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草地生态系统是世界上分布最广泛的植被类型之一,也是陆地生态系统中最重要、碳分布最广的生态系统,在全球碳循环和气候调节中起重要作用。松嫩平原位于我国东北平原的中部,是典型的草甸草原,但由于自然和人为因素造成了土地的盐碱化,且盐碱化程度逐年加剧。关于松嫩盐碱化草地的恢复,已有学者做了大量的工作,但通常都是通过测量地上部分的覆盖度、密度、生物量或者土壤的理化性质等来评价恢复效果,遗憾的是还没有从植物的整体角度来研究退化草地的生态恢复过程,特别是缺乏地下净初级生产力(belowground net primary productivity,BNPP)和根系周转方面的相关数据。本文以松嫩重度退化盐碱草地为研究对象,实验样地选在吉林省松原市长岭县种马场,实施六种实验处理组合的完全随机区组设计:自由放牧(free grazing,FG)、无耕作(no ploughing,NP)、只翻耕(only ploughing,OP)、翻耕加施肥(ploughing + fertilizer,PF)、翻耕加覆盖(ploughing + mulching,PM)、翻耕-施肥加覆盖(ploughing + mulching + fertilizer,PFM),共4次重复。采用向内生长土环法测定BNPP,改进根窗法测定根系周转。本论文从植物整体角度来探究在草地生态恢复过程中植物的地上部分和地下部分是如何协同变化,特别着重研究植物地下根系周转过程对不同恢复措施的响应机理。实验结果将补充松嫩重度退化草地生态恢复过程中根系响应过程的数据,丰富草地地下生态学过程机制研究理论。根据三年数据(2011、2012及2013)的实验结果得出以下结论:1、恢复两年中主要建立的植被是一年生的虎尾草(Chloris virgata)和碱蓬(Suaedda glauca),虎尾草的相对密度变化为32-99%,碱蓬相对密度变化为3-60%,没有发现多年生植被。PM和PFM两个处理下的植被覆盖度、物种密度以及地上净生产力(aboveground net primary productivity,ANPP)都要显著高于其他处理,且主要是虎尾草(相对密度超过80%以上),地上覆盖度最高可以达到50%,说明PM和PFM有利于植被地上部分的生长和恢复;2、2012-2013年不同恢复措施下BNPP的最大值分别为28.4gm-2和15.1gm-2,最低值分别为0.8 g m-2和0.7 g m-2,由于恢复过程中建立的均是一年生植被,没有多年生植被,因此恢复具有不稳定性。年际对BNPP有显著影响(P<0.05),BNPP在恢复第二年(2013年)明显下降,2012年的BNPP是2013年的1.6-1.9倍,但两年的ANPP没有显著性差异(P>0.05),这说明在恢复过程中更多的光合产物分配到了地上。其主要机制为土壤有机质含量少,盐碱度和pH值高,植物根系想要大量生长非常困难,为了抵抗不良环境,植物选择地上部分生长,生产更多的光合产物来进行自身生长、繁殖和应对复杂的地下环境,这也是一年生植物生长采用的主要策略。同时恢复过程中不同处理间BNPP有极显著差异(尸<0.001),PM和PFM处理下的BNPP显著高于其他处理,由此得出翻耕和覆盖有利于植物地下根系的生长;3、同生根在出生后的半个月时间内,就有大约40%的根死亡,随后死亡率逐渐降低,且在不同恢复措施下,同生根存活曲线变化差异不大。春季(4、5月)和夏季(6、7、8月)出生的根到生长末期最多剩余20%左右,而秋季(9、10月)出生的根到生长季末还能存活40%左右。在春季和夏季主要是植物种子萌发、植物快速生长的阶段,这部分根系在完成养分的吸收后,会大量死亡,秋季气温下降,植物根系呼吸作用速度减慢,因此根的死亡率较低;4、2013年根系周转无论是在0-10cm还是10-20cm都只出现一个峰值,峰值出现在夏季(7月)。根系周转在夏季较快,在春季和秋季较慢。生长旺季的7月份,降雨量与温度都达到了全年的最大值,也是植物增长最快的时间段,从而提高了细根周转率,达到了全年的最高峰。2013年不同恢复措施下根系年周转在0.46± 0.03和0.55 土 0.05之间。OP、PF和PFM条件下细根的年周转率较低,这说明在这些措施下,植物生物量积累更多,生长状况更好;5、2013年不同恢复措施对0-20 cm 土层的根系年周转率没有显著影响。但0-10 cm土层中,PM和PFM处理下的根系平均寿命显著高于FG、OP和PF处理。在10-20 cm土层中,PM和PFM处理下的根系平均寿命显著高于FG和OP两个处理。10-20 cm 土层的周转率(0.52± 0.02)要显著高于0-10 cm 土层的周转率(0.47± 0.02)。这说明不同恢复措施在短时间内对根系周转无显著影响,但土层对根系寿命有显著影响(尸<0.001),PM和PFM两个处理能够很好的改善植物的生长环境,有利于表层根系的定植和生长,能够延长根系寿命,利于退化盐碱草地植被的恢复。从三年的实验结果我们对重度退化草原恢复有以下主要认识:从植物整体角度看,翻耕能够改善板结的土壤结构,增加土壤孔隙度,降低土壤表层盐分,有利于根系生根;而覆盖能够很好的拦截植物种子,增加种子库种子的数量,增加土壤表层有机质,减少表层土壤水分蒸发,使植被地表覆盖度提高,两种措施的组合利于退化草地的恢复;但假定少量施肥(25 kgNha-1)能够加快草原恢复的论断不成立。多种恢复措施组合也只能改善表层(0-2 cm)土壤的理化性质,降低土壤pH值和盐碱度,对深层土壤作用不明显,这样多年生植物根系的生根和种子库的萌发非常困难,这就是为什么多年生植物没有恢复的重要原因。综上所述,翻耕和覆盖降低了土壤表层(0-2 cm)的盐碱度及pH值,并且增加了土壤有机质,获得了较高的ANPP、BNPP、植物覆盖度及物种密度,因此进行翻耕和平铺覆盖是很好的恢复重度退化盐碱草地一年生植物的方法。对松嫩平原盐碱化草地的恢复和重建既要遵循自然规律,又要考虑技术的可行性和所需要的经济投入。希望我们的研究工作可以为预测整个草原地下生物量在复杂环境因素影响下的变化趋势提供一些实验依据,并且可以指导人们如何改善和减缓松嫩平原盐碱化,延续草地的可持续发展。