半干旱区羊草草原群落结构和稳定性对水分变化与刈割强度的响应机制

It is an urgent issue to achieve sustainable development on arid and semi-arid grassland ecosystem under the background of abnormal climate change and intensified anthropogenic disturbance. This research was carried out on clipping pasture of leymus chinensis steppe in agro-pastoral area. The mechanism of functional composition, productivity, diversity and stability in respone to different water conditions (using the rainfall-out shelf and irrigation facilities ) and clipping disturbance within a L.chinensis community were studied. The aim is to answer the mechanism that interactions within functional groups would alleviate the interference of water conditions change and clipping intensity on L. chinensis steppe community, and points out the relationship and maintaining mechanism among productivity, diversity and stability of L. chinensis community in semi-arid grasslands，and reveal the potential functional composition of L. chinensis community, transformation conditions, driving factors and the threshold under extremely water conditions change and clipping intensity. Using the experimental result, we could forewarn potential risk on semi-arid L.chinensis steppe and predicate community development trend under the experimental simulation the disturbance of water conditions and clipping intensity, so as to realize L.chinensis steppe adaptive management, promoting the sustainable development of grassland.

在气候变化异常和人为干扰加剧的背景下，干旱半干旱区原本脆弱的草原生态系统实现可持续发展成为亟待解决的问题。本研究以半干旱区羊草草原割草场为研究对象，通过野外控制试验，研究群落功能群的组成、多样性、生产力和稳定性对水分变化（使用自行设计的遮雨架和灌溉设施实现）和刈割干扰下的响应机制。阐明功能群间相互作用对缓解水分变化和刈割强度干扰的机制，及物种多样性与生产力和稳定性的关系对设置干扰的响应机制，揭示半干旱区羊草草原在极端水分变化和刈割干扰下存在的潜在群落结构，及不同群落结构间转化条件、关系、主要驱动因子以及阈值。初步实现半干旱羊草草原潜在风险预警和基于试验模拟的水分和利用干扰下的群落发展趋势预测，从而为实现半干旱区羊草草原适应性管理，可持续发展奠定科学基础。

在全球气候变暖和人为干扰加剧的大背景下，干旱半干旱区原本脆弱的草原生态系统实现可持续发展面临严峻的挑战。在沽源国家草地生态系统野外试验基地，在羊草草原上开展了原位控制试验，根据区域降雨变异程度设置了降雨量不变，增加50%，减少50%三个水分梯度，以及全年刈割2次和刈割1次的利用强度，共计6个试验处理。利用土壤水分和温度，物种组成，功能群和群落初级生产力的数据，对群落的结构和功能对水分变化和刈割强度干扰的响应机制进行了研究。主要结果（1）揭示了在生长季的不同阶段，羊草、南牡蒿、糙隐子草、菊叶委陵菜等不同物种的重要值对水分和刈割强度的响应规律；（2）揭示了不同功能群的初级生产力，对水分和刈割强度的响应规律。明确了在全年刈割1次处理时，降雨量为387.28 mm时，群落初级生产力达到极值170.62 g/m2；全年刈割2次处理，降雨量为665 mm，群落初级生产力达到极值204.19 g/m2，超过极值的降雨会导致生产力降低。南牡蒿、糙隐子草和菊叶委陵菜的生物量随着降雨量增产而增加，而多年生根茎禾草羊草的生物量降低；(3) 全年刈割2次处理的初级生产力显著高于刈割1次处理的，增产的产量来自于非禾草，而不是羊草；（4）利用标准回归系数量化了水分和刈割强度对群落和功能群的初级生产力和羊草重要值的贡献值。水分和刈割处理对羊草初级生产力的贡献值都不显著，水分对其它草种初级生产力，群落初级生产力和羊草重要值的贡献值为0.467（P<0.01）, 0.315（P<0.01） 和 −0.420（P<0.01），高于刈割的贡献值0.252（P<0.01）, 0.248（P<0.01） 和 −0.191（P<0.05）；（5）在降雨量减少模式下，羊草群落的演替方向是旱生的克氏针茅群落。在降雨增加模式下，演替方向是中旱生的菊叶委陵菜群落。此外，研究发现掉落物和养分添加对羊草群落结构和生产力的具有显著影响。项目首次阐明水分变化是导致羊草群落初级生产力和羊草重要值变化的主因，构建了羊草草原潜在群落之间的演替模型，为羊草草原在气候变化下的适应性管理提供了科技支撑。