内蒙古草原中生物土壤结皮生态学研究

1. 生物土壤结皮是干旱半干旱生态系统中的重要组成部分，它可通过增加土壤肥力和稳定性、影响水分再分配和植物萌发、成活、生长和繁殖而对生态系统结构和功能产生重要影响。为阐明生物结皮在内蒙古草地中的作用，本报告对两个草地生态系统进行了为期三年的调查，对生物结皮的氮素输入、对放牧的响应及其与植物的关系进行了综合研究。 2. 利用乙炔还原法，本研究对内蒙古退化草地中的生物土壤结皮中的蓝藻、地衣和地耳的氮素输入进行了为期30个月的连续测定。研究发现：1) 生物结皮固氮活性主要集中于5-10月，呈单峰型曲线，表明生物土壤结皮的固氮作用主要受温度和降雨影响;2) 生物结皮年固氮量为12.99-129.9 kg N•ha-1，98%的氮素固定于6-9月份;3) 按固氮量排序，蓝藻 (61%) > 地衣 (33%) > 地耳 (6%)，表明物种组成和丰度对生物结皮的氮素输入具重要影响。生物结皮的固氮量和季节变化表明生物结皮可以是影响退化草地中植物生长和促进退化草地恢复的重要影响因子。 3. 本研究选择三个放牧处理（长期放牧、短期围封和近期放牧）对生物结皮固氮活性进行了为期3年的研究。结果表明，与短期围封相比，长期放牧造成生物土壤结皮固氮活性下降了99.5%。固氮活性在放牧时间不足11个月时即可下降至最低水平，因此，放牧持续时间短于4个月的轮牧可能有利于生物土壤结皮的固氮。 4. 本研究选择6个放牧梯度（对照：0.00 羊/公顷, 极轻度放牧：1.33羊/公顷，轻度放牧：2.67羊/公顷，中度放牧：4.00羊/公顷，重度放牧：5.33羊/公顷，极重度放牧：6.67羊/公顷)，研究放牧强度对于生物结皮丰度、物种组成和固氮输入的影响。不同放牧强度对生物结皮丰度、物种组成和固氮输入具有重要影响，表明长期放牧可抑制生物土壤结皮在氮素输入和土壤固定方面的作用。极轻度放牧对生物土壤结皮影响不大;轻度放牧造成氮素输入降低了50%;重度和极重度放牧造成氮素输入降低了90%，并可使移动性较强的物种成为生物土壤结皮的优势组分，从而可抑制其土壤固定作用。因此，极轻度和轻度放牧是有利于生物土壤结皮固氮和固定土壤的草地利用方式。 5. 在处于恢复早期的一个退化草地中，我们对生物结皮和植物之间的关系进行了为期2年的研究。结果表明，生物结皮的丰度和物种组成与植物地上生物量和盖度高度相关。生物结皮丰度和氮素输入随植物生物量和盖度下降。结果还表明生物结皮是退化草地的主要氮素输入来源，尤其是在草地恢复初期。植物组织δ15N 低于土壤，这种差异随植物生产力增高而减小，表明生物结皮所固定氮素首先被植物利用，而后返回土壤。生物结皮的固氮输入变化可能是这种变化模式的主要原因，在分解作用和氮素损失中的同位素分馏，以及菌根真菌对于氮素的转运可能也是这种变化模式的原因。结果还显示生物土壤结皮与植物之间可能存在负反馈关系。这种自我调节的反馈过程可能是影响退化草地生态系统生产力和氮素循环的重要调节机制。

克氏针茅草原的土壤种子库特征与植被恢复

近几十年来，由于过度放牧和不合理的农业开垦，内蒙古的天然草原退化严重。自2000年起，中国政府制定了“退耕还林还草”政策，并在草原地区实行了“禁牧、轮牧、休牧”等草原管理措施，期望依靠自然力来恢复退化的草原。然而，这些政策究竟能够带来什么样的后果还是一个未知数。土壤种子库和种子雨的资料对于全面理解植物种群和群落的动态具有重要价值。退化生态系统的恢复评价应该包括土壤种子库和种子雨的资料。因此，我调查了不同利用方式下克氏针茅（Stipa krylovii）草原的土壤种子库、种子雨和地上植被组成，来探讨政府的恢复政策对于该地区草原生态系统的影响。 研究地点位于中国科学院多伦恢复生态学试验示范研究站的永久实验样地，该实验样地在内蒙古自治区锡林郭勒盟的多伦县境内，该地区属于典型的农牧交错区。 采用幼苗萌发法，本研究测定了三种具有不同土地利用历史的样地的土壤种子库密度和物种组成。它们分别是：放牧样地、围封样地和弃耕样地。主要的研究结果有： （1）弃耕样地的土壤种子库密度最大，且主要是一年生和杂草类植物的种子，弃耕地由于其开垦的历史导致种子库的物种组成与放牧样地和围封样地的种子库有明显区别，其种子库缺少合适的多年生植物的种子是限制弃耕地自然恢复为天然草原的重要因素。 （2）放牧虽然会降低土壤种子库的密度，但是其中并不缺少多年生植物的种子。恢复由过度放牧引起的退化草原比恢复由农业开垦导致的退化草原要容易一些。围封对于由过度放牧引起的草原退化有明显的积极作用。 （3）采用Sorensen指数来计算地上植被与土壤种子库的相似性，这三个样地土壤种子库与地上植被的物种相似性均较高。在地上植被生物多样性的调查中，不能将草原中的一些早春植物遗漏。 采用网筛分离法，本研究测定了四种具有不同土地利用历史的样地的种子雨密度和物种组成。它们分别是：放牧样地、围封样地、割草样地和弃耕样地。主要的研究结果有： （1）不同样地间种子雨的密度差异显著（p < 0.05）。围封样地的种子雨密度最大，弃耕样地和放牧样地的种子雨密度居中，割草样地的种子雨密度最小。 （2）弃耕样地的地上植被和种子雨中均存在大量的一年生植物，这可能需要放牧或者割草等其它的一些管理措施来去除一年生植物的优势，从而加快弃耕地向天然草原的恢复速度。 （3）围封样地和割草样地的种子雨和地上植被中的物种数目均比放牧样地的要少，且围封样地中多年生非禾草类植物的比例大大增加，说明禁牧会改变草原植被的物种组成，这些究竟给草原植被的恢复带来怎样的影响，需要进一步的研究。 （4）克氏针茅草原整个取样期间种子雨的降落是连续的，因此在一些长期土壤种子库的研究中应该结合种子雨的数据，不能简单的将7月份的土壤样品作为长期土壤种子库。 采用网筛分离法，本研究测定了不同留茬高度的刈割实验样地的土壤种子库密度和物种组成。主要研究结果有： （1）无割草处理的对照样地的土壤种子库密度与其它割草处理样地的土壤种子库密度之间差异不显著。可能的原因是刈割的实验小区过小，植物种子的散布能够从不割草样地传播到割草处理的样地，或者动物的采食以及搬运降低了对照样地中种子的数量。 （2）虽然多年生禾草类植物在地上植被中占优势地位，但其在土壤种子库中的密度很小，均不到土壤种子库总量的10%。可见无性繁殖对于保持多年生禾草类植物在植被中的优势地位具有重要的意义，而相反的是非禾草类植物在土壤中保存大量的种子作为种群扩大的重要手段。

围栏封育和自由放牧下植物群落特征和土壤特征对比研究

　　本文选取内蒙古锡林郭勒盟放牧退化羊草草地为研究对象，基于对连续7年的围栏样地和自由放牧样地的植物群落特征以及土壤理化性状特征的动态对比分析，揭示围栏封育措施对放牧退化草地恢复过程中植被-土壤系统的影响。研究结果表明： 　　(1) 围栏封育措施使退化羊草草地的物种多样性和群落均匀度较自由放牧区略有提高，群落生态优势度略有降低，但差异均未达到统计显著水平(P>0.05)。 　　(2) 围栏封育措施改变了退化草地的优势物种组成。随着封育时间的延长，草地群落优势种逐渐为典型草原代表性物种羊草和大针茅所替代，反映出典型草原特征；而自由放牧样地，其优势种主要以典型草原中度退化和重度退化时期的优势种或主要伴生种糙隐子草为主，并呈现优势度逐渐增强的趋势。表现出退化草原特征，且退化程度加剧。 　　(3) 围栏封育措施改变了退化草地功能群的结构。从生活型功能群看：尽管多年生草本在群落中的主体地位没有变化，但随着围栏封育时间的延长，灌木的优势度逐年升高，成为群落中处于次优势地位的功能群，一、二年生草本的优势度逐年降低。在自由放牧样地，一、二年生草本的优势度表现出逐年升高的趋势，成为群落中处于次优势地位的功能群，灌木的优势度表现出逐年降低。 　　从生态类型功能群的优势度看，尽管旱生植物一直是围栏样地和自由放牧样地群落的优势功能群。但自由放牧样地旱生植物的优势度显著高于围栏样地，且围栏样地内旱生植物的优势度呈现逐年降低趋势，中旱生植物显著增多。围栏措施促进了群落环境向中旱生环境转化。 　　(4) 围栏封育措施显著提高了群落植被的平均高度、地上生物量和凋落物量。但研究区域围封2年后，地上生物量达到了最高水平，以后随着时间的延续地上生物量逐渐降低。 　　(5) 围栏封育措施使退化草地的土壤理化性状（土壤容重、土壤有机碳、全氮）及其植物生存的土壤微环境（土壤温湿度）均得到不同程度地改善。土壤有机碳、土壤全氮含量以及土壤含水量有所提高，土表温度降低，日较差减小。 　　(6) 围栏封育对退化草地的结构和功能的恢复存在不同步性。其中群落生物量受围封措施影响最为明显，围栏2年已达顶峰。其次是群落的优势种，4年的围封已使典型草原的优势种羊草和大针茅成为群落的优势种。反应最为缓慢的是群落的多样性指标，7年的围封措施并没有使群落的多样性指标与自由放牧区形成显著的差异。同时土壤环境的改变也存在不同步性，其中土壤物理性状和微环境的改善要明显于化学性状的变化。因此，在制定围栏措施时，应考虑恢复目的，采用不同的恢复时间，从而提高草地的可持续利用能力，降低恢复成本。