模拟气候变化对高寒草地物候期、生产力和碳收支的影响

摘要

物候期是影响高寒草地植物生产力和碳收支过程的关键因素。气候变化条件下，厘清高寒草地物候期、生产力、群落结构以及碳收支之间的关系，有助于确定高寒草地生态系统结构与功能对气候变化的响应机制。为了明确气候变化对高寒草地生态系统的综合影响，揭示高寒草甸和人工草地对气候变化的差异性响应，本文对藏北高寒草甸和人工草地进行了为期5年的模拟增温和2年的春季增温增水实验，测定了植物物候期、叶片性状、群落结构与组成、生产力、土壤碳氮含量、CO2交换和凋落物分解速率。发现春季温度和水分共同决定植物物候期。在春季丰水年，增温促进植物返青期和繁殖期提前(p＜0.05)，增水则对其无显著影响(p＞0.05);在春早年份，增温导致植物物候期推迟，生长季长度显著缩短，而增水可以部分抵消增温对返青期的负面影响。增温和增水均不同程度增加高寒草甸植物植株高度和叶面积。增温导致莎草科植物比例缩小，并被禾本科植物和杂类草替代。在高寒草地，由于增温导致植株高度升高，从而使生产力增加;但随着增温年限延长，高梯度增温处理条件下种间竞争加剧、土壤水分大幅降低，导致植被盖度降低，从而降低甚至抵消了植株高度升高对生产力的正效应。春季增水对植物生产力也具有促进作用，并且在春季干旱年份的增水效应显著高于春季丰水年。增温显著增加了高寒草甸和人工草地生产力稳定性(p＜0.05)，说明增温不仅维持了较高的高寒草地生产力，并且降低了其年际波动。植物返青期对植物生产力和多样性的影响较小，植物生产力主要受环境因子的直接影响以及温湿度改变引起的群落结构变化的间接影响。增温条件下高寒草甸NEE(生态系统净交换，Netecosystem CO2 exchange)无显著变化(p＞0.05)，人工草地NEE显著降低(p＜0.05);天然草甸在开垦为人工草地后由于其土壤理化性质发生显著改变，土壤呼吸和冠层呼吸均显著升高，从而其碳排放明显增加;而增温引起的土壤水分降低导致其碳储存能力进一步降低。综上所述，在增温引起的干旱导致植物物候期推迟的情况下，高寒草甸生态系统可在短时间内迅速反应，充分利用雨季的水热条件，通过增加植株高度和叶面积来促进植物生产力和碳吸收增加;但在高温处理条件下，随着增温时间延长，种间竞争进一步加剧，降低了增温对群落的效应，从而维持生态系统相对稳定。与天然草甸相比，人工草地生态系统应对气候变化能力较弱，增温对其多为负面影响;其中，增温条件下NEE和土壤碳含量降低将对人工草地带来巨大的冲击。

目录

声明

摘要

英文缩略表

1．1 研究背景

1．2 气候变化对植物物候期的影响

1．2．1 物候期变化趋势

1．2．2 气候因子对物候期的影响

1．2．3 青藏高原物候期研究

1．3 气候变化对植被群落生产力的影响

1．3．1 气候变化对植物生理过程的影响

1．3．2 气候变化对植物功能性状的影响

1．3．3 气候变化对群落结构与组成的影响

1．3．4 气候变化对植物生产力的影响

1．4 气候变化对生态系统碳收支的影响

1．4．1 气候变化对草地碳通量的影响

1．4．2 气候变化对草地生态系统碳库的影响

1．4．3 气候变化对草地生态系统凋落物分解的影响

1．5 物候期变化对生产力和碳收支的影响

1．5．1 物候期变化对生产力的影响

1．5．2 物候期变化对碳收支的影响

1．6 研究目标与内容

1．6．1 研究目标

1．6．2 研究内容

1．6．3 研究思路与流程

2．1 研究区简介

2．2 实验方案

2．2．1 样地设置

2．2．2 实验运行效果

2．3 数据获取及观测方法

2．3．1 物候期观测

2．3．2 植物功能性状测定

2．3．3 群落特征和生产力测定

2．3．4 物种多样性测定

2．3．5 生态系统CO2交换测定

2．3．6 土壤养分和植物C、N含量测定

2．3．7 凋落物分解速率测定

2．4 数据处理方法

3．1 前言

3．2 模拟气候变化对土壤温度的影响

3．2．1 模拟增温对高寒草甸土壤温度的影响

3．2．2 模拟增温对高寒人工草地土壤温度的影响

3．2．3 春季增温增水对高寒草甸土壤温度的影响

3．3 模拟气候变化对土壤含水量的影响

3．3．1 模拟增温对高寒草甸土壤含水量的影响

3．3．2 模拟增温对高寒人工草地土壤含水量的影响

3．3．3 春季增温增水对高寒草甸土壤含水量的影响

3．4 讨论与小结

3．4．1 讨论

3．4．2 小结

第四章 模拟气候变化对高寒草甸植物物候期的影响

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．3 研究结果

4．3．1 春季增温增水对高寒草甸植物返青期的影响

4．3．2 春季增温增水对高寒草甸植物繁殖物候的影响

4．3．3 春季增温增水对高寒草甸植物枯黄期的影响

4．3．4 春季增温增水对高寒草甸植物生长季长度的影响

4．3．5 土壤温湿度与植物物候期之间的关系

4．4 讨论

4．4．1 不同年份物候期对气候变化的差异性响应

4．4．2 不同物种物候期对气候变化的差异性响应

4．5 小结

第五章 模拟气候变化对高寒草甸植物叶片性状的影响

5．2 材料与方法

5．3 研究结果

5．3．1 增温增水对高寒草甸植物植株高度的影响

5．3．2 增温增水对高寒草甸植物叶面积的影响

5．3．3 增温增水对高寒草甸植物比叶面积的影响

5．3．4 增温增水对高寒草甸植物叶片C、N含量的影响

5．3．5 环境因子与植物功能性状间的关系

5．3．6 植物返青期与植物功能性状间的关系

5．4 讨论

5．4．1 植物叶片性状对增温增水的响应

5．4．2 植物返青与植物功能性状间的关系

5．5 小结

第六章 模拟气候变化对高寒草甸群落结构和物种多样性的影响

6．1 前言

6．2 材料与方法

6．3 研究结果

6．3．1 增温增水对高寒草甸群落组成的影响

6．3．2 增温增水对高寒草甸物种多样性的影响

6．3．3 环境因子对群落组成和物种多样性的影响

6．3．4 群落组成与物种多样性之间的关系

6．4 讨论

6．4．1 增温时间长度对群落组成与物种多样性的影响

6．4．2 不同功能群植物对模拟气候变化的差异性响应

6．5 小结

7．1 前言

7．2 材料与方法

7．3 研究结果

7．3．1 增温增水对高寒草甸和人工草地盖度的影响

7．3．2 增温增水对高寒草甸和人工草地高度的影响

7．3．3 增温增水对高寒草甸和人工草地生产力的影响

7．3．4 长期增温对高寒草甸和人工草地生产力稳定性的影响

7．3．5 环境因子与生产力之间的关系

7．3．6 物候期与生产力之间的关系

7．3．7 多样性与稳定-l生之间的关系

7．3．8 环境因子、物候期、群落结构、生产力和多样性之间的关系

7．4 讨论

7．4．1 模拟气候变化对植物生产力的影响

7．4．2 模拟气候变化对生态系统稳定性的影响

7．4．3 环境因子与物候期、生产力和多样性之间的相互关系

7．5 小结

8．1 前言

8．2 材料与方法

8．3 研究结果

8．3．1 增温对高寒草地土壤养分的影响

8．3．2 增温增水对高寒草地生态系统总初级生产力(GEP)的影响

8．3．3 增温增水对高寒草地生态系统呼吸(ER)的影响

8．3．4 增温增水对高寒草地土壤呼吸(SR)的影响

8．3．5 增温增水对高寒草地生态系统净交换(NEE)的影响

8．3．6 增温增水对高寒草甸凋落物分解的影响

8．3．7 生物与非生物因子对高寒草甸和人工草地碳收支的影响

8．3．8 增温对碳收支的综合影响

8．4 讨论

8．4．1 高寒草甸不同碳收支过程对气候变化的差异性响应

8．4．2 不同草地类型碳收支过程对气候变化的差异性响应

8．4．3 高寒草地碳汇功能对气候变化的响应

8．5 小结

9．1 结论

9．2 研究展望

9．3 政策建议

参考文献

致谢

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