土壤种子库在青藏高原高寒草地生态系统恢复中的作用机理研究

【摘要】：气候变化和人类活动已经对全球不同生态系统产生严重影响。青藏高原高寒生态系统具有较强的脆弱性,这些影响导致青藏高原高寒草地生态系统面临不同程度的退化问题。有关其生态系统弹性和退化生态系统恢复的机制研究是重要的科学问题。土壤种子库是生态系统弹性的重要组成部分和维持群落物种多样性的“储蓄池”,能够在地上植物群落受到干扰后对植物群落进行幼苗补充。因此,土壤种子库通常被认为是退化生态系统恢复的重要资源。然而,到目前为止关于土壤种子库在退化生态系统恢复中的作用机理仍然不清楚,尤其在理论层面,几乎没有研究涉及土壤种子库在生态系统多稳态模型、生态系统弹性(恢复力和抵抗力),以及生态系统预警系统中的作用。我们对整个青藏高原高寒草地生态系统(包括高寒荒漠,高寒草原和高寒草甸三种草地生态系统类型)和灌木生态系统进行了大尺度调查,以及对青藏高原东部的高寒沼泽湿地生态系统退化序列进行调查。我们收集了每个生态系统的不同组分数据,包括:空间(海拔,经、纬度),气候(年平均降雨和温度)、植物群落(物种组成和结构)、土壤环境因子,土壤种子库(物种多样性和种子密度)以及高寒沼泽湿地的小型脊椎动物(鸟类多度和物种丰富度,啮齿类动物密度)。本论文主要通过探究青藏高原高寒沼泽湿地生态系统退化过程中的土壤种子库动态,及其在退化湿地生态系统恢复中作用机制,青藏高原高寒生态系统(高寒草甸/高寒草原,干旱草原/灌木生态系统)的状态转换机制,土壤种子库在生态系统预警中的作用,以及土壤种子库在生态系统状态转化和恢复中的作用机理,进而阐述土壤种子库在青藏高原高寒草地生态系统恢复中的作用机理,以期为青藏高原典型、脆弱的高寒生态系统的保护和恢复提供理论依据和科技支撑。我们的研究发现:1.在青藏高原高寒沼泽生态系统退化过程中,小型脊椎动物(鸟类、啮齿类动物)对土壤种子库的物种组成变化的解释度最高,其中鸟类多样性对其影响最大;土壤环境因子对土壤种子库物种多样性的解释度最高,其中土壤水分对其的影响最大。结果表明:高寒沼泽湿地生态系统退化过程中,土壤种子库的物种多样性和物种组成的调节机制不同,鸟类对退化高寒沼泽湿地的物种多样性维持有重要作用(土壤种子库是群落物种多样性的潜在提供者),在退化高寒沼泽湿地的管理和恢复工作中要更加注重鸟类多样性的保护。2.通过对青藏高原89个高寒草原、高寒草甸植物生态系统的分析发现,影响地上植物群落总盖度的主要环境因子是年平均降雨(MAP);植物群落总盖度,不同功能群(禾草,莎草和杂草)的盖度均显示出明显的双峰分布。通过植物群落总盖度的分析发现,生态系统在降雨梯度上呈现由1个稳定状态—2个稳定状态—1个稳定状态的转换。通过对不同功能群盖度分析发现,在阈值附近相较于远离阈值区域的地方,盖度在空间上的变异性明显增加;地上植物群落和土壤种子库在两个稳定状态间的物种组成差异显著,且地上植物群落和土壤种子库的物种组成显著相关。结果表明:青藏高原高寒草地生态系统在不同层面均存在两个稳定的状态,且两个稳定状态都被一个不稳定状态隔开,与系统随机动力学的预测一致。随着降雨的变化,在高寒草地生态系统稳态状态转换过程是不连续的,突变的,且地上植物群落和土壤种子库的物种组成均发生了显著的变化,土壤种子库的物种组成变化可能进一步影响地上植物群落的物种组成变化,从而促进生态系统的状态转换。3.在对柴达木盆地29个干旱草原、干旱灌木生态系统的分析发现,由于土壤水分的逐渐降低,干旱草原逐渐向干旱灌木转换,在这个过程中地上植物群落物种组成在连续的土壤水分梯度上出现拐点,且发生突然的改变,而土壤种子库的物种组成在水分梯度上保持不变。此外,令人惊奇的是,地上植物群落和土壤种子库的物种组成相似性在土壤水分梯度上也出现阈值,且此阈值与干旱草原—干旱灌丛转换的阈值区域完全重合。结果表明:导致干旱草原—干旱灌木生态系统状态转换的原因是由于干旱(土壤含水量的下降)。土壤种子库物种组成在生态系统状态转换前后都没有发生变化,但土壤种子库对地上植物群落的恢复/更新因为水分缺乏被抑制,而非之前认为的土壤种子库的物种组成被改变;地上植物群落和土壤种子库间的物种组成相似性能够作为上述生态系统状态转换的早期预警信号,我们的研究结果可为干旱生态系统的恢复和管理提供理论支持。