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适应性利用方式对内蒙古典型草原地上净初级生产力及土壤氮矿化影响的研究认领

被引量： 10

作者：

许宏斌

学位授予单位：

内蒙古大学

摘要：

长期不合理利用导致的草原退化是近几十年以来内蒙古典型草原突出的生态学问题,采取不同适应性利用方式科学合理地利用草地资源既是草牧业发展的需求,也是草地生态学研究的重要热点。因此,研究草地地上净初级生产力及土壤氮矿化对不同适应性利用方式的响应对内蒙古典型草原植物群落多样性的保护及草地资源的合理利用和可持续发展具有重要意义。本研究依托典型草原教育部野外观测研究站,以内蒙古典型草原区羊草(Leymus chinensis)草原群落为研究对象,自2012年开始,设计围封(对照),适应性刈割(每年8月刈割一次,留茬高度6 cm),适应性放牧(5～9月每月一次放牧,牧后留茬高度6 cm)二种不同处理,每个处理重复3次。通过9年的长期草地适应性利用实验,观测在不同适应性利用方式下,草地植物群落地上净初级生产力、植物群落密度及组成结构、物种多样性、土壤理化性质、土壤氮矿化速率、土壤微生物及氮素转化功能基因丰度等指标变化,探讨不同适应性利用方式对植物群落生产力及土壤氮矿化速率的影响,进而揭示典型草原生态系统中植物多样性、微生物多样性及土壤理化因子在适应性利用方式对群落地上净初级生产力影响过程的调控作用。主要研究结论如下:(1)放牧显著增加了植物群落密度,刈割与对照之间差异不显著。功能群水平:刈割和放牧均显著降低了植物群落中根茎型禾草密度,显著增加了群落中丛生型禾草和一、二年生植物密度,放牧的影响高于刈割。优势种水平:刈割和放牧均显著降低了羊草种群密度,放牧显著低于刈割。刈割和放牧均显著增加了群落中克氏针茅(Stipa krylovii)种群密度,且刈割显著高于放牧。适应性放牧显著增加了糙隐子草(Cleistogewes squarrosa)种群密度,刈割下略有增加但与对照差异不显著。(2)刈割和放牧对群落物种丰富度没有显著影响,但明显改变了植物群落物种均匀度,导致群落物种多样性在刈割和放牧下均呈显著增加,刈割的增加效应较放牧具有一定滞后性,但刈割略高于放牧,两种方式之间没有显著差异。(3)适应性利用方式促进了植物的补偿性生长,刈割和放牧均增加了植物群落地上净初级生产力,且放牧的增加效果较刈割更加明显。利用初期(2012～2014年),植物群落经济产量在刈割方式下高于放牧,随着利用时间的增加,植物群落经济产量在放牧方式下显著高于刈割。植物群落地上净初级生产力与群落多样性具有极显著的负二次函数相关关系,呈单峰格局模型(R2=0.1832,y=-2E-05x2+0.0072x+0.8427),植物群落物种多样性和丰富度在中等生产力水平最高。(4)放牧显著增加了浅层0～10cm的土壤温度,降低了土壤的含水量,土壤出现暖干化现象。刈割也增加了土壤的干燥程度,但幅度小于放牧。土壤速效养分含量年际间波动较大,适应性刈割和放牧均显著降低了土壤速效氮的含量,且放牧引起的降低幅度高于刈割。(5)土壤氮矿化速率由硝化速率主导。降水量对土壤氮矿化速率具有重要影响。在降水平稳时期内,放牧显著增加了土壤硝化速率,从而增加了土壤氮矿化速率,刈割对土壤氮矿化速率的影响不显著。在降水异常时期内(降水量多),适应性放牧和刈割均显著降低了土壤氮矿化速率,且刈割的下降幅度高于放牧。土壤容重和土壤温度与土壤氮矿化速率具有显著正相关关系,而土壤含水量、土壤硝态氮及速效氮含量与土壤氮矿化速率具有显著负相关关系。氮素转化过程的功能基因总丰度在刈割和放牧方式下均呈增加趋势,增加幅度分别为18.7%和30.2%。刈割显著增加了ureC、gdh、narG、nasA功能基因丰度,放牧显著增加了 amoB、nirK、nrfA功能基因丰度。功能基因丰度变化较土壤理化因子对不同利用方式下氮素矿化响应的解释率更高。(6)适应性刈割和放牧均增加了土壤微生物群落丰富度,刈割相对放牧对土壤微生物群落结构组成的影响较小。适应性放牧促进了土壤中嗜热性微生物的生长繁殖,抑制了土壤中嗜酸性微生物的繁殖。土壤温度和土壤硝态氮含量是影响研究区域内土壤微生物群落组成的主要因子。(7)植物多样性与微生物多样性之间具有显著正相关关系,二者之间互作效应是土壤微生物多样性及植物群落多样性变化重要的驱动因素。土壤微生物丰富度与植物群落地上净初级生产力具有极显著正相关关系。群落地上净初级生产力与土壤氮矿化速率存在极显著正向线性相关关系(R2=0.64,y=0.0616x-5.9912)。适应性刈割和放牧对植物群落地上净初级生产力具有显著正效应,且放牧的正效应高于刈割,植物多样性和土壤理化因子是调控不同利用方式影响群落地上净初级生产力过程的关键因素,土壤理化因子较植物多样性对群落地上生产力的解释度更高,并且土壤温度和土壤硝态氮含量是土壤理化因子中主导群落地上净初级生产力变化过程的主要因子。本研究发现,适应性刈割和放牧有利于典型草原植物群落地上净初级生产力和群落物种多样性的提高,土壤理化因子与群落地上净初级生产力和群落多样性具有密切的关系,并且在群落地上净初级生产力对不同利用方式的响应机制中,起到关键的调控作用。适应性放牧较刈割可以起到增加植物及微生物多样性,促进土壤内物质循环过程,提高土壤氮矿化速率及增加草地净初级生产力的作用,可作为草地保护及持续利用的重要管理措施。

摘要译文

关键词：

典型草原; 适应性利用; 群落地上净初级生产力; 土壤氮矿化; 微生物多样性; 功能基因

学位年度：

2021

学位类型：

博士

学科专业：

生态学

导师：

宝音陶格涛

中图分类号：

S812[草地学、草原学]

学科分类号：

0905[畜牧学];090901[草原学]

D O I：

10.27224/d.cnki.gnmdu.2021.001807