土地利用及主要管理措施对高寒草甸生产—生态功能的影响

NWIPB OpenIR

	土地利用及主要管理措施对高寒草甸生产—生态功能的影响
	张振华
	2012-05
摘要	青藏高原高寒草甸作为CO2 的汇，在全球碳循环中充当了非常重要的角色。由于放牧压力的增加，草地的退化以及牧草产量的需求致使部分高寒草甸被开垦为人工草地；同时，由于生态保护工程的建设，大面积曾经被开垦的耕地被要求“退耕还草”，并且施肥、免耕等管理措施被广泛应用。如何进行管理和评价这些土地利用方式的生产－生态功能是能否制定青藏高原社会经济发展和环境保护双赢政策的关键。 2008～2010 年生长季在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站，我们选择3 种土地利用方式（天然放牧、弃耕恢复草地和建植人工草地）以及3 种处理措施（施无机肥、厩肥和免耕等），采用收获法对牧草产量以及品质进行了研究，并采用静态箱法对温室气体通量和净生态系统CO2 交换量进行了深入系统的研究，同时开展了不同土地利用方式和管理措施下土壤有机碳含量变化的研究。本研究的目的是要回答以下科学问题：（1）在该地区土地利用方式的改变对生产－生态功能是否有显著影响？（2）“退耕还草” 过程中是任其自然恢复还是可以改变为人工草地？（3）多年生人工草地和一年生人工草地以及禾草和豆科混播人工草地的生产－生态功能如何？（4）人工管理措施（如施氮肥或厩肥、免耕等）能否降低土地利用方式的改变所带来的潜在不利影响？因此，通过该论文的系统研究，试图利用单位牧草产量温室气体排放当量作为评价指标，从生产－生态功能的角度系统阐述人工草地在青藏高原区域社会经济发展中的作用和地位，为我国在全球气候变化谈判进程中提供必要的基础数据和理论支撑。我们得到以下结果和结论： 1、生物量。将恢复草地开垦为一年生燕麦草地后，地上生物量显著增加，地下生物量显著降低；开垦为多年生垂穗披碱草草地后，第一年地上生物量显著降低，2 龄和3 龄的垂穗披碱草草地以及一年生燕麦草地的地上生物量是恢复草地的2～3 倍。恢复草地的地上生物量与天然草地没有显著性差异，而恢复草地的地下生物量显著低于天然草地。恢复草地和天然草地的地下生物量是垂穗披碱草草地和燕麦草地的2～5 倍。不同管理措施对不同土地利用方式的地上生物量没有显著影响。2009 年，施无机氮肥和羊粪厩肥均显著增加了垂穗披碱草草地的地下生物量。在较湿润的2010 年，施无机氮肥显著增加了恢复草地的地下生物量，施羊粪厩肥增加了燕麦草地的地下生物量。与单播箭筈豌豆、燕麦草地相比，两种牧草的混播草地显著增加了地上生物量，并且是混播比例M3（300:75 kgha-1）和M4（450:45 kg ha-1）的地上生物量最大。但对地下生物量没有显著性影响。施氮肥对不同混播比例地上、地下生物量均没有显著影响。 2、牧草的品质。除了垂穗披碱草草地建植的第一年以外，恢复草地开垦为多年生垂穗披碱草草地和一年生燕麦草地后均显著增加了地上部分粗蛋白的产量。尽管恢复草地地上部分的粗蛋白含量显著低于天然草地，但是粗蛋白产量与天然草地没有显著差异。施无机氮肥对恢复草地地上部分的粗蛋白含量没有显著性影响，但显著增加了粗蛋白的产量。无论是施无机氮肥还是施羊厩肥均对垂穗披碱草草地地上部分的粗蛋白含量以及产量均没有显著性影响。施肥显著增加了燕麦草地地上部分的粗蛋白含量及产量。与单播箭筈豌豆草地相比，混播草地对牧草粗蛋白含量没有显著影响，但显著增加了牧草粗蛋白的产量。施氮肥对不同混播比例处理粗蛋白的含量和产量均没有显著影响。 3、二氧化碳（CO2）通量。恢复草地与天然草地的生态系统CO2 排放通量没有显著性差异。2008 年，恢复草地与天然草地的生态系统CO2 排放年平均通量是人工草地生态系统的CO2 排放年平均通量的2～3 倍。免耕、施肥对不同土地利用方式的生态系统CO2 排放通量都没有显著性影响。与单播箭筈豌豆草地相比，混播草地显著增加了生态系统CO2 排放通量，但是在水分充足的年份，这种差异并不显著。与单播燕麦草地相比，混播草地在水分充足的年份显著降低了生态系统CO2 排放，而干旱年份表现为没有显著性差异。施氮肥对不同混播比例处理的生态系统CO2 排放通量没有显著性影响。 4、甲烷（CH4）通量。青藏高原高寒草甸生态系统是CH4 的汇。2008 年，天然草地的CH4 汇的能力最低，显著低于其他3 种处理方式。恢复草地开垦为垂穗披碱草草地后，CH4 汇的能力第一年显著降低了26.7%，开垦为燕麦草地后CH4 汇的能力没有显著差异。以后两年内恢复草地、垂穗披碱草和燕麦人工草地之间CH4 汇的能力没有显著性差异。施肥对恢复草地和垂穗披碱草草地CH4 汇的能力没有显著性影响。2010 年施肥降低了燕麦草地CH4 汇的能力，尤其是施氮肥显著降低了燕麦草地CH4 汇的能力的15%。燕麦和箭筈豌豆不同混播比例和施肥水平均表现为CH4 的汇，施肥对不同混播比例CH4 汇的能力没有显著影响。燕麦、箭筈豌豆混播比例为300:75 kg ha-1 的处理CH4 汇的能力最高。 5、氧化亚氮（N2O）通量。恢复草地开垦为垂穗披碱草草地N2O 的排放通量显著增加了40.4%，而开垦为一年生燕麦草地后N2O 的排放通量显著增加了 100.7%。与天然草地相比，恢复草地N2O 的排放同量提高了约1.4 倍，尤其是在干旱的2008 年，但是3 年的观测期内，恢复草地和天然放牧草地之间N2O 排放通量的差异是在缩小的。施氮肥显著增加了恢复草地、垂穗披碱草草地以及燕麦草地的N2O 排放通量。施厩肥也增加了垂穗披碱草草地和燕麦草地N2O 排放通量。翻耕降低了燕麦草地施厩肥所增加的N2O 的排放通量。施氮肥显著增加了不同混播比例燕麦、箭筈豌豆混播N2O 的排放通量。燕麦、箭筈豌豆混播比例为300:75 kg ha-1 的处理N2O 的排放通量最高，混播比例为450:45 kg ha-1 的处理N2O 的排放通量最低；不同混播比例N2O 的排放量年际间差异显著。 6、二氧化碳当量排放强度。种植第一年的垂穗披碱草草地由于地上生物量显著低于其他3 种处理方式，其生态系统CO2 当量排放强度显著高于其他3 种处理方式。而燕麦草地其生态系统CO2 当量排放强度显著低于其他3 种处理方式，恢复草地和天然放牧草地生态系统CO2 当量排放强度之间不存在显著差异。2009～2010 年恢复草地和天然放牧草地的生态系统CO2 当量排放强度显著高于垂穗披碱草和燕麦人工草地的生态系统CO2 当量排放强度。不同土地利用方式下不同管理措施对生态系统CO2 当量排放强度没有显著性影响。总体上，随着草地类型地上生物量的增加，生态系统CO2 当量排放强度是降低的。因此在青藏高原高寒地区最大限度地提高牧草产量是降低生态系统CO2 当量排放强度的有效途径。施氮肥对燕麦、箭筈豌豆混播人工草地生态系统CO2 当量排放强度没有显著影响，燕麦、箭筈豌豆混播比例450:45 kg ha-1 由于拥有较高的地上生物量和较低的生态系统CO2 当量排放强度，并且牧草的品质也显著高于单播处理。因此从获得一定产量的牧草而减缓生态系统CO2 当量排放量、以及降低工业化肥施用量等角度，认为燕麦、箭筈豌豆混播比例450:45 kg ha-1 是最优的措施。 7、净生态系统二氧化碳交换特征（NEE）。将恢复草地开垦为垂穗披碱草草地其NEE 没有显著变化，而开垦为燕麦草地其NEE 在第3 年显著降低了27.8%。施肥对恢复草地、多年生垂穗披碱草和燕麦人工草地的NEE 均没有显著影响，但相对于不施肥的垂穗披碱草和燕麦草地而言，有降低其碳汇能力的趋势。翻耕显著降低了燕麦草地的碳汇能力。总体上，相对于单播箭筈豌豆和单播燕麦草地而言，燕麦、箭筈豌豆混播草地显著增加了碳汇能力。施氮肥对NEE没有显著影响。 8、土壤有机碳（SOC）含量。3 年的研究发现，将恢复草地开垦为人工草地，0～20 cm 土壤有机碳含量显著降低了9%左右。与恢复草地相比，天然放牧草地0～20 cm 土壤的有机碳含量显著降低了15%，并且垂穗披碱草草地和燕麦草地0～20 cm 土壤有机碳含量显著高于天然放牧草地。尽管恢复草地的土壤有机碳含量显著高于人工草地，但是恢复草地没有畜产品的产出，而人工草地特别是多年生垂穗披碱草草地可以在生产大量高品质牧草的同时，较好地维持土壤碳库。施肥对恢复草地土壤有机碳含量没有显著影响。与不施肥的处理相比，施肥尤其是施厩肥显著增加了多年生垂穗披碱草草地土壤有机碳的含量，但却显著降低了一年生燕麦草地土壤有机碳含量。与免耕相比，翻耕显著降低了燕麦草地土壤有机碳含量。因此施厩肥调控是延长多年生人工草地利用年限、促进可持续性发展的重要手段。不同的混播比例和施肥措施对土壤有机碳含量均有显著影响，并且混播比例和施氮肥存在互作效应。与不施肥相比，施氮肥显著增加了单播箭筈豌豆以及混播比例为450:45 kg ha-1 的燕麦、箭筈豌豆混播草地0～20 cm 土壤有机碳含量，显著降低了单播燕麦的0～20 cm 土壤有机碳含量，而对混播比例为150:105 和300:75 kg ha-1 的混播草地0～20 cm 的土壤有机碳含量没有显著影响。因此，将恢复草地开垦为多年生垂穗披碱草草地能获得单位产量和品质的牧草而产生较低的生态系统CO2 当量排放。而对于损失的土壤有机碳库，可以通过适当的添加厩肥来补充。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://210.75.249.4/handle/363003/57103
专题	中国科学院西北高原生物研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张振华. 土地利用及主要管理措施对高寒草甸生产—生态功能的影响[D],2012.