Tibetan pasture degradation under the impact of global change: Consequences for carbon and nutrient cycles and recovery strategies

by Shibin Liu
Cumulative thesis
Date of Examination:2017-07-13
Date of issue:2017-07-27
Advisor:Prof. Dr. Yakov Kuzyakov
Referee:Prof. Dr. Michaela Dippold
Referee:Prof. Dr. Sandra Spielvogel
Referee:Prof. Dr. Bruno Glaser
Referee:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6409

 

 

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Abstract

English

The Tibetan Plateau hosts the world’s largest alpine pastoral ecosystems, dominated by the endemic sedge Kobresia pygmaea C.B.Clarke. Overgrazing on the Tibetan Plateau has caused severe degradation of vegetation and soils over the past 30-50 years. Due to the very harsh environment and nitrogen (N) and phosphorus (P) limitations in soils, these pastoral ecosystems are particularly sensitive to disturbances (e.g. anthropogenic activities and climate change) and exhibit slow recovery. The objectives of this thesis were to 1) summarize the mechanisms of pasture degradation, 2) elucidate the effect of pasture degradation on carbon (C) and nutrient cycles and 3) assess the impacts of recovery strategies on degraded Tibetan pastures. Laboratory chamber incubation experiments were established to investigate the effects of pasture degradation on C and N cycles, the response of Tibetan pastures to the simulated warming and increased precipitation and the impacts of manure application strategies on plant growth. A literature review was conducted to summarize the consequences of pasture degradation on soil organic carbon (SOC), N and P stocks across the entire Tibetan plateau, in order to evaluate the primary mechanisms of the SOC and nutrient losses. Additionally, the impacts of recovery strategies on degraded pastures were also summarized accordingly. Tibetan pastures at the intermediate degradation stage exhibited the highest C loss as CO2 emission and DOC leaching, while the highest N loss occurred in the extreme degradation stage of Tibetan pastures. These are primarily explained by the gradual disappearance of living plants and the decrease of C stocks, along with the more serious Tibetan pasture degradation. The simulated warming increased the activities of all enzymes relating to C, N and P cycles. Similarly, simulated increases in precipitation enhanced CO2 emission from pasture soils. These results indicated that both simulated environmental factors (i.e. increased temperature and precipitation) prompted nutrient release and CO2 emission, inducing greater loss of C and nutrients from Tibetan pastures. The literature review showed that degradation on the Tibetan Plateau has triggered significant loss of SOC (-42 ± 2 %), N (-33 ± 6 %) and P (-17 ± 4 %) contents compared to non-degraded pastures. While losses of total N and plant biomass were found to be accompanied by SOC losses, total P loss was resistant to decreasing SOC content because of its precipitation as Ca3(PO4)2. While various strategies have been implemented to cease and even reverse the degradation processes, their effects on soil quality are still ambiguous, and restoration of soil fertility and ecosystem stability is infeasible due to very slow pedogenic processes, slow vegetation restoration, as well as continuously increasing anthropogenic pressures and global climate change. As a result of the rapid losses of SOC and nutrients and the very slow recovery potential, natural Kobresia root mats will disappear in the coming decades. This will dramatically destabilize these unique alpine ecosystems and have broader negative impacts on global environmental changes.
Keywords: Tibetan Plateau; Grassland degradation; Soil organic carbon; Soil nutrients; Climate change; Manure application; Enzyme activities; Zymography

German

Das Tibetische Plateau beherbergt die weltweit größten alpinen pastoralen Ökosysteme, dominiert von der endemischen Sedge Kobresia pygmaea C.B.Clarke. Die Überweidung auf dem Tibetischen Plateau hat in den vergangenen 30-50 Jahren einen starken Abbau von Vegetation und Böden verursacht. Aufgrund der sehr harten Umwelt und die Einschränkung der Stickstoff (N) und Phosphorus- (P) in Böden sind diese pastoralen Ökosysteme besonders gegenüber Störungen (z. B. anthropogene Aktivitäten und Klimawandel) empfindlich und sie zeigen eine langsame Erholung. Daher waren die Ziele dieser Arbeit wie folgt: 1) die abbau-Mechanismen der Kobresia pastoralen zusammenzufassen, 2) die Wirkungen des Kobresia pastoralen abbau auf Kohlenstoff- (C) und Nährstoff-zyklen zu ermitteln und 3) die Auswirkungen von Rückgewinnungs strategien auf abgebaute Tibetischer Kobresia pastoralen zu beurteilen. Laborator-Inkubationsexperimente wurden durchgeführt, um die Wirkungen des Kobresia abbau auf C- und N-Zyklen zu untersuchen. Außerdem, wurde die Reaktion der Tibetischen Kobresia auf die simulierte Erwärmung und die Niederschlag erhöhung beurteilt und die Auswirkungen der anwendungsstrategien der Dünger auf das Pflanzenwachstum untersucht. Zuerst wurde eine Literaturrecherche durchgeführt um die abbau-folgen der Kobresia auf organischen Kohlenstoff (SOC) des Bodens, N- und P-Beständen auf dem gesamten Tibetischen Plateau zusammenzufassen und die primären Mechanismen des SOC und der Nährstoffverluste zu bewerten. Darüber hinaus wurden auch die Auswirkungen von Erholungsstrategien auf abgebaute Kobresia entsprechend zusammengefasst. Tibetische Kobresia in der mittlerenabbauphase zeigten die höchsten C-Verluste als CO2-Emission und DOC-Auslaugung und die höchsten N-Verluste traten in der extremen Abbaustufe der Tibetischen Kobresia auf. Diese werden vor allem durch das allmählich Verschwinden der lebenden Pflanzen und den Rückgang der C-Bestände erklärt da die ernsteren Tibetischen Kobresia abbau diese Prozesse schon intensiviert hat. Die simulierte Erwärmung erhöhte die Aktivitäten aller Enzyme in Bezug auf die Zyklen der C, N und P. Ebenso verbesserte die simulation der Niederschlag Erhöhung die CO2-Emission von Kobresia bedeckte Böden. Diese Ergebnisse zeigten, dass simulierte Umwelteinflüsse (d.h. erhöhte Temperatur und Niederschlag) Nährstofffreisetzung und CO2-Emissionen veranlassten, wodurch größere Verluste an C und Nährstoffen aus Tibetischen Kobresia hervorgerufen wurden. Die Literaturrecherche ergab, dass der Kobresia Abbau auf dem Tibetischen Plateau signifikante Verluste an SOC (-42 ± 2%), N (-33 ± 6%) und P (-17 ± 4%) im Vergleich zu nicht abgebauten Weiden ausgelöst hat. Während die Verluste an Gesamte N und Pflanzen-Biomasse mit SOC-Verlusten begleitet wurden, war der verlust der Gesamte P unabhängig derabnehmenden SOC-Gehalt weil P als Ca3(PO4)2 ausfällen kann. Obwohl verschiedene Strategien schon implementiert wurden um die Abbauprozesse einzustellen oder sogar umzukehren, sind ihre Auswirkungen auf die Bodenqualität immer noch zweideutig. Da die Wiederherstellung der Bodenfruchtbarkeit und der Ökosystemstabilität durch sehr langsame pedogene Prozesse, langsame Vegetationswiederherstellung, kontinuierlich zunehmende Anthropogenen Drucke und globaler Klimawandel undurchführbar sind. Infolge der schnellen Verluste von SOC und Nährstoffen und dem sehr langsamen Erholungspotential werden die natürliche Kobresienwurzelmatten in den kommenden Jahrzehnten verschwinden und so wird diese einzigartigen alpinen Ökosysteme dramatisch destabilisieren und in folge verstärken die negative auswirkungen auf globale Umweltveränderungen.
 
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