内蒙古温带草原群落结构和生态系统功能对火烧、氮素添加和地形的响应

我国北方温带草原是欧亚大陆草原生物群区的重要组成部分，对于区域和全球的碳循环和平衡起着重要的作用。频繁的自然或人为干扰能够改变草原生态系统的群落结构和生态系统功能，从而影响生态系统为人类提供的产品和服务。本研究选取位于内蒙古多伦县的半干旱温带草原，研究火烧、氮素添加和地形以及它们的综合作用对该地区植物生产力、植物多样性、盖度和土壤呼吸的影响；另外，我们比较研究了由于地形因素而存在于草原地区的林地群落与其邻近草地的碳氮库和循环；旨在探讨我国北方温带草原地区人为干扰对草原生态系统结构与功能的影响以及该地区林地和草地碳氮库和循环的差异机理，以期为模型模拟本地区的生态系统碳循环提供理论依据和数据支持，具体研究结果如下： 1. 2006–2008 年，通过研究植物多样性和盖度对地形、火烧和氮素添加及其交互作用的响应，结果表明：半干旱草原植物物种数、香农威纳指数、均一性指数和盖度均表现出显著的年际变化。坡下的物种数、香农威纳指数和均一性指数均低于坡上。坡下较高的羊草(Leymus chinensis)、冰草(Artemisia frigida)、唐松草(Thalictrum petaloideum)和冷蒿(Agropyron cristatum)的盖度导致坡下的群落总盖度、禾本科草和非禾本科草盖度分别比坡上高22.5%、9.6%和13.2%。春季火烧提高了物种数、香农威纳指数和均一性指数。火烧对群落总盖度影响较小是由于火烧后非禾本科草冷蒿盖度的降低抵消了禾本科草羊草、冰草和针茅(Stipa kryroii)盖度的增加。施氮肥后物种数、香农威纳指数和均一性指数均降低。禾本科草羊草、冰草和针茅以及非禾本科草唐松草盖度的增加导致施肥后群落总盖度、禾本科草和非禾本科草的盖度分别增加了23.6%、35.1%和21.2%。火烧对禾本科草和非禾本科草盖度的作用受地形和氮素添加的影响。地形、火烧和氮素添加对植物盖度的影响主要受土壤水分调控。 2. 2005–2008 年，通过研究净初级生产力(NPP)对火烧、氮素添加和地形及其交互作用的响应，结果表明：半干旱草原的NPP 具有显著的年际变化。火烧后地上净初级生产力(ANPP)、地下净初级生产力(BNPP)和BNPP/ANPP 分别增加了12.8%、22.2%和14.9%。ANPP 的提高是由于火烧后禾本科植物(主要是羊草、冰草和针茅)生物量的增加。与之相反，火烧降低了非禾本科草，特别是冷蒿的生物量。氮素添加提高了ANPP (54.8%) ，对BNPP 没有影响，导致施氮肥后BNPP/ANPP 显著降低(33.4%)。禾本科草羊草、冰草和针茅以及非禾本科草唐松草生物量的增加，是氮素添加提高ANPP 的主要原因。坡下的ANPP 和BNPP 分别比坡上高14.1%和8.2%，但地形对BNPP/ANPP 没有影响。坡下ANPP 的提高主要是由于坡下禾本科草羊草、冰草以及非禾本科草唐松草、冷蒿的生物量高于坡上。氮素添加和地形影响ANPP 和BNPP/ANPP 对火烧的响应。火烧、氮素添加和地形对NPP 和植物碳分配39%–75%的综合效应可由这三个因素的简单加和效应来解释。 3. 通过研究2005 和2006 年生长季内土壤呼吸对地形、火烧和氮素添加的响应，结果表明：坡下的季节平均土壤呼吸比坡上高6.0%。春季火烧在整个生长季内促进土壤呼吸，平均增幅达23.8%。另外，火烧对土壤呼吸的效应受到季节和地形的影响。施用氮肥增加了11.4% 的土壤呼吸。火烧和地形对土壤呼吸的影响主要受土壤水分和植物生长的调控；而施氮肥后土壤呼吸的增加，主要是由于氮素添加促进植物生长后根系活性和呼吸的提高。 4. 2006–2007 年，通过对林地群落及其邻近草原生态系统土壤温度、土壤水分、土壤机械组成、地上和地下生物量、凋落物现存量、土壤碳氮储量、土壤呼吸、氮矿化和土壤微生物生物量的比较研究，结果表明：林地的土壤温度比草地低5°C，而其土壤水分却比草地高3.1%(绝对差异)。尽管林地(11,928.1 g m–2)和草地(11,362.2 g m–2)的土壤碳储量差异不显著，由于林地较高的植物生产力导致其碳储量高于草地。与草地相比，林地具有较高的凋落物现存量及碳氮含量、土壤无机氮含量、矿化氮的累积量、微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤呼吸和微生物呼吸。草地和林地的氮矿化速率没有显著差异。由地形因素引起的水分差异对于调控林地和草地生态系统碳氮库和循环(土壤碳氮储量、BNPP、矿化氮的累积量)具有重要作用。林地与草地生态系统碳储量的差异影响了我国北方草原地区碳的评估。