温带草原不同土地利用方式下优势种植物和生态系统的气体交换

温带草原不同土地利用方式下优势种植物和生态系统的气体交换内容摘要：

植物生态学报 2013, 37 (8): 718–727 doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00075 http://www.plant-ecology.com Chinese Journal of Plant Ecology 温带草原不同土地利用方式下优势种植物和生态 系统的气体交换 张梓瑜 龚吉蕊* 刘 敏 黄永梅 晏 欣 祁 瑜 王忆慧 北京师范大学中药资源保护与利用北京市重点实验室, 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京师范大学资源学院, 北京 100875 摘 要 在内蒙古温带草原围封、放牧和割草3种处理下的样地内, 对生态系统尺度和大针茅(Stipa grandis)、冷蒿(Artemisia frigida)、羊草(Leymus chinensis) 3种优势种植物叶片尺度上的气体交换和水分关系进行了测定, 对比研究了植物碳水对环境 的响应。结果表明, 在优势种单株尺度和生态系统尺度上, 大气-植被CO2交换因草地利用方式的不同而具有不同的表现。在 生态系统层面, 放牧样地的群落净CO2气体交换量和总初级生产力都与围封样地和割草样地有差异, 群落总初级生产力受生 态系统呼吸的影响。在放牧处理下, 群落净CO2气体交换量日变化表现为生态系统对碳的吸收, 而围封和割草则以碳释放为 主。单叶光合速率出现负值并随时间推移而恢复的现象, 应是植物对干旱高温、高光照的特殊反应。生态系统水分利用效率 没有明显不同, 但各样地的蒸散能力有趋势上的变化; 对于同种植物, 放牧样地植物单叶水分利用效率的日变化波动幅度最 大, 围封样地最小。 关键词 优势种, 气体交换, 草地利用方式, 温带草原, 水分利用效率 Dominant species and ecosystem gas exchange in temperate grassland under different land use patterns ZHANG Zi-Yu, Gong Ji-Rui*, LIU Min, HUANG Yong-Mei, YAN Xin, QI Yu, and WANG Yi-Hui Key Laboratory of Traditional Chinese Medicine Protection and Utilization of Beijing City, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, College of Resources Science & Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China Abstract Aims Ecosystem carbon uptake or release is influenced by land uses. However, few quantitative studies have been made to give accurate explanations. Based on field measurements of gas exchange and water relations at the leaf scale and the ecosystem scale in temperate grasslands locating in northern China, we aim to 1) clarify the difference in carbon exchange between the leaf scale and the ecosystem scale in different land uses; 2) understand how human activities influence the carbon pools at the ecosystem scale by analyzing changes in gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (Reco); and 3) explore whether water condition in semi-arid steppe restricts CO2 absorption at the ecosystem level. Methods We selected three dominant spcies, Stipa grandis, Artemisia frigida and Leymus chinensis, based on quadrat surveys. Some ecophysiological indexes were measured using a modified LI-6400 in the sample plots of three land use patterns: enclosed plots, mowed plots and grazed plots. We calculated net ecosystem CO2 exchange (NEE), GPP, Reco and water use efficiency (WUE) with the measured results. All data were analyzed using one-way ANOVA and t-test of SPSS. Important findings By comparing the carbon exchange of dominant species at the ecosystem scale, we found that carbon exchange varies with change of land use. NEE and GPP of the ecosystem in the grazed plots are different from those in the enclosed plots and the mowed plots, and GPP is more dependent on Reco. In grazed plots, the diurnal change of NEE shows C uptake, but in the other two plot types it appears to release C. The phenomenon that negative net photosynthetic rate (Pn) returns to positive values from midday to dusk should be a special reaction of plants living in grasslands to protect themselves under high light and temperature conditions. There is no difference in WUE at the ecosystem scale, but the tendency of evapotranspiration (ET) is not the same; nevertheless, the degree of fluctuation of WUE for the same species at the leaf scale is largest in the grazed plots and smallest in the enclosed plots. —————————————————— 收稿日期Received: 2013-03-20 接受日期Accepted: 2013-05-16 * 通讯作者Author for correspondence (E-mail: jrgong@bnu.edu.cn) 张梓瑜等: 温带草原不同土地利用方式下优势种植物和生态系统的气体交换 Key words 719 dominant species, gas exchange, grassland use pattern, temperate grassland, water use efficiency 人类活动的增加引起大气CO2 浓度的变化, 进 生理生态反应机制主导着生态系统对环境变化的 而 引 起 陆 地 生 态 系 统 碳 (C) 的 吸 收 (Battle et al., 响应。优势种的C循环机理是理解草地群落和生态 2000)。理解生物圈和大气之间CO2交换的控制因子 系统过程的关键(Anderson et al., 2006), 在生态系 以及C的吸收, 已成为一个非常重要并受到普遍关 统的研究中起着承上启下的作用, 是不同尺度生态 注的科学问题(Eronent et al., 2010)。草地面积占全 系统研究的基础, 能真实地反映不同草地利用方式 球陆地面积的40%以上, 储藏了大量的土壤C, 在 下优势种对气候环境因子变化的响应(Makhnev & 全球C循环中占有至关重要的地位(White et al., Makhneva, 2010)。 鉴于此, 本文作者在内蒙古温带草原开展不同 2000; Soussana & Lüscher, 2007)。我国草地面积近 2 400万km , 约占国土总面积的40%, 是我国面积最 草地利用方式(围封、放牧和割草)下, 从优势种植物 大的陆地生态系统(陈佐忠等, 2000; Akiyama & 叶片尺度到生态系统尺度研究植物对环境的响应, Kawamura, 2007)。地处欧亚大陆温带干旱、半干旱 以期了解不同草地利用方式下优势种植物个体在 气候区的内蒙古草原是我国北方温带草原的主体, 不同尺度上(大气-植被CO2交换层面)的响应是否受 储藏了大量的土壤C, 在我国草地C平衡中占据重 到人为影响; 在生态系统尺度下, 通过分析总初级 要的地位(朴世龙等, 2004), 同时也是我国畜牧业发 生产力和生态系统呼吸的变化, 了解人类活动对C 展的基地, 在生态环境和地区社会经济发展中起着 库的影响; 探讨半干旱草原的重要环境因子——水 重要作用。然而, 随着人口数量的