藏北高寒草原细根特征及其对放牧行为的响应

Fine-roots are the main organ of plants to absorb water and nutrients and play a key role in the energy flow and nutrient cycling of ecosystems. The alpine steppe of Northern Tibet is one of the main grazing grassland in Tibet, which has an extreme environment of high altitude, drought and cold. In this context, what is special of fine-roots dynamic in this alpine environment under the influence of human grazing activities compared to other grassland ecosystems? What is the mechanism of restricting fine-roots community structure and distribution of species coexists? How do fine-roots response to grazing? This study focus on these issues to explore the relationships between fine-root characteristic and ground vegetation, environmental factors, the competitive strategy of species coexists for nutrition and water, and the differences of fine-roots characteristics under different grazing frames in alpine steppe by using minirhizotron, fluorescent fragment length polymorphism, in vitro root respiration dynamic measurement technologies and fine root anatomical structure. The aims of this study are to reveal the key factors and its mechanism of affecting fine-roots characteristics in this special alpine environment, and to reveal the competition mechanism of coexisting species in ecosystem, and further to reveal the response and adaptation of fine-roots to grazing frames.

细根是植物吸收水分和养分的主要器官，在生态系统能量流动和物质循环中起关键作用。藏北高寒草原处于高海拔、干旱、寒冷的极端环境中，是西藏主要的放牧草场之一。在这样的背景下，人类放牧活动影响下高寒草原植物地下细根特征和动态，与其他区域草地生态系统相比有何特殊之处？共存物种地下细根群落结构和分布的制约机理是什么？其对放牧过程如何进行响应和适应？这些问题的解决就显得十分迫切。本研究针对这些问题，以藏北紫花针茅—青藏苔草半干旱高寒草原为研究对象，通过微根管技术、荧光片段长度多态、离体根呼吸动态测定和细根解剖结构等技术，研究细根特征与地上植被、环境因子的关系和其对营养和水分的竞争策略，对比自由放牧草地和短期禁牧草地细根特征的差异，揭示在高寒特殊环境中影响高寒草原根系特征关键因子和作用机理，生态系统中共存物种细根之间的竞争机制，及细根对放牧行为的响应和适应规律。

藏北高寒草原是西藏主要的放牧草场之一，具有独特的高海拔、干旱、寒冷的极端自然地理特征，植物在这样特殊的环境下对气候变化和外界干扰的响应尤为敏感。通过研究不同放牧强度下优势植物群落结构、组成变化及其与水分的关系，同时研究根际微生物群落结构及其多样性变化，发现：1）紫花针茅根系平均直径、根系生物量和比根长均受到放牧干扰的显著影响，而根长、根表面积、根体积差异不明显；青藏苔草根长、根表面积、根平均直径、根体积、根生物量和比根长在不同放牧处理下均没有表现出明显差异。2）改善土壤水分状况将显著增大根长、根表面积和根体积；而干旱刺激了根系获取水分的“积极性”，缩小根系直径的同时努力向土壤“深”、“宽”伸展。3）通过研究根尖解剖结构发现，紫花针茅对增水处理的响应更为敏感，在水分充足时增大比根长、比根面积、导管直径来增强水分吸收与运输。青藏苔草在缺水条件下降低导管直径、导管面积，而增水时也增大比根长。茵陈蒿在缺水条件下增加根组织密度来保护资源。4）根冠比随降水量的增加呈现降低的趋势，土壤缺水时植物转移生长中心至地下，增大根系生物量，从而增大根冠比。受到土壤水分养分异质性的影响，根系集中分布于0-30cm土层，随着土层加深而递减；根系直径均<2mm，随着土层加深而逐渐变细。5）通过高通量测序技术发现，根际土壤以变形菌门(47.19%)和放线菌门(42.20%)为主。基于Shannon指数、Chao1和Simpson指数的alpha多样性指数显示，除了香农指数在茵陈蒿群中存在显著差异外，紫花针茅和青藏苔草种群的根际土壤微生物群落的丰富度和均匀度基本相同。NMDS (Nonmetric多维标度)和MRPP (Multi Response Permutation Procedure)指出，3种植物组间差异大于组内差异，且只有紫花针茅组显著。微生物相互作用网络表明，茵陈蒿类群和禁牧处理的网络复杂性高于其他类群和处理，再次表明变形菌门和放线菌门是藏北高寒草原的网络核心微生物种，维持微生物群落的稳定非常重要。