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草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,其结构和功能的变化直接影响到陆地生态系统的物质循环和能量流动等生态过程。随着全球变化的日益加剧和草地生态学的不断发展,尤其是国际生物学计划(IBP)和国际地圈生物圈计划(IGBP)等大型综合研究计划的开展,关于草地生态系结构和功能的动态变化及其对全球变化的响应机制日益受到人们的关注。草地生物量是反映草地生态系统结构和功能的重要指标,同时也是全球碳循环和全球变化研究的基础,研究草地生态系统生物量的动态变化规律及其对不同影响因素的响应机制,能为陆地生态系统对全球变化的响应机制及全球物质循环等研究提供理论基础,并且为更好的指导社会生产提供理论依据,具有很强的理论意义和现实意义。
本文在呼伦贝尔草原设置固定样地,野外监测生物量、群落结构和生物量多样性等草地生态系统结构和功能的数据,结合实验室分析获得土壤理化性质,区分不同的草地利用方式,采用非计量多尺度分析和多元回归等统计学方法,对呼伦贝尔草地生态系统生物量在不同时间和空间跨度上的动态变化规律,以及草地生物量对环境、生物和人类活动等影响因素的响应机制进行了分析和探讨,主要结论如下:
1.总体上呼伦贝尔草地地上生物量存在着东高西低,北高南低的分布趋势,地下和总生物量变化趋势一致。经度和纬度梯度上地上生物量变化趋势存在差异,但在两个梯度上,地下生物量与地上生物量的比值都随着经度和纬度的增加明显降低。观测期内(2005-2008年),呼伦贝尔草地生态系统地上生物量逐年下降,在2007年达到最低值,地下和总生物量始终处于波动状态。不同生长季节地上和地下生物量变化趋势相反。
2.气候、土壤足影向草地生态系统生物量的重要环境因素。年均温、相对湿度和年均降水量都会显著影响地上生物量,其中冬季和生长前季降水是更有效的降水指标。地下生物量与光照时长、总生物量与干燥度都呈显著的负相关,水分和温度的平衡是影响草地总生物量的关键气候因素。土壤有机碳和全氮含量与生物量变化关系最显著,土壤含水量也会影响地上和地下生物量的变化以及草地植物地下和地上部分的比例。
3.生物多样性和植物群落结构是影响生物量的两个重要生物因素。不同年份和生长季节之间生物多样性和生物量关系存在差异。不同植被类型中,典型草原和草甸草原生物多样性和生物量呈显著的线性正相关关系。生物多样性和生物量关系存在尺度效应,物种、群落和生态系统尺度下,生物多样性和生物量关系不同,总体上,随着研究尺度增大,两者关系有从非线性到线性下相关的变化趋势。从物种角度探讨生物多样性和生物量关系的内在机制,“生态位互补效应”能够更好的解释本研究的结果。综合考虑生物和环境因素对生物量的影响,土壤因素通过影响生物多样性和植物群落结构间接地影响生物量。
4.呼伦贝尔不同的草地利用方式显著影响草地生态系统生物量、生物多样性和草地植物群落结构,并且不同利用方式下草地生物量随年份和生长季节变化的规律也存在差异。人类活动会改变草地植物地下根系的分布格局,还会影向草地土壤物理和化学性质,同时影响草地生态系统的结构(生物多样性)和功能(生产力),生物多样性和生物量只有在围封草场表现出显著的相关关系。割草有利于草地生物量增加和生物多样性保护。