【摘 要】
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土壤呼吸是大气CO2重要来源之一,对全球碳循环有至关重要的作用。草地生态系统是陆地生态系统碳库的重要组成部分,影响着全球碳循环的过程与生态后果。山地草甸是新疆喀纳斯景区重要的旅游资源,其独特的景观美学价值和植物多样性被认为是研究草地生态系统对旅游干扰响应的理想区域。过去的研究报道了旅游干扰对山地草甸群落物种组成、生产力、土壤生物和理化性质以及景观美学价值的影响,然而旅游干扰对土壤呼吸特征及影响因素
【基金项目】
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新疆维吾尔自治区科技支疆项目计划(指令性)项目“喀纳斯景区草原畜牧业转型升级的技术集成与优化”的部分研究成果,(项目编号:2017E024),课题主持人:郑伟 教授(新疆农业大学); 新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目“混合放牧对阿尔泰山地草甸生长季土壤碳排放及凋落物分解的影响”的部分研究成果,(项目编号:2019D01A42),课题主持人:郑伟 教授(新疆
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土壤呼吸是大气CO2重要来源之一,对全球碳循环有至关重要的作用。草地生态系统是陆地生态系统碳库的重要组成部分,影响着全球碳循环的过程与生态后果。山地草甸是新疆喀纳斯景区重要的旅游资源,其独特的景观美学价值和植物多样性被认为是研究草地生态系统对旅游干扰响应的理想区域。过去的研究报道了旅游干扰对山地草甸群落物种组成、生产力、土壤生物和理化性质以及景观美学价值的影响,然而旅游干扰对土壤呼吸特征及影响因素的交互作用尚不清晰。因此,本研究以喀纳斯景区山地草甸为研究对象,在2018年和2019年的6月-7月定点观测干扰(观鱼台干扰,GYd;鸭泽湖干扰,XSd)和未干扰样地(观鱼台未干扰,GYn;鸭泽湖未干扰,YZn)的土壤呼吸日动态变化以及其水热关系的基础上,监测了旅游干扰前后山地草甸群落数量特征、物种组成、植物多样性和生产力的变化,以及土壤生态化学计量特征、土壤酶活性及土壤细菌类群组成的的变化,分析了土壤呼吸速率与群落数量特征、植物多样性、生产力、植物与土壤生态化学计量特征、土壤生物活性及土壤细菌组成的内在联系,明确了山地草甸生态系统土壤呼吸特征的影响因素及对旅游干扰的响应机制,研究结果如下:(1)旅游干扰后植物群落的平均高度、群落总盖度和Shannon-Wiener指数显著下降,群落密度、地上生物量和其他植物物种多样性指数也呈下降趋势。旅游干扰后原有群落的优势种香豌豆、地榆、直立委陵菜、拳蓼和密花婆婆纳等多年生杂类草逐渐在群落中消失或重要值下降,而耐践踏、花朵不注目的无芒雀麦、短柄苔草和白车轴草逐渐增多,优势物种重要值更为集中。旅游干扰后植物群落C、N、P含量下降,C/P和N/P显著增加,而C/N变化规律受调查时间、样地所处海拔等因素影响有所改变。(2)旅游干扰使喀纳斯山地草甸0-10 cm土壤养分输入量下降,养分循环受阻,土壤C、N、P含量和C/N、C/P、N/P均呈降低趋势。旅游干扰使喀纳斯山地草甸0-10 cm土壤脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性下降,土壤过氧化氢酶活性增加。喀纳斯山地草甸0-10 cm土层土壤细菌主要由放线菌门(Actinobicteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmiautes)和疣微菌门(Verrucomicrobia)等组成,在属分类水平下,主要由norank_c_subgourp_6、norank_c_Acidobacteria、RB41、norank_o_Gaiellales、norank_c_KD4-96、norank_f_67-14、芽孢杆菌属(Bacillus)、Solirubrobacter和硝化螺旋菌属(Nitrospira)等组成。厚壁菌门、疣微菌门、绿弯菌门对干扰具有较高的耐受性,它们的相对丰度在旅游干扰后呈上升趋势,而变形菌门和放线菌门受土壤C含量和土壤含水量下降的影响,其相对丰度在旅游干扰后呈下降趋势。芽孢杆菌属、RB41和硝化螺旋菌属是已知其功能的细菌属,可用于旅游干扰前后喀纳斯山地草甸土壤细菌群落结构与功能关系的解释。旅游干扰后,0-10 cm土层土壤细菌物种丰富度和多样性指数均呈下降趋势,土壤细菌生存的环境遭受扰动。(3)喀纳斯景区山地草甸土壤呼吸速率日动态变化表现为单峰曲线,最大值出现在14:00-18:00左右,旅游干扰后,山地草甸土壤温度显著上升,土壤含水量显著下降,土壤呼吸速率及温度敏感指数下降。土壤呼吸速率与土壤温度呈正相关,与土壤含水量呈负相关。(4)山地草甸群落平均高度、总盖度、群落密度和地上生物量与土壤呼吸速率呈线性负相关,群落物种组成、数量特征的变化可间接导致土壤呼吸速率的改变;群落地上部分的C、N、P含量及其化学计量比与土壤呼吸速率相关性不显著,对土壤呼吸速率影响较小。大部分样地在3个监测时期土壤呼吸速率与土壤C含量呈正相关关系,与土壤N、P含量呈负相关关系;土壤呼吸速率与土壤C/N、C/P呈正相关关系,与土壤N/P呈负相关关系。因此,旅游干扰后土壤养分循环受阻与土壤呼吸速率下降往往是同步的。(5)大部分样地在3个监测时期土壤呼吸速率与土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性呈负相关关系,与土壤过氧化氢酶活性呈正相关关系。土壤呼吸速率与放线菌门、变形菌门相对丰度呈正相关,与酸杆菌门相对丰度呈负相关。旅游干扰后土壤酶活性、细菌多样性和类群组成的变化,可导致土壤呼吸的改变。因此,在喀纳斯景区山地草甸实行可持续的碳管理措施,需要控制旅游干扰活动的强度,降低旅游干扰对植物群落、土壤环境、土壤养分循环及土壤生物活动的影响。
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