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增温增雨对藏北小嵩草草甸生态系统碳交换的影响

干珠扎布  
【摘要】:近年来,气候因子改变引起的区域性和全球性气候变化对陆地生态系统带来极大的冲击,对生态系统组成、产量、功能组织均有不同程度的影响。草地生态系统作为最重要、分布最广的陆地生态系统类型,在陆地碳循环中发挥着重要的作用。藏北地区草地面积巨大,具有海拔高、温度低、自然条件严酷的特点,是气候变化高敏感区域。小嵩草草甸生态系统是藏北地区主要的草地类型之一,相关研究数据显示该区域气候将在未来一段时间内呈暖湿化趋势,这必将对藏北小嵩草草甸生态系统结构和功能产生重大的影响。研究增温增雨对藏北小嵩草草甸生态系统碳交换的影响有助于确定在未来气候变化条件下草地生态系统碳储存能力,并明确气候变化对草地生态系统生产力、生物多样性的影响,有助于全方位监测草地生态系统对气候变化的响应机理。 本文以藏北地区小嵩草草甸草原为研究对象,利用开顶箱(Open top chamber, OTC)对草地进行被动增温,并结合生长季增加降雨措施模拟区域性气候变化对该地区的影响。试验包括四个处理,分别为对照(CK)、增温(Warming, W)、限制性增温(通过风扇控制OTC增温过高, LimitedWarming, LW)和限制性增温+增雨(添加20%的自然降雨, Limited Warming and PrecipitationEnhancement, LWP)。测定了增温增雨条件下小嵩草草甸土壤温湿度(-5cm、-15cm、-30cm)、空气温度(20cm)、草地生物量、生物多样性;系统的测定了小嵩草草甸碳交换各组分,包括生态系统净交换(Net ecosystem exchange, NEE)、生态系统呼吸(Ecosystem respiration, ER)、土壤呼吸(Soil respiration, SR)、蒸腾速率(Ecosystem evapotranspiration, ET)以及水分利用效率(Wateruse efficiency, WUE),分析了增温增雨条件下生态系统碳交换以及生产力和生物多样性的变化。主要结论如下: (1)生长季内,W处理5cm土壤温度增加1.02℃;W、LW和LWP平均气温分别增加1.91、1.53和1.37℃。LW和LWP处理以及W处理15cm以下土壤温度无显著变化。土壤湿度方面,OTC中5cm的土壤湿度降低,其中只有W处理达到显著性,OTC对15cm以下的土壤湿度无影响。 (2) OTC内物种地上生物量显著升高,W、LW和LWP处理生物量分别达到72.08、97.50和75.78g/m~2,显著高于对照处理(54.38g/m~2)。OTC中群落高度和盖度均有不同程度的提高,其中高度增加更为明显,W、LW和LWP处理群落高度分别增加78.3%、100.0%。和56.5%。物种重要值方面,禾本科植物早熟禾重要值在增温条件下显著升高,其他物种变化并不明显,可以认为早熟禾对增温的敏感性最高。增温条件下草地物种Shannon-Weiner多样性指数呈现增加的趋势,Simpson多样性指数和E.Pielou均匀度指数无显著变化。 (3)增温增雨对小嵩草草甸生态系统碳交换具有较强的促进作用。OTC内各处理GEP和ER均呈现出不同程度的升高,但GEP的升高幅度更大,因此小嵩草草甸NEE在增温条件下也得到了明显的促进。由于温度增加,小嵩草草甸生态系统蒸腾作用明显加强,这也导致了OTC内WUE明显降低,尤其在生长季初期的W和LW处理中较为明显。 (4)环境温湿度对生态系统碳交换包括NEE、GEP、ER影响显著,除了GEP与土壤温度,ER与土壤湿度无关外,其他指标均与土壤温湿度存在显著相关性,温湿度升高对碳交换具有促进作用。禾本科和莎草科植物生物量与各指标间也存在相关性,尤其是GEP与NEE,达到极显著水平(P 0.001),因此认为增温导致的光合产物增加量大多分配到了禾本科和莎草科植物中。 (5)增温增雨促进土壤呼吸增强,并且其相对增加幅度大于ER,使得SR在ER中的比例显著提高,生长季平均值最高达到51%,高于CK(36%)。与ER不同,SR与土壤水分密切相关,其温度敏感性低于ER。增温条件下ER和SR的土壤温度敏感性均呈现升高趋势。 (6)增温增雨条件下,生物量和生物多样性与气温之间存在线性相关,与土壤温湿度并无显著相关。生物量和生物多样性之间关系较为复杂,不同测度之间结果有所不同,物种多样性指数与生物量间的关系为单峰型,而均匀度指数的关系为U型。也从另一方面说明了禾本科和莎草科植物在小嵩草草甸生态系统中的主导地位在增温条件下进一步得到巩固。 增温增雨对藏北小嵩草草甸生态系统禾本科和莎草科植物的生长具有明显的促进作用。增温增雨条件下光合作用和呼吸作用增加的同时生态系统净吸收也显著升高,有助于小嵩草草甸生态系统碳储存,提高生态系统固碳能力。


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