黄土丘陵区人工林草植被生态服务功能演变及其互作机制

摘要

黄土丘陵区是中国典型的脆弱生境区，也是退耕还林工程最早试点区和生态环境建设的重点监测区。目前，该区域的生态恢复工作已由全面推进阶段转入成果巩固和提高阶段，系统、全面和准确地评估当地生态恢复工程所发挥的各项生态服务功能，能够为区域生态安全评估、可持续发展预测以及绿色GDP核算等提供数据支持，同时，为新形势下退耕还林工程进一步实施和后续管理提供科学指导。鉴于此，本研究以黄土丘陵区恢复10年、18年、28年和43年的撂荒草地和人工刺槐群落为研究对象，并以坡耕地为对照，采用定位观测和室内分析相结合的方法，从样地尺度对所选植被的生态服务功能实物量和价值量进行测算，阐明了人工林草植被生态服务功能间的相关关系以及权衡和协同关系，揭示了人工林草植被生态服务功能的驱动因素及驱动机制，在对人工林草植被生态服务功能进行评价的基础上对其未来发展情景进行了预测，并提出了对应的管理建议。取得以下主要结论： (1)植被类型和恢复时间对人工植被生态支持服务功能和生态调节服务功能的改善具有决定作用 基于实物量计算，撂荒草地和人工刺槐群落的生物多样性保护功能价值量分别为5000～15000元·hm-2·a-1和7500～10000元·hm-2·a-1，积累营养物质功能价值量分别为57.21～96.88元·hm-2·a-1和1431.78～2635.70元·hm-2·a-1，保育土壤功能价值量分别为1064.03～6566.29元·hm-2·a-1和4460.99～10480.36元·hm-2·a-1,涵养水源功能价值量分别为9458.99～28426.81元·hm-2·a-1和25648.10～37308.24元·hm-2·a-1，固碳释氧功能价值量分别为1205.54～2145.51元·hm-2·a-1和10216.54～16469.90元·hm-2·a-1，净化大气环境功能价值量分别为62.14～303.43元·hm-2·a-1和885.80～2588.08元·hm-2·a-1。在相同恢复年限，除生物多样性保护功能在恢复18年和28年时小于撂荒草地群落外，人工刺槐群落的各项生态支持功能和生态调节功能的实物量和价值量均大于撂荒草地群落。随着恢复年限的增加，撂荒草地群落的物种多样性及其价值呈先增加后减小趋势，而其它5种生态服务功能的实物量和价值量呈显著增加趋势。随着恢复年限的增加，人工刺槐群落的物种多样性及其价值呈先减小后增加趋势，其积累营养物质功能、涵养水源功能、固碳释氧功能、净化大气环境功能的实物量和价值量呈先增加后减小趋势，其保育土壤功能的实物量和价值量呈显著增加趋势。 (2)明确了人工植被生态服务功能相关关系以及权衡和协同关系的演变特征，它们受恢复时间的影响较大 相关性分析表明，在撂荒草地群落前28年的恢复过程中，6种生态服务功能两两之间呈显著正相关性，且R2均大于0.70。而在撂荒草地群落28年到43年的恢复过程以及人工刺槐前28年的恢复过程中，生物多样性保护功能与其他5种生态服务功能呈显著负相关，R2取值范围为-0.78到-0.99，其他5种生态服务功能两两之间呈显著正相关，R2均大于0.72。在人工刺槐群落28年到43年的恢复过程中，生物多样性保护功能与保育土壤功能呈显著正相关，R2为0.88，而它们与其他4种服务功能呈显著负相关，R2取值范围为-0.62到-0.99。 撂荒草地和人工刺槐群落各生态服务功能对之间的均方根偏差值分别为0.000～0.583和0.003～0.714，且均随恢复时间的增加呈波动性变化。涵养水源功能与其他5种生态服务功能的权衡程度最大，两者的相对增益偏向于涵养水源功能，而固碳释氧功能、积累营养物质功能和净化大气环境功能之间的权衡程度相对较小。生态服务功能权衡和协同关系的时间模型表明，各生态服务功能与其他5种生态服务功能的权衡关系在撂荒草地群落中随恢复时间的延长呈增加趋势，且恢复28年与恢复43年间差异不显著，而在人工刺槐群落中则呈先增加后减小趋势，表明撂荒草地群落生态服务功能之间的权衡关系在增加后逐步趋于稳定，而人工刺槐群落则仍处于动态的不稳定状态。 (3)植被特征和土壤性质共同驱动生态服务功能的提升，且植被因子对生态服务功能影响程度大于土壤因子 植被特征、土壤理化性质和土壤生物学活性随植被类型和恢复时间的变化而不断变化，并对生态服务功能产生显著影响。其中，植被因子对生态服务功能的影响最大，其次为土壤理化性质，而土壤生物学活性相对较小。研究表明，凋落物厚度、叶片全氮含量和凋落物持水量是影响撂荒草地群落生态服务功能的主要植被因子，而植被盖度、叶面积和比叶面积是影响人工刺槐群落生态服务功能的主要植被因子。土壤养分含量对撂荒草地群落生态服务功能的影响最大，而人工刺槐群落生态服务功能主要受土壤可侵蚀性系数和土壤含水量影响。在生物学活性中，土壤微生物生物量和酶活性氮磷比是人工林草植被生态服务功能的最主要影响因子。 (4)人工林草植被生态服务功能的构成情况及发展趋势各不相同，其中撂荒草地群落的可持续能力大于人工刺槐群落，从而导致它们的管理方式存在差异 撂荒草地群落生态服务功能以涵养水源、生物多样性保护和保育土壤为主导，占比分别为51.70～63.13%，15.65～33.56%和6.32～14.58%；而人工刺槐群落生态服务功能以涵养水源、固碳释氧和保育土壤为主导，占比分别为47.25～49.34%，18.43～24.09%和8.47～14.49%。人工刺槐群落的各项生态服务功能均显著高于撂荒草地群落。随着恢复年限的增加，撂荒草地群落的各项服务功能一直保持增加趋势，而人工刺槐群落则在恢复43年时呈下降趋势。模型模拟分析表明人工刺槐群落的生态服务功能价值量会在恢复58年过后小于撂荒草地群落。面积配比情景分析表明，人工刺槐群落所占面积越大植被的生态服务功能出现下滑的时间越早，且在恢复58年时小于纯为撂荒草地群落情景。因此，撂荒草地更有利于生态服务功能的长期持续增加，但管理过程中应注重提高其植被生产力。人工刺槐群落虽短期内生态服务功能提升较大但其可持续能力欠佳，其后期管理应该注重其水分承载力，采用有效管理方式减少其植被耗水量，如采用合理密植、枝条修剪、间伐补种和混交造林等方式进行管理。

目录

声明

第一章 导言

1.1 立题背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究进展

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第二章 研究区域概况与方法

2.1 研究区域概况

2.2 实验设计和采样

2.3 数据处理

2.4 统计分析与制图

第三章 人工林草植被生态支持服务功能测算及其演变特征

3.1 人工林草植被生物多样性保护功能

3.2 人工林草植被积累营养物质功能

3.3 人工林草植被保育土壤功能

第四章 人工林草植被生态调节服务功能测算及其演变特征

4.1 人工林草植被涵养水源功能

4.2 人工林草植被固碳释氧功能

4.3 人工林草植被净化大气功能

第五章 人工林草植被生态服务功能的权衡与协同关系

5.1 生态服务功能相关关系特征

5.2 生态服务功能权衡与协同关系特征

第六章 人工林草植被生态服务功能演变的驱动因子识别及其作用机制

6.1 人工林草植被生态服务功能驱动因子类别和特征

6.2 人工林草植被生态服务功能的关键驱动因子

第七章 人工林草植被生态系统服务功能综合评估及情景预测

7.1 人工林草植被生态系统服务功能综合评估

7.2 人工林草植被生态系统服务功能情景预测

第八章 讨论、结论与展望

8.1 讨论

8.2 结论

8.3 创新点

8.4 研究展望

参考文献

致谢

个人简历