發(fā)布時間：2018-05-10 19:26

  本文選題：全球變化 + 降水　； 參考：《東北師范大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：工業(yè)化以來,高強度、大規(guī)模的人類活動導(dǎo)致全球性環(huán)境問題日益突出。在未來全球變化情景下,如何維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的重要命題。評估和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能對全球變化的響應(yīng)及反饋效應(yīng),是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容。草地生態(tài)系統(tǒng)是分布最廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型,也是對環(huán)境變化最敏感和最易受到威脅的生態(tài)系統(tǒng)。水和氮是草地生態(tài)系統(tǒng)的限制性資源,然而,全球降水變化和氮沉降增加正在改變著這兩種資源的輸入格局,繼而對草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和功能及其穩(wěn)定性產(chǎn)生深刻的影響。探究草地生態(tài)系統(tǒng)對降水變化和氮沉降增加的響應(yīng)機制,能夠增進(jìn)我們關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)和響應(yīng)環(huán)境變化的理解,有助于自然資源的合理利用和管理。本研究以位于歐亞草原帶東端的草甸草原為研究對象,利用兩個野外控制實驗平臺,探究草甸草原植物群落結(jié)構(gòu)和功能對降水和氮沉降增加的響應(yīng)規(guī)律。具體地,在內(nèi)蒙古自治區(qū)東部興安盟扎賚特旗圖牧吉自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的貝加爾針茅草甸草原,開展增加降水和氮素添加及二者交互作用的實驗(2010-2015年),分析群落結(jié)構(gòu)組成、生產(chǎn)力穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)碳交換對增水增氮的響應(yīng)。另外,在吉林省西部通榆縣的退化化羊草草甸草原開展梯度氮添加實驗(2008-2011年),探討氮富集對鹽堿草甸草原恢復(fù)演替的影響。本研究擬回答以下主要科學(xué)問題:(1)在未來降水和氮沉降增加情景下,草甸草原植物群落結(jié)構(gòu)和組成的變化動態(tài)如何?(2)草甸草原初級生產(chǎn)力穩(wěn)定性對增水增氮的響應(yīng)及維持機制;(3)群落優(yōu)勢種/亞優(yōu)勢種組成如何調(diào)節(jié)草甸草原生態(tài)系統(tǒng)碳交換對增水增氮的響應(yīng)?(4)退化草甸草原的恢復(fù)演替對氮富集的響應(yīng)是否受土壤鹽堿化背景的調(diào)節(jié)?基于上述野外控制實驗,本研究取得以下主要實驗結(jié)果及研究結(jié)論:(1)在貝加爾針茅草甸草原,6年實驗期間,增水對群落結(jié)構(gòu)(物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù))沒有顯著影響。然而,增氮顯著降低了群落物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度,顯著提高了Simpson優(yōu)勢度。在作用強度的時間動態(tài)上,增水引起的群落結(jié)構(gòu)的變化幅度沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。增氮對物種豐富度在前2年有輕微的正向作用,自第3年起表現(xiàn)為負(fù)向作用。增氮對Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度一直表現(xiàn)為負(fù)向作用,且在前4年有強烈的增強趨勢。增氮對Simpson優(yōu)勢度表現(xiàn)為正向作用,前4年明顯增強。群落組成對水氮資源添加表現(xiàn)出持續(xù)的、方向性的響應(yīng)動態(tài),即增水增氮使群落向特定組成變化,且變化的幅度逐年增加�；貧w分析表明,群落組成對增水增氮響應(yīng)的功能群驅(qū)動機制不同,表現(xiàn)為:增水對多年生叢生禾草的促進(jìn)效應(yīng)以及對多年生根莖禾草的抑制效應(yīng)隨時間增強,導(dǎo)致增水引起群落組成的變化幅度逐年增加;增氮對多年生根莖禾草的促進(jìn)效應(yīng)以及對多年生雜類草的抑制效應(yīng)隨時間增強,導(dǎo)致增氮引起群落組成的變化幅度逐年增加。此外,本研究還顯示,增水增氮沒有改變?nèi)郝浣M成的年際變化速率,這可能因為群落組成的變化速率在總體上由局域物種庫決定,而單站點控制實驗的空間尺度相對較小,屬于同一物種庫,因此增水增氮對物種組成年際變異影響甚微。(2)研究發(fā)現(xiàn),在貝加爾針茅草甸草原,增水增氮對群落生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性沒有顯著影響。此外,優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種穩(wěn)定性也未受到增水增氮的顯著影響。在功能群方面,增水增氮對多年生根莖禾草、多年生雜類草和灌木半灌木穩(wěn)定性沒有顯著影響。增水對多年生叢生禾草穩(wěn)定性沒有顯著影響,增氮降低了多年生叢生禾草穩(wěn)定性,但這種負(fù)效應(yīng)隨增水而削弱甚至反轉(zhuǎn)。研究還表明,增水增氮對物種間和功能群間互補動態(tài)沒有顯著影響。優(yōu)勢種之間、亞優(yōu)勢種之間的互補動態(tài)也沒有顯著改變。增氮抑制了多年生叢生禾草之間的互補動態(tài),這種負(fù)效應(yīng)隨降水增加而削弱。對貝加爾針茅草甸草原生產(chǎn)力穩(wěn)定性維持機制的分析顯示,優(yōu)勢種穩(wěn)定性和互補動態(tài)是群落穩(wěn)定性的主要決定因素。以往諸多物種多樣性控制實驗發(fā)現(xiàn)多樣性和穩(wěn)定性之間存在正向關(guān)系,然而,在本研究中,物種多樣性和群落穩(wěn)定性之間沒有顯著的相關(guān)性。但是,這并不意味著生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能及其穩(wěn)定性的維持不重要。在自然群落中,由于物種組成不均勻,且單站點野外實驗中物種多樣性范圍較小,導(dǎo)致多樣性對群落穩(wěn)定性的促進(jìn)效應(yīng)難以體現(xiàn)。結(jié)合群落結(jié)構(gòu)和組成對增水增氮的研究結(jié)果,我們預(yù)測長期的水氮資源改變將導(dǎo)致群落組成發(fā)生根本性變化,最終影響群落穩(wěn)定性。(3)對貝加爾針茅草甸草原碳交換各組分(總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力GEP,生態(tài)系統(tǒng)呼吸ER,凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換NEE)的測定結(jié)果表明,增水對碳交換的影響表現(xiàn)出顯著的年際變異:2012年,增水降低了NEE和GEP,對ER沒有顯著影響。2013年,增水對碳交換各組分均沒有顯著影響。兩生長季內(nèi),增氮對碳交換沒有顯著影響。分析發(fā)現(xiàn),碳交換對增水增氮的響應(yīng)受群落內(nèi)年際間優(yōu)勢種和亞優(yōu)勢種的組成差異調(diào)節(jié)。2012年,樣地內(nèi)優(yōu)勢種(貝加爾針茅和羊草)與亞優(yōu)勢種生物量相當(dāng),碳交換與亞優(yōu)勢種生物量顯著相關(guān)。因此,增水對亞優(yōu)勢種的抑制作用導(dǎo)致NEE和GEP降低。增氮對亞優(yōu)勢種沒有顯著影響,因而對碳交換沒有影響。2013年,樣地內(nèi)優(yōu)勢種生物量顯著高于亞優(yōu)勢種,碳交換與優(yōu)勢種生物量顯著相關(guān)。然而,增水增氮對優(yōu)勢種生物量無顯著影響,致使碳交換沒有顯著變化。(4)在鹽堿化羊草草甸草原的增氮實驗發(fā)現(xiàn),高鹽堿化群落物種組成在4年實驗期間沒有明顯的方向性變化,一年生植物優(yōu)勢度雖表現(xiàn)出一定的波動,但在群落中一直占據(jù)優(yōu)勢。低鹽堿化群落,其物種組成發(fā)生了顯著的演替。隨著實驗進(jìn)行,一年生植物優(yōu)勢度逐漸降低,而多年生雜類草和多年生禾草優(yōu)勢度逐漸增加。在第4年,有些實驗小區(qū)幾乎由多年生植物占據(jù)。氮添加顯著提高了兩群落地上生物量,且低鹽堿化群落地上生物量增加的幅度大于高鹽堿化群落。氮添加對高鹽堿化群落物種豐富度沒有顯著影響,使低鹽堿化群落物種豐富度顯著降低。這些結(jié)果表明鹽堿化草地雖然是氮限制生態(tài)系統(tǒng),但低鹽堿化群落的氮限制程度高于高鹽堿化群落,低鹽堿化群落植物的養(yǎng)分競爭作用較強,而高鹽堿化群落植物的主要適應(yīng)策略在于耐鹽堿而非養(yǎng)分競爭。增氮并未促進(jìn)群落向著特定的目標(biāo)群落(如羊草群落)進(jìn)行演替,這可能與鹽堿化草地的土壤微環(huán)境異質(zhì)性以及物種散布的隨機性有關(guān)。因此,從退化草地恢復(fù)的角度而言,施肥對該地區(qū)退化草地恢復(fù)的作用是有限的。在東北退化羊草草地的恢復(fù)實踐中,可主要依靠圍封措施誘發(fā)的自然演替進(jìn)程。基于以上實驗結(jié)果,本研究在全球變化兩個重要因子(降水和氮沉降)對草甸草原植物群落結(jié)構(gòu)和功能的生態(tài)學(xué)效應(yīng)及其作用機制等方面有了深入的理解。本研究發(fā)現(xiàn)溫帶草甸草原生態(tài)系統(tǒng)對長期資源改變呈現(xiàn)持續(xù)的方向性的響應(yīng)動態(tài),為“等級響應(yīng)框架”概念提供了直接的實驗證據(jù),凸顯了長期控制實驗在評估和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)研究中的重要性。本研究表明,在貝加爾針茅草甸草原,初級生產(chǎn)力穩(wěn)定性以及碳交換等重要生態(tài)系統(tǒng)功能與群落結(jié)構(gòu)和組成有密切的聯(lián)系。因此,隨著降水和氮沉降的持續(xù)增加,群落結(jié)構(gòu)和組成將繼續(xù)變化,進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。此外,本研究還揭示了,草地群落次生演替動態(tài)對氮富集的響應(yīng)在很大程度上受土壤背景特征(如鹽堿化)的影響。本研究有助于全面理解陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)機制,為預(yù)測并應(yīng)對環(huán)境惡化的潛在威脅以及適應(yīng)和減緩氣候變化等基礎(chǔ)研究和實踐應(yīng)用提供補充與參考。
[Abstract]:Based on the field control experiments , this paper studies the response and feedback effect of plant community structure and function on global change of grassland ecosystem . In addition , there is no significant influence on the stability of the community . In addition , this study shows that there is no significant correlation between the diversity and the stability of the perennial grasses . The results showed that the effect of increasing water on carbon exchange showed significant annual variation . In 2012 , there was no significant effect on carbon exchange . In 2013 , there was no significant effect on carbon exchange . In 2013 , there was no significant effect on carbon exchange . In 2013 , the biomass of dominant species was significantly higher than that of subdominant species , carbon exchange and dominant species biomass . However , the increase of nitrogen increased nitrogen had no significant effect on dominant species biomass , resulting in the lack of significant change in carbon exchange . This study shows that there is no significant influence on the plant community structure and function of the grassland in the grassland of the grassland . The results show that the growth of the community structure and composition of the low - salinity community is more important than that of the high - salinity community .

【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S812

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1870566