松嫩草地地下净生产力和细根动态对不同的管理实践的响应

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草地生态系统作为重要的地下碳储存库,在地球上广泛分布着。地下碳存储是草地生态系统碳循环以及分配的核心部分。了解草地中地下碳过程(尤其是根周转过程)可以帮助我们更好地认识陆地生态系统的碳循环。然而,大面积草地由于自然因素以及人类过度开垦、刈割、放牧以及农场管理方式等人为因素而受到严重破坏。在中国,过度开垦导致的草地退化已经成为严重的环境生态问题,退化草地的恢复显得十分紧迫。为此,有必要考虑地下部分对不同草地管理措施的响应,以及考虑这些措施对植物整体恢复效果(包括地上和地下部分)。松嫩草地作为中国的主要草地,位于吉林省,是一个典型的草甸草原。目前关于不同草地管理措施,尤其是枯落物播种、耕作、地上生物量割取等措施对地下净初级生产力(BNPP)、地下生物量分配率(fBNPP)、细根动态(根生产、根死亡、现存量以及根周转)和细根寿命的影响研究还未见报道。因此,研究不同草地管理措施对BNPP、fBNPP、细根动态、根寿命的影响能增强人们对松嫩草地地下生态过程的了解,研究结果可填补和丰富该领域研究空白。此外,结合地上、地下生物量数据,能够评估不同草地管理措施对松嫩草地恢复的效果,为合理的开发以及有效的恢复草地生态系统提供科学依据。为了研究不同草地管理措施对BNPP、fBNPP、根生产、死亡、周转以及细根寿命的影响,于2012-2014年选择二处主要样地,采用不同的生态管理措施,样地1:枯落物与播种结合样地。措施包括向退化的弃耕地中分别添加不同量的枯落物(0g m-2,200 gm-2,400 g m-2和600 g m-2),然后随机分隔成播种和未播种两种处理。每个处理中设置4个子处理:未播种的保留枯落物(NSKL);未播种的去除枯落物(NSML);播种的保留枯落物(SKL);播种的去除枯落物(SML)。样地2:对退化草地采用7种不同的管理措施:玉米耕作(MT)、玉米免耕并保持残留(MNTKR)、玉米免耕并去除残留(MNTMR)、人工草地未去除枯落物(AGNCL)、人工草地去除枯落物(AGCL)、自然草地未去除枯落物(NGNCL)和自然草地去除枯落物(NGCL)。此外,为了了解退化的弃耕地在自然植被恢复阶段物种分布格局与土壤盐分梯度的关系,选取3处代表性的植被斑块,分析土壤电导率(EC)、土壤pH、土壤有机质(SOM)以及土壤氮(N)与植被分布的对应关系。根据斑块不同的外观情况和物种分布,将取样斑块分为中心区(CS)、中间区(MS)和外围区(OS)进行取样。在农业耕地、人工草地、天然草地和枯落物管理样地的3年研究期间,土壤含水量有明显的季节性动态变化,且在植物生长季达到峰值。由于2012年降水较丰富,BNPP在2012年高于2013年和2014年。在枯落物和播种管理样地,BNPP为53-301 gm-2,播种管理主要通过提高羊草(Leymus chinensis)产量,使BNPP提高了34%。相比于未播种处理,播种处理下去除每年的枯落物对BNPP的提高更明显,尤其是在2012年和2014年。播种处理下,相比于保留枯落物,BNPP在去除每年枯落物处理下提高了18.19%,表明播种和去除每年枯落物增强了对BNPP的影响。同样,玉米和草地管理样地的BNPP为220-1331 g m-2,而且玉米管理的高于人工和自然草地管理。耕作和去除枯落物显著提高了BNPPL。然而,由于当地牧草物种(羊草)的添加,人工草地BNPP(280gm-2)相比于自然草地BNPP(240gm-2)提高了更多。与BNPP类似,枯落物和播种管理样地中fBNPP为0.28-0.42,且由于地下生物量分配的提高,fBNPP随着枯落物量的增加而增加,进而提高全球碳封存。此外,在玉米、人工草地和天然草地管理样地,fBNPP为0.25-0.54,且在2014年显著地高于2012、2013年。特别的是,在自然草地管理下,去除枯落物提高了fBNPP,这可能是由于干旱导致更多的生物量向地下分配。细根动态(根生产、死亡、现存量和根周转)贯穿于植物的整个生长季,且在土壤0-10cm层和10-20cm层的细根动态随着时间波动,与土壤含水量密切相关,峰值出现在7月和9月。土壤表层20cm根周转率为1.9-2.9 yr-1,且在人工草地和自然草地中,去除枯落物显著提高了根的周转率。此外,不同处理的根寿命存在显著差异,0-10cm土层和10-20cm土层的中位寿命分别在364-785天和380-786天,且差异在去除枯落物处理下更显著。通过调查物种分布格局与土壤盐分梯度的相关关系得到,与土壤EC相反,SOM从中央到外围区域都显著提高。地上生物量和物种分布格局均与SOM显著相关,这与土壤EC形成对比。在中心部分,一年生物种地肤(Kochia scoparia (L.) Schrad)占总生物量的90%以上,然而作为外围区域最占优势的多年生物种羊草(Leymus chinensis (Trin.) Tzvel)和芦苇(Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud)的生物量占总生物量的90%以上。在中间部分,大多数物种能够很好地共存,多年生物种体现出从相邻植物种间关系获利。总结而言,我们的结果表明结合枯落物和播种,去除枯落物,耕作实践可提高BNPP,细根动态和寿命,进而会提高全球C存储。因此,对将来模拟预测气候与碳的反馈具有重要借鉴价值。可持续且有效的草地恢复意味着地上、地下生产力的提高,相关人员应考虑利用目前研究的方法措施来开展恢复,并通过制订提高草地生产力的协议呈现恰当的选择。此外,由于植被对土壤生物化学参数响应敏感,对这一区域的恢复研究应重在提高SOM含量,减小盐分胁迫,恢复顶级物种群落。因此,建议今后的研究应考虑可降低土壤盐分和pH值,以及提高SOM和N含量的技术方法来实现松嫩草地弃耕地的持续、有效的恢复。
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