围封对祁连山东段高寒灌草交错系统碳交换的影响

来源 :甘肃农业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zjm2190
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祁连山是我国西部重要生态安全屏障,是黄河及内陆河流域重要水源产流地,对维护河西走廊绿洲生态系统的平衡和遏制荒漠化有着不可替代的作用。高寒灌丛是祁连山的优势植被类型,具有碳储存和水源涵养等重要生态服务功能。灌草交错区既是高生物多样性的出现区和边缘效应的表达区,又是放大外界干扰信号的特殊响应区,是敏感响应人为干扰和预测气候变化的理想研究区。在气候变化和人为干扰的双重影响下,高寒灌丛退化严重,这不仅影响当地经济发展,甚至威胁着区域生态安全。围栏封育是草地管理的基本方式,也是应用最广泛的退化草地生态恢复途径。围封可能通过影响草地碳交换过程的各个途径,进而影响草地固碳功能,深入理解围封对草地生态系统碳交换的作用与调控机制,对恢复和提高草地生态服务功能有重要的理论价值与实践指导作用。此外,祁连山国家公园对灌丛草地是延续传统放牧利用还是作为重要的碳库和水源涵养林进行围封保护,仍缺少固碳功能等相关基础科学数据的支撑。因此,本研究以灌草交错区的特殊灌草系统为对象,从碳通量和碳库两个角度,研究为期4-5年的围栏封育对祁连山轻度和重度退化高寒灌草交错系统各生态区(草甸区、交错区和灌丛区)碳交换的影响,揭示围封作用于退化高寒灌草交错系统碳交换的作用机制。主要结果如下:(1)围封显著提高了轻度和重度退化灌草交错区系统各生态区草本和灌木植物的高度、盖度、凋落物生物量、地上和地下生物量,以及土壤含水量、有机碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量,围封对重度退化高寒灌草交错系统植被和土壤的恢复效果比轻度退化的恢复效果更好。(2)在整个生长期(5-10月),高寒灌草交错系统各生态区碳输入(总初级生产力)均呈先增后降的单峰型变化趋势,在7月最高。围封显著提高了轻度和重度退化各生态区的碳输入。生长季平均总初级生产力在轻度退化围栏内草甸区、交错区和灌丛区较围栏外分别提高了9.2%-9.4%、10.0%-17.1%和8.0%-12.1%,而在重度退化围栏内较围栏外分别提高了21.4%-30.3%、23.3%-28.7%和25.3%-27.8%。结构方程模式分析表明,土壤化学性是影响高寒灌草交错系统总初级生产力的最主要因素。(3)在整个生长季,高寒灌草交错系统各生态区碳输出均呈先增后降的变化趋势,在7月最高。围封显著提高了轻度和重度退化高寒灌草交错系统各生态区碳输出,围封后重度退化高寒灌草交错系统碳输出提高的幅度更大。结构方程模型分析表明,土壤物理性质是影响高寒灌草交错系统草甸区和交错区碳输出的最主要因素,而土壤化学性质是影响高寒灌草交错系统灌丛区碳输出的最主要因素。(4)在生长期内高寒灌草交错系统的碳汇强度呈先增后降的单峰型变化趋势,在7月碳汇强度最高。整个生长期内,轻度和重度退化高寒灌草交错系统都属于碳汇,轻度退化灌草交错系统的草甸区、交错区和灌丛区净生态系统CO2交换量分别为4.7-4.9μmol·m-2·s-1,4.9-5.0μmol·m-2·s-1和5.5-5.7μmol·m-2·s-1,重度退化高寒灌草交错系统草甸区、交错区和灌丛区的净生态系统CO2交换量分别为4.0-4.1μmol·m-2·s-1,4.3-4.4μmol·m-2·s-1和4.7-5.0μmol·m-2·s-1。围封显著提高了轻度和重度退化高寒灌草交错系统生长季的碳汇强度,围封后重度退化高寒灌草交错系统碳汇增加的幅度更大。此外,灌丛区的碳汇能力显著高于交错区和草甸区的碳汇能力。结构方程模型分析表明,土壤化学性质是影响高寒灌草交错系统碳交换的最主要因素。(5)围封显著提高了重度退化高寒灌草交错系统植被、0-30 cm层土壤和生态系统有机碳库储量。但围封仅显著提高了轻度退化灌草交错系统草甸区植被、0-30 cm层土壤和生态系统有机碳库储量。围封后重度退化灌草交错系统草甸区、交错区和灌丛区有机碳库储量分别提高了16.9%-18.5%、10.3%-13.0%和16.0%-18.1%。轻度退化灌草交错系统草甸区有机碳库储量提高了12.2%-16.0%。此外,高寒灌草交错系统灌丛区生态系统有机碳库储量显著高于草甸区和交错区生态系统有机碳库储量。综上,尽管为期4-5年的围栏封育能够有效恢复轻度和重度退化高寒灌草交错系统植被和土壤,并提高固碳功能和有机碳库储量,围封对重度退化高寒灌草交错系统的恢复效果更好。此外,综合考虑草地资源的有效利用、植被更新及牧区经济发展等问题,在未来高寒灌丛草地管理及祁连山国家公园功能区划时,可优先选择性的对重度退化高寒灌丛草地实施围封措施,以让其休养生息,恢复生态和生产功能,而对于轻度退化高寒灌丛,可以维持原有的放牧模式,或适当降低放牧强度,以让其维持或逐步提高生态和生产功能。
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