混合放牧对松嫩草甸草原根系生产和周转过程及土壤碳通量影响的研究

The temperate grassland ecosystems allocate most of the photosynthate to the belowground part of the plant, however there are the constraints of the level of development of root sampling methods and root ecology theory, the study on underground ecological processes is still rather weak. Especially how mixed grazing affects root growth, root turnover, and the links of soil carbon fluxes process and root turnover process of grassland remains unclear. Therefore the current knowledge has severely constrained the theory development of global change in grassland ecosystems. Combined root ingrowth donuts with improved root window method, this study will be carried out in meadow steppe aiming to: how different grazing ways affect belowground net primary production, root turnover and C allocation. Our study focuses on the links of root production and root turnover and soil respiration. In theory, these data will predict how different grazing modes affect soil carbon sequestration under future climate change scenario; from practical point of view, this data could help us to calculate carrying capacity of grassland and promote sustainable utilization of grassland. This research can provide a basis for the improvement and development of grassland ecology theory.

尽管温带草原生态系统将大部分光合产物分配至植物地下部分，但受根系研究采样方法和理论发展水平的制约，过去的研究主要集中在植物地上，而对地下生态学过程的研究甚少。特别是混合放牧对草原生态系统根系生长和周转过程的影响，以及他们与土壤碳通量过程关联性的研究未见报道。因此，当前草原地下生态学的发展水平已经严重制约了生态系统与全球变化研究的理论拓展。本研究拟结合采用向内生长土环法与改进根窗法，以松嫩草甸草原为研究对象，以地下生态学过程为研究核心，主要研究羊单牧、牛单牧及其混合放牧对地下净生产力、根系周转以及光合产物分配的影响，特别关注根系生长过程、土壤呼吸过程和土壤微生物过程的关联性问题。弄清在当前气候条件下草原地下重要生态过程对不同放牧方式的响应机理；阐明植物根系生长过程与土壤碳通量（根系呼吸和土壤微生物呼吸）过程关联关系；揭开松嫩草原地下生态学“黑箱”过程。预测将来气候变化条件下，不同放牧方式对土壤碳封存（Soil C sequestration）能力的影响；从地下生态学的角度计算草原承载力，最终为草原可持续利用等问题提供地下生态学基础理论数据，为发展和完善草原地下生态学提供基础理论依据。

放牧作为草地最常见的利用方式一直备受关注，但以往的研究更多关注于植物地上部分对放牧强度的响应，尤其缺少关于不同放牧牲畜对植物地下根系的影响，特别是混合放牧对草原生态系统BNPP、根系生长和周转过程的影响，也就是说，当前草原地下生态学的发展水平已经严重制约了生态系统与全球变化研究的理论拓展。本研究利用向内生长土环法与改进根窗法相结合，以松嫩草甸草原为研究对象，以地下生态学过程为研究核心，主要研究羊单牧、牛单牧、混合放牧以及不同放牧强度对BNPP、根系周转以及光合产物分配的影响，经过连续三年的野外实验，得到如下结果：各评价指标对于不同放牧方式表现出高度的一致性，均表现为混合放牧处理下最高。其中混合放牧BNPP高于不放牧23%，但年际间差异并不显著；fBNPP显著高于不放牧处理29%，并在年际间差异显著，这说明地下根系对于不同降水条件以及放牧方式的响应相比较于植物地上部分更稳定；根系生产力和根系周转显著高于不放牧58%和65%，并随着放牧年限增加呈现增高的趋势，同时，混合放牧处理下根系生存时间和存活率在所有处理中也为最优。这主要是由于混合放牧所介导增加的土壤水分含量、地上生物量以及群落结果变化所导致。此外，我们的研究还发现混合放牧可以通过互补的采食偏好性有效的维持群落中优势物种的相对生物量以及物种多样性，综上，我们认为混合放牧是维持草地生物多样性、增加土壤碳输入、保证牧民收入的最优放牧方式。而在山西右玉草原所进行的有关不同放牧强度对于根系地下过程的研究则表明中度放牧强度不仅可以提高物种的多样性、保持优势物种羊草的竞争优势、更重要的是可以通过减少根系寿命提高根周转速率使光合作用产物更多的向地下分配。我们的研究为当前气候条件下草原地下重要生态过程对不同放牧方式的响应提供了参考；阐明植物根系生长过程与群落结构变化以及生物多样性变化的关联关系；为发展和完善草原地下生态学提供理论依据。