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降水与放牧是世界草地调控的两个关键的因子。全球变化的背景下,高纬度地区的降水量增加,单次极端强降水事件的频次增加。放牧是草原的主要人为干扰因子,放牧引起世界草地出现不同程度的退化。去除放牧是目前主要采用的草原管理方式。内蒙古草原是我国北方面积最大,最具代表性的温带草原,不仅是我国北方最大的畜牧业生产基地,而且对于维持全球和区域的生态系统平衡和保护人类的生存环境起着极其重要的绿色生态屏障作用。通过盆栽实验,以内蒙古草原的两个优势物种羊草(Leymus chinensis)和大针茅(Stipa grandis)为研究对象,探讨草原优势种对降水格局的响应及可能的内在机理,希望对于预测全球变化下草地生态系统的变化趋势及草地管理具有重要的指导意义。通过在不同放牧强度下,研究不同生态系统水平对去除放牧时间的响应规律,探讨草地恢复的动态规律,为草地可持续的利用提供理论。
增加降水量,使得土壤含水量增高,土壤温度降低,土壤水分挥发减少,延长了植物对利用土壤水分的时间,促进植物对氮素的吸收,土壤铵态氮含量和硝态氮含量降低;土壤中的碳素与氮素含量增加,而磷的含量降低。同时,降水量的增加,增加羊草在短的时间间隔下(3天)的光合速率,但是羊草幼苗的水分利用效率降低,大针茅幼苗光合速率随降水量的增加而增加,而成熟大针茅光合速率不受降水量的影响。降水量的增加显著增加两个年龄的羊草和大针茅的生物量,以及羊草向根部分配的比例,但是降低大针茅向地下分配的比例。
延长降水事件间隔,增加了单次降水事件的降水量,土壤平均含水量增加,土壤温度降低,土壤表层的铵态氮含量和硝态氮含量增加;土壤中的碳含量增加,生长多年的两个物种土壤氮素含量降低,而幼苗土壤的氮素含量增加,磷含量降低。降水事件间时间隔延长,羊草幼苗光合速率增加,水分利用效率降低,比叶面积和叶片含氮量增加,成熟羊草则变化不大;但是降低了大针茅的光合速率和叶片含氮量。降水事件间间时间隔延长,两个年龄的羊草的生物量都显著的增加,根冠比降低,但是显著地降低了大针茅幼苗的生物量。
降水格局的变化通过影响土壤含水量、土壤温度,植物光合速率、植物水分利用效率,而影响植物的生长速率以及植物对资源的获取和分配能力。但是两个物种对降水格局的响应不同,以及对降水的利用能力和利用方式不同;同时,年龄在多年生植物对环境变化的响应过程中起重要的作用。成熟羊草对水分吸收再分配的能力促进了羊草的对干旱胁迫的适应。本实验进一步证明了羊草比大针茅对降水格局变化的响应更敏感,幼苗比成熟植株对降水格局的变化响应更敏感。
5年的去除放牧实验结果表明,不同放牧强度下,从群落水平到物种水平对去除放牧的响应不同,在轻度放牧的条件,群落净初级力的响应成单峰曲线变化,而在中度放牧的条件,群落净初级力的响应成双峰曲线变化。群落净初级力的响应与群落中优势物种羊草密度和个体生物量成显著的正相关。群落净初级力的响应的能力取决于去除放牧后,羊草的超补偿生长。同时,群落优势物种(羊草和大针茅)存在显著的补偿生长。降水的变化显著地影响群落生产力,物种的密度与个体生物量,而且进一步影响群落响应与物种响应的关系以及物种间的关系。本研究表明,阶段性的去除放牧,或是与补播具有补偿效应的物种共同推行将是草地生态系统的管理与退化草地恢复是一个可持续的管理方法。
本实验的结果对于草原管理和利用具有重要的指导意义。首先,物种水平对降水格局的响应对于预测群落在全球降水变化背景下的变化趋势提供基础;其次,本实验的结果证明了阶段性的去除放牧是一种有效的草原管理方式。