放牧对半干旱草原生态系统生产力和碳通量的影响

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温带草原是重要的陆地生态系统类型,随着畜牧业发展,草原不断受到人类活动干扰,草原退化已成为十分突出的问题。在半干旱温带草原中,放牧活动对草原生态系统碳循环过程的影响极大,过度放牧成为人类最严重的干扰之一,这造成草原生产力下降,生态系统固碳潜力受限。目前草原生态系统的碳周转过程对过牧的响应机制还有待深入研究。  本研究试验地位于内蒙古西乌珠穆沁旗,选择了长期围封和自由放牧两个样地,对比研究放牧对温带半干旱草原生产力和碳交换主要过程的影响。从2013年-2016年生长季,采用连续自动系统监测土壤呼吸,温度和水分,测定土壤理化性质和养分状况,同时监测植物生产力和生态系统碳通量,分析放牧干扰对草原生态系统碳周转过程的影响,揭示土壤呼吸及其组分对环境因子的响应机制。取得如下主要结果:  1.放牧导致土壤容重增加,田间持水量降低。在放牧条件下,土壤有机碳,土壤全氮,pH值,有效磷,无机氮,以及土壤可溶性有机碳氮,微生物碳氮含量均出现了明显下降,这使得草原生态系统的养分循环和周转速率下降。  2.放牧显著降低草原的地上净初级生产力、地下净初级生产力、地下生物量和植物盖度。碳通量各组分(生态系统碳交换,生态系统呼吸,总生态系统光合)都也显著降低。  3.放牧显著增高了土壤温度,降低土壤含水量,降低了土壤呼吸及其组分的碳释放速率。围封和放牧样地生长季土壤呼吸年均释放量分别为388.7g C m-2和242.9g Cm-2,SRh占SRtot的比例分别为55.1%和51.2%。自养呼吸和异养呼吸的响应在年季尺度上有明显波动,其中SRh和SRa分别与土壤水分和植物生长有关;且SRh的组分比例随水分升高而增大,随温度和盖度降低而减少。  4.基于近60年的降水数据分析,本区域年降水量呈现逐渐降低的趋势,小降水事件(<40mm)趋于稳定无明显变化,大降水事件(>40mm)有显著上升趋势。半干旱草原土壤呼吸对降水事件具有明显脉冲式响应过程,围封样地降水脉冲作用引起的年均碳释放量为151.6gC m-2,占生长季总释放量的38.7%;放牧样地降水脉冲作用引发年均碳释放量106.8g C m-2,占生长季总释放量的44.8%。降水事件大小与土壤碳释放量有明显指数相关关系,降水<10mm时,放牧土壤呼吸的脉冲效应敏感性高于围封土壤呼吸,响应更为迅速,但其脉冲效应在降水>10mm后就逐渐趋近于饱和;围封土壤呼吸脉冲效应在降水>16mm后逐渐趋于稳定,但仍有增长的潜力。放牧样地SRh对脉冲响应的敏感性要高于SRa,前者在更小的降水事件,更短的时间内便达到饱和状态。土壤呼吸脉冲响应主要由降水事件大小,雨前土壤干湿状况所决定,此外植物生长状况,土壤温度也是影响土壤呼吸脉冲响应的重要因素。未来本区域的大降水事件的增加不会促进放牧草原土壤C释放,但有可能会加速围封草原的碳释放过程。
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