半干旱沙地植被恢复演替对土壤碳氮固存潜力的影响及模拟

本项目针对全球变化背景下我国北方农牧交错带土地沙漠化这一重大生态环境问题，开展沙地植被恢复演替对土壤碳氮固存潜力的影响及模拟研究，对退化沙地生态系统恢复与管理具有重要的理论意义和应用价值。研究内容包括：（1）沙地植被恢复演替过程中植物生物量及碳氮分配特征；（2）沙地植被恢复演替过程中凋落物量及其碳氮含量特征；（3）沙地植被恢复演替过程中土壤碳氮储量及其分布格局；(4) 沙地优势植物对土壤碳氮固存潜力影响的模拟。该项目紧密结合当前科尔沁沙地沙漠化逆转趋势，通过野外观测、控制模拟和室内分析相结合的研究方法，揭示沙地植物种群、功能群和群落的生物量及其碳氮分配模式和规律，确定凋落物对土壤碳氮的归还量，阐明沙地植被自然恢复演替序列土壤碳氮储量格局和转化规律；基于沙地土壤碳氮自然积累的表征参数与群落组成碳氮库的定量关系，构建植被恢复演替的土壤碳氮变化模型，为区域土壤碳氮收支平衡和管理提供科学依据。

全球变化背景下陆地生态系统植被变化影响着土壤碳氮的输入，进而影响土壤碳氮的固存潜力。本研究通过野外观测、室内试验和数学模型，基于沙地退化植被恢复过程中群落组成、植物功能多样性、植被-土壤系统的碳氮分配与储量等参数的确定及其相互关系的分析，系统地研究了半干旱沙地退化植被恢复演替对土壤碳氮固存潜力的影响。结果表明：1）沙地退化植被恢复过程中土壤碳、氮、pH、电导率、容重和粘粉粒组成的梯度决定了群落分布和物种多样性变化；沙地植物群落物种丰富度具有明显的尺度依赖性规律，而土壤特性和优势种的变化影响着不同恢复阶段物种丰富度的变化及其与生产力的关系； 2）沙地退化植被恢复过程中一年生植物、C3植物对群落碳氮的固存具有重要的贡献作用，而C3植物对C4植物生物量的下降具有补偿作用；3）沙地退化植被的恢复过程中地上生物量、凋落物量与土壤的碳和氮含量逐渐增加，而一年生和灌木植物的优势度变化及其碳氮含量的不同导致了退化植被恢复过程中地上植物群落和地下根系碳氮含量的差异；4）沙地退化植被恢复过程中植物、凋落物、土壤和总的生态系统碳氮储量明显增加，超过80%的碳氮储存于土壤中，沙地退化植被恢复过程中土壤具有较大的碳氮固存潜力；5) 沙地退化植被恢复过程中物种丰富度、生物量与土壤的碳氮储量均具有正线性关系，物种丰富度和生物量的增加能够极大地促进土壤碳氮的积累和固存；6）沙地退化植被恢复过程中优势物种及其功能性状的变化能够解释和预测植被-土壤系统中碳氮储量的变化，支持了生态学中“生物量比”假说。本研究阐明了沙地退化植被恢复过程中植被-土壤系统碳氮储量及其分配规律，构建了沙地退化植被恢复过程中的土壤碳氮变化的解释模型，揭示了沙地土壤碳氮固存和积累的植被驱动机制，为该区域土壤碳氮收支平衡和管理提供了科学依据。