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青藏高原高寒草地地上净初级生产力和氮磷计量特征的年际动态及其在畜牧业中的意义

石岳  
【摘要】:陆地生态系统的净初级生产过程是最重要的生态过程。它一方面受到了外界环境因子的控制,同时也受到植物功能属性比如氮磷计量学特征的限制。探究植物群落生产过程和叶片N、P计量特征的格局、影响因素以及它们之间的关系,能够推进我们对生态过程的理解。净初级生产力及氮磷计量学特征的时间动态为我们提供了一个群落生产过程和叶片N、P计量特征的格局、影响因素及二者关系的途径。然而,目前对于分布于极端环境下的高寒草地生态系统的相关研究很少,缺乏比较直接的证据。 本研究通过对青藏高寒草地样带(共40个样地)自2006至2009年连续4年的重复调查,对草地地上净初级生产力及群落水平氮磷计量学特征的年际动态、影响因素及相互关系进行了研究。同时,考虑到青藏地区作为中国最主要的牧区之一,本研究还分析了其牧草质量的格局及影响因素,并进一步估算了其合理载畜量。 本研究结果表明: 1.自2006至2009年,青藏高寒草地平均地上净初级生产力均值变化范围自83.9至125.7g m~(-2),达1.5倍,40个样地的平均时向变异系数为36.6%。通过与其他草地类型的气候波动及生产力变异进行比较后发现青藏高寒草地并未表现出对环境变异更强的敏感性。净初级生产力的空间格局在年际之间保持平行,主要可归结于青藏高原整体气候格局在研究时间段年际间的一致性。气候波动是净初级生产力年际变异的主要驱动力,但同传统观念不同的是,本研究发现降水对青藏草地净初级生产力的年际波动的作用较温度更强,显示净初级生产力可能主要受到水分因素的限制。同时,本研究还直接地显示了高海拔地区中物种丰富度对群落的净初级生产力的稳定作用。 2.自2006至2009年4年中,高寒草地群落水平叶片的N含量平均为24.13mg g~(-1),P含量平均为1.78mg g~(-1),叶片的N:P比平均为14.18。在不同年份间,高寒草地的氮磷计量特征表现出显著的年际动态, N、P含量及N:P的时向变异系数平均分别为13.3%、18.9%及18.6%,并没有形成稳定的计量特征。同时,年际间N含量的空间格局发生变化但P含量的格局保持相对稳定,可能反映青藏高原更加受到P元素的限制。在空间格局上,土壤和气候因子对氮磷计量特征的格局有一定贡献,但气候波动与群落水平叶片氮磷计量特征时向变异并不相关,反映出其并不是直接驱动局域群落氮磷计量特征变化。相对生长速率表现出与N、P含量的正相关,但与N:P呈现负相关,表明生长速率假说在群落水平依然成立。群落水平上叶片的养分利用效率最显著的受到了土壤湿度的正作用,进一步证明了青藏高寒草地受到降水限制这一观点。同时,物种丰富度也与群落水平N的利用效率表现出正相关关系,可能与互补作用和抽样效应有关。 3.总体上讲,青藏高原高寒草地的牧草具有“两高两低”的特征,即高蛋白、高无氮浸出物、低纤维和低脂肪,其中,高寒草甸较高寒草原牧草的营养品质更好。主成分分析显示气候和土壤因子对高寒草地牧草品质的格局形成具有显著作用,其中温度升高会提高牧草的粗纤维含量并降低无氮浸出物含量,而土壤养分的改善则会提高粗蛋白含量而降低粗脂肪和无氮浸出物含量。同时,牧草品质与产草量存在负相关,随着产草量的增加,牧草中粗纤维不断升高而粗脂肪和无氮浸出物下降。最后根据牧草品质和产草量数据,我们建立了从大尺度上评估高寒草地载畜量的经验模型,模型分析显示青藏高原的合理载畜量应保持在0.68个羊单位/hm2,目前青藏高原的实际载畜量为0.79个羊单位/hm2,超出合理载畜量16.7%。


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