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由于干旱、过度放牧等自然与人为因素,科尔沁沙地草地生产力、经济潜力以及生态系统服务功能下降。20世纪70年便在该区开始了生态恢复技术与模式的开发研究,其目的是使退化生态系统恢复并维持生态系统的服务功能,为此,研究不同生态恢复模式对退化生态系统恢复的效益以及生态系统服务功能维持的机制,可为退化生态系统恢复提供理论与实践依据。
本研究在系统综述国内外生态恢复相关研究进展的基础上,分析了干旱半干旱地区生态系统退化的成因以及集合优化干旱半干旱地区生态恢复模式,以科尔沁沙地4种典型生态恢复为研究对象,即防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地以及撂荒草地,研究不同生态恢复模式下物种多样性、生物量、土壤质量、营养物质积累和碳贮存,揭示不同生态恢复模式下生物多样性维持功能、土壤改良功能、营养物质保持功能和碳贮存功能。
通过研究,本论文取得以下主要结果:
(1)与撂荒草地相比,防护林围草地、樟子松疏林草地和榆树疏林草地均能导致物种多样性有较高的恢复,其中防护林围草地生态系统物种多样性最高;四种生态恢复模式的生物量变化趋势与生物多样性一致。
(2)与撂荒草地相比,三种生态恢复模式显著提高了土壤的理化以及生物学性状,主要表现在:土壤容重降低、粘粒与粉粒含量增加、持水性能增强、有机质和氮、磷、钾含量增加,土壤微生物量碳以及微生物功能多样性提高;
(3)在四种草地恢复类型中,防护林围草地、榆树疏林草地与樟子松疏林草地N、P、K三种营养元素的积累均高于撂荒草地的N、P、K营养元素的积累,而且土壤-植物组分中N、P、K三种营养元素均主要贮存于土壤分室中;
(4)生态系统碳贮存量排序为:防护林围草地(104.29 t/ha)＞樟子松疏林草地(102.96 t/ha)＞榆树疏林草地(92.24 t/ha)＞撂荒草地(24.48 t/ha)。与撂荒草地相比,防护林围草地、樟子松疏林草地与榆树疏林草地均有较高的生态系统碳贮存量。大部分生态系统碳贮存量截获在土壤中(FG,72.08％;UG,74.17%;MG,79.98%;CK,96.53%),其中,0-30cm和0-50cm土层碳贮存量分别占土壤碳库41.81-60.13%和59.42-50.80%;
(5)4种生态恢复模式下生态系统有机质生产、土壤保持、营养物质积累以及碳贮存四项服务功能的总体价值排序为:防护林围草地(8109.78元.hm-2.a-1)＞樟子松疏林草地(7774.52元.hm-2.a-1)＞榆树疏林草地(7171.65元.hm2.a-1)＞撂荒草地(1893.46元.hm-2.a-1),其中土壤保持价值与生态系统碳贮存价值占总体价值的比例较高
综合分析表明,与未采取任何人为措施的撂荒草地相比,防护林,人工疏林与草地有机结合,均能不同程度地增加生态系统的物种多样性、生物量,改善土壤质量,增加营养物质积累和生态系统碳贮存量以及提高生态系统服务功能的价值,其中防护林围草地有较高的生态经济恢复效益。