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随着青藏高原气候变暖进程及放牧压力与开垦面积的逐年加大,青藏高原的特殊性及其全球变化的重要性日益突出。因此,研究未来增温条件下放牧对高寒草甸生态系统碳平衡的影响、以及如何通过适应性管理措施提高其碳汇潜力等都具有重要的科学意义。该研究在国际上首次利用自由空气增温和自然放牧可控实验平台(共4种处理:不增温不放牧、不增温放牧、增温不放牧和增温放牧)、不同放牧季节实验平台(不放牧、夏季放牧和冬季放牧)以及多因子人工草地管理方式实验平台(天然高寒草甸、一年生和多年生人工草地及其不同施肥和耕作措施等处理),在2008年和2009年进行了生态系统净碳交换的监测和研究。研究结果表明:
1、增温和放牧对土壤温、湿度的影响。无论是干旱年份(2008)还是丰水年份(2009),2年生长季期间增温分别平均增加了0、5、10、20和40cm土壤温度2.28、2.62、2.31、1.83和1.26℃,以及2.94、3.25、2.99、2.55、1.65℃;而适度放牧也显著增加了相应土壤层次温度2.63、1.16、1.15、0.93和0.97℃,以及3.04、1.31、1.29、1.04和0.90℃。增温对土壤湿度的影响显著(p=0.014),而放牧作用对土壤湿度的影响不显著(p=0.223)。土壤湿度的年际变化和月变化以及不同土壤深度的变化都极显著(p＜0.001)。
2、增温和放牧对植物净初级生产力的影响。尽管放牧降低了地上现存量,但无论是否放牧,增温都显著提高了地上净初级生产力(ANPP),但放牧降低了ANPP对增温的反应,丰水年份ANPP对增温的响应更敏感。只有增温不放牧处理显著增加了0-10cm地下生物量,其他3个处理间地下生物量差异不显著。
3、增温和放牧对凋落物和粪便分解的影响。增温和放牧显著增加了凋落物和粪便分解速率,但粪便分解速率的温度敏感性显著高于凋落物分解的温度敏感性。由于放牧减少了凋落物而增加了粪便生产量,因此,未来气候增温条件下放牧将会加快物质循环速率。
4、增温和放牧对土壤可溶性有机碳(DOC)的影响。2006和2007年,在土壤温度增加了1.3-1.4℃的基础上,增温不放牧(WNG)处理比不增温不放牧(NWNG)处理明显增加了40cm土壤深度土壤水溶液DOC浓度14.1％和17.2%。然而,增温放牧(WG)处理,不增温放牧(NOW)处理和不增温不放牧(NWNG)处理之间没有显著差异,说明适度放牧调整了增温对土壤溶液中DOC浓度的影响。
5、增温和放牧对高寒草甸生态系统净碳交换特征的影响。总体上,整个生长季内增温对总初级生产力的影响不显著,但放牧显著降低了总初级生产力(GPP),增温放牧对总生态系统初级生产力影响没有交互作用:2008和2009年,不增温条件下放牧对GPP没有显著影响,而增温条件下放牧显著降低了GPP,说明增温改变了GPP对放牧的响应方式。2009年各处理下GPP都比2008年的高。
增温显著增加了生态系统呼吸,但放牧对生态系统呼吸的影响不显著,增温和放牧对生态系统呼吸影响没有显著的交互作用,生态系统呼吸的年际变化、月变化都极显著。2008年不增温不放牧处理生态系统呼吸显著低于不增温放牧处理,而2009年二者之间差异不显著。每种处理生态系统呼吸值都是2009年大于2008年,表明在湿润年份增温作用显著地促进了生态系统呼吸。
总体而言,增温和放牧对高寒草甸生态系统净碳交换能力(NEE)的影响因年度而异,如干旱年份(2008年),无论是否放牧,增温对NEE的影响不显著,但在增温和不增温条件下放牧都显著降低了NEE;然而在湿润年份(2009年),增温和放牧均显著降低了NEE,但增温与放牧对NEE的影响不存在显著的交互作用。
土壤温度和土壤湿度均与生态系统净碳交换、生态系统呼吸(Reco)之间存在显著相关关系。地上现存生物量与NEE、Reco和GPP均显著相关。增温和放牧都降低了生态系统呼吸的温度敏感性,而增温和放牧的互作效应却增加了生态系统呼吸的温度敏感性(如增温放牧处理的Q10高于不增温放牧和增温不放牧处理的Q10值)。
6、不同放牧季节对植物总初级生产力和NEE的影响。不同放牧季节对地上净初级生产力的影响不显著,各处理2009年地上净初级生产力显著高于2008年地上净初级生产力。2008年0-10cm深度地下生物量冬季放牧处理显著高于其他2种处理,10-20cm、20-40cm深度下不放牧处理显著高于冬季放牧处理,冬季放牧处理使根系向土壤表层富集。整个牛长季牛态系统呼吸2008年和2009年各处理之间差异都不显著,2009年生态系统呼吸各处理都比2008年高;总初级牛产力3种处理之间差异不显著,2009年各处理均比2008年高。2008年整个生长季夏季放牧处理的NEE显著低于其他2种处理,但2009年各处理间差异不显著。2009年各处理碳汇能力都显著高于2008年。
7、土地利用方式和管理措施对NEE的影响。在2009年丰水年,草地开垦种植人工草地后对碳汇能力没有显著影响,天然草地、恢复草地、一年生燕麦和2龄多年生披碱草之间碳汇能力差异不显著。不同管理措施如施肥与不施肥处理比较,施厩肥与施氮肥比较,耕作处理与免耕比较,碳汇能力没有显著差异。