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天然草地生态系统的服务功能之一是固碳作用。草地是中国陆地生态系统潜在的碳汇,但因其分布广泛、类型多样,生物量测定复杂,以及人类活动的干扰,草地有机碳储量的估算存在不确定性。准确估算天然草地生态系统固碳现状,研究有机碳空间分布及其影响机制是预测草地碳汇能力的基础。本文以地处青藏高原、黄土高原、蒙古高原交汇地的甘肃省为典型研究区域,基于高密度野外调查,估算草地土壤及植物有机碳密度和储量;运用地统计分析、相关分析、主成分分析、多元线性回归分析等研究土壤及植物有机碳密度空间分布规律及其影响因素;通过对禁牧管理实施草地固碳速率、根系周转速率及碳交换速率等碳循环过程的定位研究,本文主要取得了以下研究结果:(1)揭示了天然草地生态系统土壤有机碳含量及密度空间分布特征,明确了土壤有机碳空间分布影响因素。研究区不同类型草地土壤有机碳密度(0-100 cm)存在显著差异(P<0.05),温性荒漠类草地(2.23 kg m-2)最低,高寒草原类草地(20.16kg m-2)最高。空间上土壤有机碳含量及密度与湿润度指数分布规律一致。研究区草地土壤有机碳含量随深度增加而降低(P<0.05),0-5、5-10、10-20、20-30、30-50、50-70和70-100 cm土壤有机碳含量分别为19.80、16.70、14.55、12.26、9.98、7.70和5.83 g kg-1。采用相关分析、主成分分析、最小数据组确定、逐步回归分析方法确定地下生物量、土壤含水量、海拔及群落密度为土壤有机碳含量及密度空间分布的主要影响因素。(2)揭示了天草地生态系统植物有机碳密度空间分布特征,明确了植物有机碳空间分布影响因素。不同类型草地植物有机碳密度存在显著差异(P<0.05),植物有机碳密度沼泽类草地(1162.57 g m-2)最高,高寒草原类草地(1104.06 g m-2)次之,温性荒漠类草地(161.81 g m-2)最低。研究区根系(0-100 cm)有机碳密度是地上植物有机碳密度的10.25倍,根系是土壤有机物质主要来源。草地根系生物量随深度增加而降低,根系生物量的84.98%集中在0-30 cm表层土壤。湿润度、土壤有机碳含量、禾类草功能群比例及物种数是影响植物生物量及有机碳密度空间分布的主要因素。(3)估算了研究区草地生态系统碳储量。研究区植物及土壤总有机碳储量为1792.66 Tg C,其中植物、土壤有机碳储量分别为97.30、1695.36 Tg C;植物、土壤有机碳储量所占比例分别为5.43%和94.57%。地上活体、根系、凋落物有机碳储量分别为6.99、89.35、1.37 Tg C,是植物有机碳储量的7.18%、91.83%和1.41%。研究区有机碳集中在土壤,而植物有机碳集中在根系;土壤有机碳密度与地下根系有机碳密度显著正相关。(4)明确了草地禁牧固碳机制。通过对禁牧管理措施下草地固碳研究,得出禁牧通过提高生物量、禾类草功能群比例,降低土壤pH、杂类草功能群比例,提高有机碳密度。禁牧草地根系生物量、土壤有机碳密度的增加量集中在表层20 cm土壤。草地禁牧土壤呼吸、生态系统呼吸和净生态系统交换速率分别提高了0.36、0.65和0.10 g C m-2 d-1。与放牧草地相比,禁牧草地0-20 cm及0-100 cm土壤固碳速率分别为22.5 g m-2 a-1和45.0 g m-2 a-1。综上所述,研究区土壤有机碳含量及密度与湿润度指数分布一致;影响土壤有机碳空间分布的主要因素为地下生物量、土壤含水量及群落密度,影响植物有机碳空间分布的主要因素为湿润度、土壤有机碳含量、物种数、禾类草功能群比例和气温;草地禁牧促进了草地固碳,提高了草地生态系统碳交换速率,改变了不同深度根系周转速率。研究结果可为评价草地有机碳库在全国碳库的作用提供数据支持,为我国草地固碳的战略制定与草地管理措施选择提供科学依据。