云雾山退化草地生态系统恢复与调控机理

【摘要】草地是我国最大的陆地生态系统，约占国土面积的41%，在生物多样性保护、水分循环、固碳和发展畜牧业等方面具有重要的生态功能。干旱、半干旱区面积占整个黄土高原总面积的63%，在西北生态环境建设与经济发展中具有重要的战略地位。长期以来，由于人类活动和环境变化的共同作用，使该区草地生态系统退化和功能失调问题日益突出，生物多样性与生产力受到前所未有的威胁，严重影响和制约了其生态服务功能，给区域社会经济发展和生态环境保护带来了严重危害。在区域经济社会发展过程中，如何将恢复和发挥草地生态服务功能与合理利用草地资源结合起来实现可持续发展，是一个急需解决的重要科学问题。由此，本论文以黄土高原最大的草原保护区—云雾山国家草原自然保护区为对象，基于连续30年定位监测数据系统地研究了退化草地生态系统恢复过程中的几个关键性科学问题；基于不同植被和不同封育年限草地调查数据，从植被、土壤养分和土壤微生物等方面，全面的研究土壤微生物群落的变化特征，探讨了恢复草地的全面管理和调控技术。这些研究对丰富草地生态学基础理论，指导退化草地生态系统的恢复重建、全面管理利用和畜牧业发展都具有重要的理论价值和实践意义。本研究采用科学的试验设计及分析技术，应用野外调查与室内分析相结合的方法，研究气候变化背景下黄土高原退化草地生态系统的恢复与调控机理，获得了以下重要研究成果：（1）在年均降水量为400~450mm、年均温7℃左右的半干旱区，≥0℃积温和0~60cm土壤含水量是影响恢复草地群落地上生产力最重要的气候因子；而1-8月降水量是影响放牧草地群落地上生产力最重要的气候因子。草地土壤水分总的变化趋势是：在封育的0-15年根系主要分布层0~60cm土壤水分呈逐渐增加的趋势，16-30年呈逐渐减少的变化过程。（2）基于30年封育草地植被调查数据，得到如下结果：明确了该地区恢复草地植被物种组成以禾本科和菊科为主，生活型以多年生物种为主，功能型和生态型分别以C3和旱生植物为主，功能群组成以多年生丛生禾草为主，基于以上结果我们提出在黄土高原整体上的植被恢复应该以退耕还草为宜，草种选择应以多年生禾本科和菊科植物为主。“补偿效应”可能在物种水平和功能群水平增加了草地群落的稳定性。在恢复演替前期草地生态系统处于不稳定状态，到演替中后期草地生态系统稳定性逐渐增加。（3）利用“空间替代时间法”，对不同封育年限草地和不同重建植被土壤细菌和真核生物群落变化特征进行了研究。454Roche高通量测序结果表明，在不同封育年限草地，土壤细菌群落多样性和丰富度最高值分别出现在封育15年和9年草地；在不同重建植被样地，柠条样地细菌群落多样性最高，刺槐林多样性最低。在门分类学水平下，土壤细菌群落优势分类群包括放线菌、变形菌、厚壁菌、酸杆菌、芽单胞菌、绿弯菌和浮霉菌（以相对丰富度>5%为标准）；土壤真核生物由真菌、动物和植物组成。在不同分类学水平，各个样地土壤细菌和真核生物优势分类群组成及其相对丰富度存在差异。草地群落物种丰富度和地上生物量显著影响细菌群落多样性，表明土壤细菌群落多样性的提高与草地植被恢复具有“协同效应”。（4）基于连续多年放牧和刈割试验数据分析表明，轻度放牧（2只羊/hm2，每年分3个时间段，分别为6、8和10月的15-30日）和轻度刈割（1次/2年，每年9月）可以维持更高的草地群落物种多样性和生产力；在不同管理方式下，草地演替过程中群落生产力和物种多样性对稳定性的作用机制表现为“交互作用模式”。合理的草地管理方式（如适度刈割、放牧）可以维持、甚至提高草地生态系统稳定性。（5）建立了恢复草地最适宜管理和利用时间阈值确定的“三位一体时间阈值法”，并据此明确提出了在黄土高原年均降水量400~450mm的草原地带，恢复草地最适管理和利用的时间为封育的第15年。合理的刈割和放牧管理可以作为黄土高原半干旱区恢复草地的调控技术，合理的刈割频度为每2年刈割1次，刈割时间9月份；放牧最适强度为2～3只羊/hm2，最适频度为每年6、8、10月的15-30日。
【作者】井赵斌；
【导师】程积民；
【作者基本信息】西北农林科技大学，草业科学，2014，博士
【关键词】黄土高原；植被恢复；土壤细菌和真核生物；放牧和刈割；草地管理；

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