放牧是草原生态系统最主要的人为干扰因素,也是草原群落构建的重要"外部"过滤因子.然而,关于放牧强度对草原群落构建的作用机制,尤其是在这一过程中种内性状分化和种间性状差异的相对作用目前的了解还比较有限.为此,该研究利用在内蒙古典型草原建立的长期放牧控制实验平台,采用土芯法(环刀)取样,系统分析了植物群落地上(株丛、叶片)和地下(根系)性状对放牧的响应.通过环刀-小区和小区-样地两个推绎尺度,研究了基于种内与种间性状变异的放牧强度过滤作用.研究结果表明:(1)随着放牧强度的增加,大多数地上性状的种内和种间变异呈增加趋势,而根系性状的种内和种间变异则显著降低.(2)随着放牧强度的增加,在环刀尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度先增大后减小,在中度放牧时达到最大;然而基于地下性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度逐渐增加.在小区尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度呈线性降低趋势;而基于地下性状种内变异的放牧过滤强度增加,基于种间差异的放牧过滤强度减弱.(3)随着空间尺度增大,放牧强度对草原群落构建的影响由基于种间性状差异的过滤作用逐渐转变为基于种内性状变异的过滤作用,此过程受土壤水分和养分的调控.这些研究结果为深入揭示放牧对草原群落构建的调控机制提供了科学依据,也为正确理解长期放牧导致的植被景观异质性和尺度效应评估提供了重要参考.该研究中叶片和根系性状主要考虑了结构性状,因此具有一定的局限性,未来研究可结合叶片和根系碳氮含量等化学性状指标,以全面理解放牧对植物地上、地下性状变异的调控机制.

在全球气候变化影响下,中国西北部干旱半干旱荒漠区降水格局发生显著变化,表现为极端降水和干旱事件增多,对荒漠植物群落结构和功能的影响引发广泛关注.以毛乌素沙地典型荒漠灌草植被黑沙蒿群落为研究对象,利用人工遮雨装置进行小区降水控制,设置降水量(W-:减水30％,对照组W:自然降水,W+:增水30％)和降水间隔(对照组T:降水间隔5d,T++:降水间隔15d)的双因素完全随机控制实验,监测各降水处理下黑沙蒿群落物种组成和生产力.结果表明:(1)与降水间隔5d的对照组相比,降水间隔期的延长显著提高了灌木和杂草的重要值,而降低了禾草的重要值.(2)与对照组自然降水相比,降水量的增加提高了黑沙蒿植物群落的多样性.(3)降水量的增加或降水间隔的延长均可以提高黑沙蒿的地上初级生产力.延长降水间隔会增加深层土壤的含水量,这有助于黑沙蒿对土壤水分的利用进而促进其生产力积累并增强了其在群落中的优势度.

积雪是影响草原春季土壤水分的重要因素,积雪量主要受降雪量和积雪再分配影响.然而,很少有研究探讨放牧对积雪量及融雪后土壤水分的潜在影响.研究不同放牧强度对典型草原积雪量及春季融雪后土壤水分的影响及机制,为草原的合理利用与优化管理提供科学依据.基于锡林郭勒典型草原长期控制放牧试验平台,于2016年和2017年,对禁牧(G0)、轻度放牧(G0.75)、中度放牧(G1.50)、重度放牧(G2.25)、极重度放牧(G3.00)等5种放牧处理下的植被、积雪量和土壤水分进行测定.结果表明,随着放牧强度的增加,积雪量逐渐减少,并且2016年的平均积雪量比2017年高57.63％.具体而言,与禁牧处理相比,极重度放牧使2016年和2017年的积雪量减少了 75.20％和74.53％.随着放牧强度的增加,春季土壤水分呈逐渐减少的趋势.2016年和2017年禁牧处理的春季土壤水分(0-40 cm)为14.91％和10.70％,是极重度放牧处理的1.5倍和1.4倍.土壤水分与植被特征(地上生物量和植被高度)和积雪(积雪量和积雪深度)呈显著正相关(P＜0.05).相比底层土壤,表层土壤(0-5 cm)水分对放牧的响应更敏感.结构方程模型结果显示,降雪量、植被和积雪对春季土壤水分具有显著的正作用.放牧通过去除植被,对草原积雪量和春季土壤水分有负作用.因此,为了获得更多的积雪量和春季土壤水分,土地管理者应考虑降低放牧强度或保留部分地块不放牧.

应用无人机近地面遥感技术估算草地生物量是目前较热门的方法,但构建的反演模型类型、变量、算法差异较大.通过在内蒙古锡林郭勒获取的无人机多光谱影像提取出波段反射率、植被指数等变量,与实际获取的地面样方调查数据结合,构建并对比了 8种最常用的参数与非参数方法构建的草地地上生物量预测模型,评估不同模型的精度和建模变量,以期能够优化得到最佳预测模型.研究结果表明8种模型中参数模型精度相对较低,非参数模型具有更高精度;参数模型中多变量的广义线性模型优于线性、对数和指数这3个参数模型;非参数模型中K近邻、支持向量机、极端梯度提升和随机森林4种模型的决定系数R2都大于0.7,但随机森林模型相对更稳健,且模型变量数最少.建模变量中归一化植被指数和红波段反射率变量对生物量估算作用较大.综上,随机森林模型是较适用于内蒙古锡林郭勒地区草原无人机近地面遥感技术估算草地生物量的模型,然而在超参数调整、算法优化,以及植被多源变量筛选等方面还需要更深入的研究.

草地植被能有效控制坡面侵蚀,然而不同草地植被类型及其冠层与根系对坡面侵蚀过程的调控作用尚缺乏系统研究.采用人工模拟降雨方法,定量研究了不同雨强下苜蓿与黑麦草冠层与根系对黄土坡面侵蚀过程、径流侵蚀动力及土壤抗侵蚀能力特征的影响.结果表明:与裸坡相比,苜蓿与黑麦草的平均减流效益分别为17.65％和9.80％,减沙效益分别为63.86％和69.88％.不同雨强下两种草被根系减流减沙的平均相对贡献均高于冠层,且根系减沙的相对贡献随雨强的增加而增大.草地植被主要通过削减坡面径流流速和增加坡面阻力的方式实现对降雨径流侵蚀动力的调控,草被根系对坡面径流的减速作用略大于冠层,但其增阻作用却明显小于冠层.黑麦草对坡面径流的减速增阻效益高于相同部位的苜蓿.坡面土壤侵蚀率与水流切应力的关系可用幂函数y=axβ较好地拟合.幂函数系数a解释为单位水流切应力所引起的土壤侵蚀模数,可作为反映土壤抗侵蚀能力的指标.草被根系作用下的幂函数系数减幅远高于冠层,反映了其增强土壤抗侵蚀能力作用明显高于冠层,这主要源于草被根系结构对表层土壤性质的改善.须根系黑麦草强化土壤抗侵蚀能力优于直根系苜蓿.本研究揭示了草地植被调控坡面侵蚀过程是通过地上冠层与根系的共同作用达到同时调控侵蚀动力和土壤抗侵蚀能力实现的,草被根系对坡面侵蚀控制起主导作用,且以须根系草被对黄土坡面侵蚀的调控效果最佳.上述结果可为草地侵蚀过程研究及黄土高原草被建设与管理提供科学依据.

为明晰祁连山东缘高寒草甸灌丛化对其植被群落与土壤理化特性的影响,选取甘肃省天祝藏族自治县高寒草甸灌丛化区域,调查其植被,采集土壤测定理化性质,分析植被与土壤的互馈关系.结果表明:高寒草甸植被的均匀度指数、高度、盖度、地上生物量、土壤含水率随灌丛化过程增加(P＜0.05),而多样性指数和容重均降低;全磷含量在各土层以灌丛区最高,但C∶P和N∶P以草甸区最高;土壤N:P＜14表明土壤养分主要受限于氮;土壤脲酶和过氧化氢酶活性在草甸区各土层显著高于灌丛区(P＜0.05);冗余分析显示前两个排序轴的累计解释量为54.88％,土壤过氧化氢酶与植被特征拟合的结果最好(Pr=0.010),表明高寒草甸灌丛化过程中土壤过氧化氢酶受植被特征的制约最大.可见,高寒草甸灌丛化显著影响了植被群落结构与土壤理化特性,在祁连山生态保护和管理中应该予以重视.

全球变暖影响物种多样性和生产力及其关系.关于全球和区域的物种多样性与生产力关系已有许多研究,但气候变暖背景下西藏高寒草地物种多样性与生产力的关系及其环境驱动机制研究仍然很少.基于西藏高寒草地实测的35个样点调查数据,利用回归分析、Pearson相关性分析、方差分解和结构方程模型等方法,探究了物种多样性和生产力的关系及其影响机制.研究发现:(1)高寒草地的物种丰富度指数和香农-威纳指数与地上植被净初级生产力(ANPP)呈显著正相关关系,且ANPP对物种丰富度指数的变化更为敏感;(2)物种丰富度指数与经度、土壤有效氮、土壤有效磷、年降水量呈显著正相关;Shannon-Wiener指数与海拔和纬度呈显著负相关,与年均温度呈显著正相关;ANPP与经度、土壤有效氮、年降水量和年均温度呈显著正相关,与海拔、纬度和土壤有效钾呈显著负相关;(3)地理因子、土壤养分和气候因子的交互作用对物种丰富度指数和ANPP的贡献率最大,分别为10.99％和32.91％,地理因子和气候因子的交互作用对Shannon-Wiener指数的贡献率最大,为13.61％;(4)地理因子通过调控土壤养分和气候因子间接影响物种多样性和ANPP,土壤养分和气候因子均直接影响物种多样性和ANPP.研究结果揭示了环境因子对物种多样性和生产力的综合调控机制,为西藏高寒草地生态系统科学应对气候变化提供了依据.

自20世纪70年代开始,归一化植被指数(NDVI)在天然草地地上生物量估测研究中得到了广泛应用.然而,NDVI对高密度植被生物量遥感估测存在饱和现象,使草地生物量遥感估测有较大的不确定性.以青藏高原东缘高寒草甸为例,基于比值植被指数(RVI)探讨了 NDVI的饱和性,并评估了 NDVI饱和性对高寒草甸地上生物量时空动态变化分析的影响.结果表明:(1)虽然基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)NDVI构建的草地地上生物量估测模型精度较基于RVI构建的估测模型高,但模型对高寒草地地上生物量(生物量大于2314.627 kg/hm2)灵敏度较RVI估测模型低,即NDVI阈值大于0.73时,估测模型呈现饱和现象(低估了草地地上生物量);(2)结合RVI和NDVI的相关关系,对饱和部分NDVI遥感植被指数进行校正,校正后最优地上生物量遥感估测模型为线性模型(y=5908.5x-2198.9,R=0.6190,RMSE=902.41 kg/hm2),较调整前RMSE降低了 11.72 kg/hm2;(3)就NDVI饱和性空间分布而言,从全年6月—9月初(全年第161-257天)饱和性呈现先自东南向西北延伸,后自西北向东南消退的变化趋势,平均低估值介于158.45-293.92 kg/hm2之间,最大低估值出现在8月初(全年第225天),超过600 kg/hm2;(4)此外,NDVI饱和性对草地地上生物量年际动态变化趋势分析具有较大的影响,去除饱和性影响后草地地上生物量基本不变的区域减小了 21.44％,而年际变化小于-10 kg/hm2和大于30 kg/hm2的区域分别增加了 8.48％和16.19％.研究探讨了 NDVI饱和性对草地地上生物量遥感估测的影响,以期为精确评估高寒草地地上生物量提供理论依据,同时也为高寒草地资源可持续发展提供科学依据.

为明确春季休牧对中度退化高寒草甸植被特征、土壤理化性质和土壤真菌群落特征的影响,本研究在祁连山区高寒草地设置春季休牧和自由放牧两个处理,休牧结束后于牧草生长旺季,调查草地植物群落特征并采集土壤样本.结果表明,春季休牧后高寒草地植物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数显著升高(P＜0.05),与自由放牧相比,分别升高了80.00％、50.94％和21.89％;植被生物量显著增加(P＜0.05),增幅达52.41％;休牧后草地地上/下生物量比值由8.58％增加到25.59％,休牧改变了植被生物量的分配格局;休牧后土壤有机碳和全钾含量显著增加(P＜0.05),增幅分别为10.64％和1.10％;而土壤容重和pH显著降低(P＜0.05),降幅分别为17.83％和4.60％.春季休牧处理下土壤子囊菌门的相对丰度增加,而被孢霉菌门的丰度下降;土壤真菌群落多样性指数在两处理间差异不显著;PCoA分析结果显示,主坐标1(PCo1)、主坐标2(PCo2)和主坐标3(PCo3)对真菌群落结构差异的解释率分别为17.58％、12.07％和11.51％,累计解释率为41.16％;真菌共现网络模块化分析发现,春季休牧处理下土壤真菌网络复杂性更高,土壤真菌群落更稳定.植被和土壤因子的方差分析结果显示,土壤含水量和植被地下生物量是影响真菌群落重构的两个主要调控因子.

土壤种子库是植物多样性的潜在储备,对矿区植被重建和生态恢复有着重要影响.本研究通过野外调查和室内实验分析了祁连山自然保护区不同海拔典型煤矿修复区和对照区(未破坏样地)的土壤种子库特征,探讨了土壤种子库物种组成与土壤因子的关系.结果表明:修复区和对照区土壤种子库密度随海拔升高而增加;相同海拔的修复区土壤种子库密度显著小于对照区(P＜0.05);修复区土壤种子库的Margalef丰富度指数、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数在海拔2510和2630 m处显著低于对照区(P＜0.05);修复区地上植被与土壤种子库物种组成的Sorenson相似性随海拔升高而降低;冗余分析表明,土壤有机质、全氮、土壤容重和土壤含水量等土壤因子与土壤种子库物种组成呈显著相关(P＜0.001).综合分析表明,祁连山自然保护区煤矿修复区的土壤种子库特征与对照区差异较大,特别是海拔2510和2630 m的样地,需要采取其他措施(如人为添加种子、改良土壤特性等)巩固修复效果.