放牧对林下草地植被、土壤空间异质性及其相互关系的调控机制

Spatial heterogeneity is one of the key characteristics of grassland ecosystems, which drives many ecological processes in a wide array of grassland ecosystems. Human disturbances (e.g. grazing and fire) can strongly change spatial heterogeneity of grassland ecosystems, thus impacting ecosystem function. It is of fundamental importance of understanding how disturbance shapes and maintains grassland spatial heterogeneity. By conducting a three-year grazing experiment at different temporal and spatial scales, we study the effects of herbivore grazing on plant and soil spatial heterogeneity and their correlation in understory grassland, China. We aim to reveal how herbivore grazing shape, maintain and change plant and soil spatial heterogeneity by analyzing the effects at different scales. We try to acquire the deeper recognition and understanding of animal-plant-soil interactions in understory grassland base on a new perspective of spatial heterogeneity. In addition, this study will shift livestock from natural grassland to understory grassland, which may have importantly practical implications for reasonable utilization of grassland resource, alleviating the pressure of the natural grassland, maintaining grassland ecosystem functions and better providing ecosystem goods and services. It also can guide grazing management and make optimal grazing policy for understory grassland ecosystem.

空间异质性是草地生态系统的核心特征之一，同时也是草地生态系统中诸多生态过程的重要驱动力。人类活动干扰（如放牧、火烧等）能够强烈地改变草地空间异质性，进而影响生态系统动态和功能。因此，理解人类活动干扰条件下草地空间异质性的形成和维持机制尤为重要。本项目以我国林下草地为研究背景，通过三年的林下草地放牧试验，在不同的时间和空间尺度上，开展放牧对林下草地植被、土壤空间异质性以及二者之间关系影响的研究。通过分析家畜在不同时空尺度上的作用效应，揭示放牧干扰条件下草地植被、土壤空间异质性的形成、维持和改变机制。本项目从空间异质性的视角，试图获得放牧对林下草地动物—植物—土壤互作关系的理解和新认识。此外，本项目将天然草地的放牧家畜分流到林下草地，对于合理利用草地资源，缓解天然草地压力，维持草地生态系统功能具有重要的应用价值；本研究对科学地指导林下草地放牧活动和制定最优的放牧管理政策也具有实际指导意义。

植物和土壤特征的数量和空间格局是生态系统中诸多生物和非生物过程的一个重要响应变量，是生态系统结构和功能的重要驱动力。先前的研究主要关注放牧强度、放牧时间等因素对草地空间异质性的影响，而关于不同的放牧方式对草地空间异质性的研究较少。本研究探讨了不同的放牧方式对林下草地植被、土壤特征和空间异质性的作用效应，同时分析了放牧草地中土壤空间异质性与植物多样性和群落异质性之间的相关性。研究结果表明，不同的放牧动物对林下草地植被和土壤特性及其空间异质性的作用效应显著不同，均强烈地依赖于草地植物多样性背景。混合放牧对土壤营养元素（全氮、有机质、全磷）提高了营养元素含量，同时产生和维持了草地的斑块化空间分布格局，提高草地的空间异质性。从单牧角度考虑，牛、羊单牧分别维持了高多样性草地、低多样性草地土壤营养元素的斑块化空间分布格局，并提高土壤营养元素的空间异质性。进而可能会进一步影响草地生态系统的结构、过程和功能。同时，我们的研究发现，在放牧草地中，草地可利用氨态氮的空间异质性与植物群落异质性之间具有显著的正相关关系。因此，草地氨态氮的空间异质性的提高有利于促进草地的植物群落异质性。土壤可利用氮的斑块尺寸与样地水平的丰富度之间存在显著的正相关关系，符合草地异质性-多样性假说。因此，由放牧带来的草地斑块化的形成和维持机制有利于促进草地植物多样性的维持。本项目的开展对于当地退化草地的植被和土壤恢复具有重要的意义和应用前景。同时，本研究对于当地指定合理的放牧政策和放牧制度具有较好的指导意义。