基于土壤和植物稳定碳氮同位素对高寒草地退化演替的判别分析研究

摘要

稳定同位素技术、遥感技术和数学模型被认为是对全球变化的研究中三大现代技术，其中，稳定同位素技术在生态学研究领域的应用在近几十年经历了快速的发展。但将该技术应用于高寒草甸退化方面研究还鲜有报道。研究针对国际上关于高寒草甸退化与否的争议，通过稳定同位素技术分析植物和土壤中碳氮含量及其稳定同位素特征，分析比较植物与土壤碳稳定性同位素组成的差异揭示土壤碳循环的干扰，研究高寒草甸长时间和大空间尺度生态过程与机制，揭示高寒草甸生态系统功能的变化规律。样品采自黄河源区玛沁县和达日县的高寒草甸，共采集植物种样品58个，样方植物样32个，土壤样品180个。分析了区内主要植物、退化草甸（未退化、轻度退化和严重退化）以及人工改良高寒草地土壤与地上植被碳、氮组成及其稳定同位素特征。
　　本研究主要内容包括：⑴58种主要植物碳元素含量在28.64％~51.55％之间变化；氮元素含量介于0.89％~4.04％；δ13C值变化范围介于-29.50‰~-24.69‰；δ15N值介于-4.57‰~8.32‰之间。58种主要植物均属C3植物，没有发现C4和景天酸代谢（CAM）植物，低的年均温可能是制约该区C4植物分布的主要因素。⑵不同样地植物碳元素含量的大小顺序为人工草地（45.54±1.49％）>未退化草甸（43.18±0.89％）>轻度退化草甸（42.18±1.25％）>严重退化草甸（39.68±2.63％），氮元素平均含量依次为2.28％、2.30％、2.13％和2.10％，草甸退化能引起植物碳含量的降低，但对植物氮含量影响不显著。⑶不同覆被高寒草甸植物δ13C值主要集中在-27.00‰至-26.00‰间，δ15N值主要集中在-1.00‰~1.00‰。植物δ13C值随草地退化程度加剧而逐渐降低，但δ15N值不存在该趋势，群落植物组成变化是导致δ13C值降低的主要因素。⑷不同覆被高寒草甸土壤有机碳浓度介于1.28~4.08％之间，全氮浓度介于0.16~0.44％之间，土壤碳氮比在最小值为7.89，最大值为9.97，平均碳氮比为8.71。随着土层深度的增加，土壤有机碳（SOC）浓度和土壤总氮（TN）浓度呈逐渐降低的趋势，与植物根系以及进入土壤的凋落物分布于上层土壤密切相关。土壤碳氮比变化反映了有机物质的矿化差异。⑸未退化草甸、轻度退化草甸、严重退化草甸和人工草地0~30cm土壤碳密度依次为8.17、7.14、6.67和6.46kg?m-2，全氮密度依次为0.94、0.83、0.77、0.75kg?m-2。植被退化和建立人工草地引起土壤碳氮密度的显著降低，这种变化主要发生在0~20cm土层。⑹高寒草甸土壤δ13C值介于-25.42‰~-24.20‰之间，高出植物δ13C值近2个千分点；δ15N值介于3.37‰~4.69‰之间，显著高于大气δ15N值。不同覆被高寒草甸土壤碳氮稳定同位素δ13C和δ15N丰度有显著差异（P<0.05）。无论δ13C值，还是δ15N值均存在随土壤深度加深而增大的趋势。植物吸收、生长有利于12C和14N的输出，而将较重的15C和15N留在了土壤中。⑺人工草地土壤（0~30cm）δ13C值要比轻度和重度退化草甸的均低，但δ15N值显著地高于轻度和重度退化草甸的（P<0.05）。未退化、轻度退化和严重退化草甸的δ13C值差异主要发生在0~10cm土层中，而在10~30cm土层中无显著差异（P>0.05）。退化草地翻耕造成土壤有机碳的损失，继而引起稳定13C的相对丰富度减少。人工草地植物生长势强，形成的地上生物量多，吸收了较多的土壤氮素14N，导致土壤δ15N升高。

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第1章 引言

1.1 青藏高原草地退化研究现状

1.2 稳定同位素在生态学中的应用

1.2.1 稳定同位素技术简介

1.2.2 生态系统中同位素技术应用研究现状

1.3 研究内容和目的

1.4 研究技术路线图

第2章 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 研究样地概况

2.1.2 实验样品的采集

2.1.3 实验样品的处理

2.2 实验样品分析

2.3 数据统计与分析

第3章 高寒草甸植物碳氮组成及其稳定同位素特征

3.1 结果与分析

3.1.1 高寒草甸主要植物碳氮组成

3.1.2 高寒草甸主要植物稳定同位素特征

3.1.3 不同退化高寒草甸植物碳氮组成

3.1.4 不同退化高寒草甸植物稳定碳氮同位素特征

3.2 讨论

3.3 结论

第4章 高寒草甸土壤碳氮浓度及稳定同位素特征

4.1 结果与分析

4.1.1 不同覆被高寒草甸土壤有机碳和全氮浓度

4.1.2 不同覆被高寒草甸土壤有机碳和全氮密度

4.1.3 不同覆被高寒草甸土壤稳定碳、氮同位素组成

4.2 讨论

4.3 结论

参考文献

致谢

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