控制性增温和施氮对荒漠草原植物群落和土壤的影响

论文摘要

本研究以内蒙古高原短花针茅（Stipa breviflora）+冷蒿（Artemisia frigida）+无芒隐子草（Cleistogenes songorica）的荒漠草原为研究对象,在野外自然条件下进行生态系统控制性增温与施氮肥实验。在模拟全球气候变暖的条件下,研究温度和氮素的增加对荒漠草原植物群落和土壤可能产生的影响,探讨荒漠草原生态系统对全球气候变化的响应机制,为我国全球变化与陆地生态系统关系提供长期的研究平台。实验期间内（2006年6月24日至2007年10月11日）,增温处理样地0cm,7.5cm,15cm,30cm和50cm土壤平均温度与对照样地相比,平均增加了1.32 oC,0.92 oC,0.88 oC,0.80 oC,0.74 oC,土壤温度呈现出上层变异性大于下层的规律,不同土层土壤温度显著增加（P<0.05）。控制性增温和施氮肥对荒漠草原植物群落和土壤都产生了一定的影响,同时,各项测定指标对增温和施氮的响应程度不同。土壤温度的增加虽然使0-30cm土壤湿度有所提高,但变化差异不显著,模拟增温没有改变土壤水分固有的季节变化规律;增温和施氮的互作效应使土壤全氮含量显著高于单一的增温处理和施氮处理以及对照（P<0.05）,增温和施氮的交互作用也使土壤全磷、全钾含量增加,但差异不显著;铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NH3--N）与不同土壤深度的土壤温度均成正相关关系,增温使土壤中铵态氮和硝态氮含量增加,铵态氮含量的变化差异达到显著水平,0-30cm土壤中硝态氮含量在增温和施氮互作效应下的变化差异也达到显著水平（P<0.05）;虽然增温和对照样地不同深度的土壤温度与土壤呼吸速率均呈正相关关系,但无论是季节还是日变化上,增温作用没有增加土壤的呼吸速率,施氮作用也没有使土壤呼吸作用明显加强。荒漠草原土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）的通量变化表现出对CO2和N2O排放,对CH4吸收;CO2、CH4浓度和排放通量具有明显的季节变化规律,而各季节N2O浓度差异不大,一年中N2O排放通量峰值总是波动出现;增温作用对CO2、CH4、N2O浓度和排放通量没有显著的影响;人为施氮肥使各个季节的N2O排放通量均增加,夏季CO2排放通量降低,CH4排放通量没有明显变化。模拟增温使荒漠草原部分植物春季返青提前,植物总物候持续天数延长,增温作用不仅增加了植物营养生长的时间,而且使花期延长;增温和施用氮肥没有明显的改变植物群落组成,建群种、优势种和主要伴生种在群落中的地位和作用也没有因为温度和养分的突变而发生明显的改变;增温使荒漠草原植物群落的均匀度增加,但并没有提高草地植物的丰富度和物种多样性,施肥作用提高了物种Margalef丰富度指数,而Pielou均匀度指数和Shannon-wiener多样性指数降低。对于地上生物量,生长初期,增温促进了植物生长,植物群落地上生物量高于对照,而生长盛期和末期,温度升高并没有使地上生物量增加;从植物功能群上来看,多年生禾草和多年生杂类草组成稳定,受温度影响较小,相对生物量变化不大;半灌木、小半灌木和一、二年生植物的组成和数量都不稳定,地上生物量有较大差异。施用氮肥的效果在植物生长后期才明显的表现出来,施氮样地地上生物量明显提高;增温和施氮作用使地下生物量发生了一定变化,但无显著差异;通过多元逐步回归发现,影响植物群落地上生物量和地下生物量最显著的因子是10-20cm土层的土壤湿度。增温和对照样地的功能群多样性与地上生物量均呈显著的负二次函数关系（P<0.05）,说明,一定范围内的温度增加,虽然使功能群多样性与地上生物量之间的负二次函数关系的拟合性表现的更好,但并不会使它们之间相互关系的形式（即单峰曲线形式）发生显著性的改变。对于地表凋落物和种子雨的变化,两年的增温和施氮并不起主要作用。冷蒿对于温度的增加表现出明显差异,增温作用不仅没有延长冷蒿生长季,反而在2007年的9月上旬增温样地的冷蒿就出现枯黄现象,并且增温样地冷蒿的综合优势比（SDR3）都显著的低于对照,相比其它植物,冷蒿的物候特征和营养生长对温度增加表现的更敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 气候变化
• 1.2 气候变化对植物群落的影响
• 1.3 气候变化对土壤的影响
• 1.4 气候变化与生态系统碳源/汇关系
• 1.5 气候变化对生态系统影响研究中的问题
• 1.6 研究背景
• 1.7 研究的目的与意义
• 2 试验区概况、实验设计和研究方法
• 2.1 试验区概况
• 2.2 实验设计
• 2.3 研究方法
• 3 增温和施氮作用对土壤的影响
• 3.1 土壤温度的变化
• 3.2 土壤湿度的变化
• 3.3 增温和施氮作用与土壤养分
• 3.4 增温和施氮作用与土壤呼吸速率
• 3.5 增温和施氮作用与土壤温室气体排放
• 3.6 讨论
• 3.7 小结
• 4 增温和施氮作用对植物群落的影响
• 4.1 增温作用下主要植物种物候期变化
• 4.2 增温作用下主要植物高度变化
• 4.3 主要植物盖度比较
• 4.4 增温和施氮作用与植物群落组成
• 4.5 增温和施氮作用与生物量
• 4.6 增温和施氮作用与物种多样性
• 4.7 增温影响下植物群落多样性和地上生物量的关系
• 4.8 增温和施氮作用与地表凋落物
• 4.9 增温和施氮作用与种子雨
• 4.10 讨论
• 4.11 小结
• 5 主要结论
• 5.1 土壤特性的变化
• 5.2 土壤呼吸和土壤温室气体排放的变化
• 5.3 植物群落组成和结构的变化
• 5.4 植物群落生物量的变化
• 致谢
• 参考文献
• 附图
• 作者简介