4513 m的地上净初级生产力,这表明刈割对西藏高寒草甸植物地上生产力有补偿效应。实验增温和刈割对地上净初级生产力无显著交互作用。地上净初级生产力随着海拔高度的升高而显著增加。  (6)三海拔的生态系统呼吸对实验增温的响应存在差异:实验增温趋于减少了海拔4313m和4513m的生态系统呼吸;对于海拔4693m来说,实验增温趋于增加了实验处理第1-3年的生态系统呼吸,而显著增加了实验处理第4-5年的生态系统呼吸,即实验增温对生态系统呼吸的作用具有滞后效应。实验增温对生态系统呼吸的净作用取决于实验增温引起的土壤和空气温度的增加对生态系统呼吸的正作用和实验增温引起的土壤含水量的减少对生态系统呼吸的负作用的相对强度。刈割趋于减少了海拔4313m的生态系统呼吸,而显著减少了海拔4513m和4693 m的生态系统呼吸,三海拔的不同响应可能与植物地上部分呼吸占生态系统呼吸的比例不同有关。由于刈割没有显著改变土壤碳氮、环境温湿度条件以及根系生物量,所以刈割对生态系统呼吸的负作用主要与地上现存生物量的减少有关。实验增温和刈割的显著交互作用只出现在海拔4693m实验处理实施的第3年。  (7)一方面实验增温显著降低了海拔4513m和4693m的生态系统呼吸的温度敏感性,而趋于降低了海拔4313m的生态系统呼吸的温度敏感性;另一方面随着海拔高度的升高,实验增温对生态系统呼吸温度敏感性的负作用趋于增大,这表明生态系统呼吸对气候变暖存在着适应性且该适应性随着海拔高度的升高而增强,本发现可能与呼吸底物(土壤有机碳、根系生物量、地上生产力等)、水分条件与海拔高度的正相关关系有关。刈割及其与实验增温的交互作用对生态系统呼吸的温度敏感性无显著影响。生态系统呼吸的温度敏感性随着海拔高度的升高而增加,这表明,高海拔的高寒草甸的生态系统呼吸对气候变暖的敏感性比低海拔的高。  (8)有效水通过调控生态系统呼吸的温度敏感性、地上净初级生产力、土壤有机碳、微生物碳等的途径调控着生态系统呼吸对气候变暖的响应。  
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