青海湖北岸草地矿物元素分布格局与蓄积分异行为研究

论文摘要

为了了解青海湖北岸草地矿物元素特征及其分布格局，探讨草地矿物元素蓄积分异行为发生的可能机制，明确在过度放牧和围栏封育等人类活动干扰下草地矿物元素蓄积分异行为是其对外界环境变化的一种“应激”响应，揭示草地矿物元素对于草地生态系统演替的敏感性。依据草地类型和海拔高度，分别选择河边滩地（垂穗披碱草型高寒草甸）、那仁车站（芨芨草型温性干草原）、烂泥湾（紫花针茅型高寒山地干草原）和加洋沟山顶（小嵩草草甸）等地的退化草地和封育草地为试验样地，通过草地植被群落调查，植物和土壤样品采集、分析，取得以下主要结论：1)青海湖北岸草地植物中矿物元素的“四个特征，两个格局”矿物元素特征谱特征、垂直带状谱特征、与株高和地上生物量之间负相关特征以及草地植物的指示性特征是草地矿物元素的“四个特征”。具有与地形地貌相一致的空间分布格局，如河边滩地、那仁车站、烂泥湾和加洋沟，海拔由3209m、3216m、3291m、3462m，退化草地植被中B含量逐渐升高，分别为14.24mg/kg、15.48mg/kg、16.25mg/kg、19.84mg/kg（P＜0.05）；封育草地中矿物元素随封育时间的增加而降低的时间分布格局，如那仁车站封育期5年和20年草地植被中Zn分别为77.01mg/kg、55.46mg/kg（P＜0.05）。2)草地植物中矿物元素的蓄积分异行为及其内外动力学机制退化草地植物中矿物元素具有蓄积分异性，如烂泥湾退化、封育草地植被中Cu分别为10.48mg/kg、7.275mg/kg（P＜0.05），退化草地植被中Cu蓄积增加了44.1%。封育草地植物中重金属具有蓄积分异性，如河边滩地退化、封育草地植被中Pb分别为3.915mg/kg、5.125mg/kg（P＜0.05），封育草地植被中Pb蓄积增加了30.9%。为了解释矿物元素蓄积分异行为发生的动力学机制，对生物体内矿物元素营养供给与平衡关系进行了一种假设，当某一矿物元素在其耐性范围内供给相对不足时，生命体处于一种对该矿物元素“饥饿”的状态，为了适应这种矿物元素的“饥饿”状态，生命体及时通过调节矿物元素需求量并适量储备矿物元素于体内，以满足生命活动对于矿物元素的及时所需。即生命体为了适应矿物元素的“饥饿”状态，体内蓄积矿物元素的现象，形象地称为矿物元素的“饥饿效应”。矿物元素“饥饿效应”假说，阐释了退化草地中矿物元素蓄积分异行为发生的内动力这一科学问题；诠释了草地植物中矿物元素与株高之间负相关性、与地形地貌相一致的空间分布格局等现象。矿物元素的“饥饿效应”是草地植物中矿物元素蓄积分异行为发生的内动力之一；而全球气候变化和人类活动干扰则是草地矿物元素蓄积分异行为发生的主要外动力。3)草地生态系统演替进程中矿物元素响应的数学模型退化演替进程中矿物元素蓄积分异行为响应的数学模型：C退（t）=Cb（1-exp（-α t））。封育演替进程中矿物元素蓄积分异行为响应的数学模型：C封（t）=Cbexp（-β t）。4)作物种植试验和高原富铁营养抗缺氧作用大坂山、拉脊山地区作物种植试验和西宁盆栽试验，较好地阐释并肯定了青海湖北岸草地植物中矿物元素具有与地形地貌相一致的空间分布格局，以及垂直带状谱特征等结论。同时，对于草地矿物元素的“饥饿效应”假说理论的检验与完善提供了部分试验依据。青海湖北岸草地植物以及大坂山、拉脊山地区种植青稞和胡萝卜中矿物元素铁的空间分布格局，提示：高原植物中铁元素具有抗高原缺氧作用。如大坂山2009年海拔2817m、2920m、3562m、3574m处种植青稞中Fe含量分别为93.60mg/kg、609.9mg/kg、799.1mg/kg、1360mg/kg（P＜0.05）。高海拔缺氧环境下植物因呼吸作用的增强，驱使其铁营养的“饥饿”状态而蓄积分异，即高原植物中富铁营养具有抗高原缺氧的作用。5)青海湖北岸人工草地中矿物元素特征青海湖北岸人工草地植物与天然草地一样，其中矿物元素具有特征谱的特征和随着海拔高度的增加而增加的空间分布格局。如铁路边坡、三角城羊场、县城西的海拔分别为3216m、3220m、3287m，各样地垂穗披碱草中Zn分别为30.07mg/kg、37.96mg/kg、42.01mg/kg（P＜0.05）。青海湖北岸人工草地相对于天然草地植物中矿物元素含量为低。按照矿物元素“饥饿效应”假说理论，天然草地植物中矿物元素的“饥饿效应”驱动了其中矿物元素的蓄积分异。6)矿物元素循环及其在草地畜牧业生产实践中指导作用草地土壤中矿物元素在生物地球化学循环作用下，形成了青海湖北岸草地植物中矿物元素的垂直带状谱特征，以及与地形地貌相一致的空间分布格局。经过草地植物—草地畜牧业生产等一系列食物链传递，又将部分矿物元素传递给我们人类，即矿物元素通过生物地球化学循环，不仅稳定地维持着草地生态系统的平衡与健康，而且对于草地畜牧业可持续发展和畜牧业产品的品质有着重要影响。利用草地矿物元素的各种特征和时空分布格局，可进行草地类型的划分，建立草地演替进程中矿物元素响应的数学模型等。在草业生产实践中，对于草地植物生长与矿物元素营养的补充供给的监测、管理具有指导作用，实现优质、高产的草业资源以满足草地畜牧业生产与可持续发展的需求。按照草地矿物元素“饥饿效应”假说，在草业生产中应注意草地植物中矿物元素营养的“饥饿效应”现象，避免矿物元素营养因“饥饿”状态的蓄积分异行为而造成的假象，以正确、有效、科学地补给草地植物必需的矿物元素营养。

论文目录

• 中文摘要
• Summary
• 引言
• 第1章 文献综述
• 1.1 青海湖北岸草地是重要的畜牧业基地
• 1.2 青海湖流域草地生态系统的重要性
• 1.3 草地生态系统中矿物元素营养与循环
• 1.4 青海湖流域草地生态系统研究现状
• 1.5 植物矿物元素营养研究现状
• 1.6 矿物元素铁的营养与药用基础研究
• 1.7 青海湖地区草地植物矿物元素研究
• 1.8 科学问题
• 1.9 目的意义
• 第2章 研究内容与方法
• 2.1 自然概况
• 2.2 研究内容与方法
• 2.3 研究目标
• 2.4 拟解决的关键问题
• 2.5 技术路线
• 第3章 青海湖北岸草地矿物元素特征
• 3.1 问题的提出
• 3.2 材料与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 天然草地植物中矿物元素特征
• 3.3.2 退化与封育草地中矿物元素特征
• 3.4 结论
• 第4章 青海湖北岸草地矿物元素分布格局
• 4.1 问题的提出
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 草地矿物元素的空间分布格局
• 4.3.2 草地矿物元素的时间分布格局
• 4.4 结论
• 第5章 青海湖北岸草地矿物元素蓄积分异行为
• 5.1 问题的提出
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 退化草地中矿物元素的蓄积分异行为
• 5.3.2 封育草地中重金属元素的蓄积分异行为
• 5.4 结论
• 第6章 草地矿物元素蓄积分异行为的内外动力与数学模型
• 6.1 问题的提出
• 6.2 草地矿物元素“饥饿效应”假说
• 6.3 矿物元素蓄积分异行为的内动力
• 6.3.1 对矿物元素与株高之间负相关的解释
• 6.3.2 对矿物元素空间分布格局的解释
• 6.3.3 对草地演替进程中矿物元素响应的解释
• 6.4 矿物元素蓄积分异行为的外动力
• 6.4.1 全球气候变化下草地矿物元素的蓄积分异行为
• 6.4.2 人类活动干扰下草地矿物元素的蓄积分异行为
• 6.5 矿物元素蓄积分异行为的数学模型
• 6.5.1 含 LC 储能元件电子线路的过渡过程
• 6.5.2 退化演替进程中矿物元素蓄积分异行为的数学模型
• 6.5.3 封育演替进程中矿物元素蓄积分异行为的数学模型
• 6.6 结论
• 第7章 草地矿物元素空间分布格局的种植试验与检验
• 7.1 问题的提出
• 7.2 材料与方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 大坂山地区作物种植试验
• 7.3.2 拉脊山地区作物种植试验
• 7.3.3 西宁地区作物盆栽试验
• 7.3.4 作物种植试验中铁的分布特征
• 7.4 结论
• 第8章 青海湖北岸人工草地中矿物元素特征
• 8.1 问题的提出
• 8.2 材料与方法
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 人工草地植物的矿物元素特征谱
• 8.3.2 人工草地中矿物元素分布格局
• 8.3.3 人工草地与天然草地中矿物元素的比较
• 8.4 结论
• 第9章 结论与展望
• 9.1 矿物元素的生物地球化学循环
• 9.1.1 草—地之间矿物元素的生物地球化学循环
• 9.1.2 草—畜之间矿物元素的生物地球化学循环
• 9.2 生产实践中指导作用
• 9.2.1 在草业生产实践中指导作用
• 9.2.2 在畜牧业生产中指导作用
• 9.2.3 在草地生态系统保护中指导作用
• 9.3 主要结论
• 9.4 研究展望
• 参考文献
• 读博期间发表论文和参与课题
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介