全球变化与生态系统研究现状与展望

全球变化与生态系统研究是一个宏观与微观相互交叉、多学科相互渗透的前沿科学领域, 重点研究生态系统结构和功能对全球变化的响应及反馈作用, 其目标是实现人类对生态系统服务的可持续利用。《植物生态学报》的《全球变化与生态系统》专辑在对国内外全球变化研究进行历史回顾和综合分析的基础上, 总结了全球变化与生态系统研究的阶段性重大进展及存在的主要问题, 并对全球变化研究的前沿方向进行展望和建议。根据研究内容和对象, 该专辑系统地综述了不同全球变化因子, 包括CO₂和O₃浓度升高、气候变暖、降水格局改变、氮沉降增加、土地利用变化等对陆地植物生理生态、群落结构及生态系统功能等的影响以及全球变化对海洋生态系统的影响; 探讨生态系统关键过程以及生物多样性的变化; 在明确全球变化生态效应的基础上, 阐明这些影响对气候和环境变化的反馈机制, 为构筑全球变化的适应对策提供生态学理论基础。     

Impacts of elevated carbon dioxide concentration on terrestrial ecosystems: problems and prospective

理解生态系统对过去、现在和未来CO₂浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO₂浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响, 碳氮周转, 生态系统渐进式氮限制(PNL)形成, 与其他胁迫因子(O₃污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展, 但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO₂浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点, 回顾了CO₂浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展, 重点论述了CO₂浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

Effects of global change on key processes of primary production in marine ecosystems

工业革命以来, 不断加剧的人类活动所引起的大气CO₂浓度增加、温度上升等全球变化问题, 正使得海洋生态系统面临着前所未有的压力。该文通过文献计量的方法分析了国内外的研究现状, 简要地回顾了全球变化对海洋生态系统影响研究的发展简史, 并聚焦海洋暖化、海洋酸化和富营养化与缺氧这三个核心研究方向, 重点阐述了它们对海洋生态系统初级生产的关键过程的影响, 总结了已取得的重要进展以及存在的主要问题, 最后提出前沿展望。     

全球变化野外控制试验及其在土壤微生物生态学研究中的应用

全球变化是近几十年世界广泛关注的热点之一.土地利用变化和化石能源消耗已引起如温室气体增多、气温升高、降水格局改变等多种形式的变化.这些变化对整个生态系统过程,特别是陆地生态系统碳氮循环过程有着深远影响.自20世纪70年代以来,世界各地已开展大量野外控制试验用以模拟单因子和多因子气候变化的影响,这些研究对解释生态系统响应和适应全球变化的内在机制提供了重要的基础.本文梳理了全球变化控制试验的发展历程,介绍了不同因子模拟控制试验的研究概况及不足之处,重点阐述CO₂倍增、增温、降水和模拟氮沉降等全球变化控制试验在土壤微生物生态学研究中的应用,探析土壤微生物及其介导的生态学过程对全球变化的响应和反馈,并对未来野外控制试验需关注的问题和研究方向进行了展望,为认识气候变化对地下生态系统的影响提供参考.     

FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用

化石燃料的燃烧和城市化进程的加快导致大气中二氧化碳(CO₂)和臭氧(O₃)浓度日益升高, 大气气体浓度的变化会对植物个体和陆地生态系统结构与功能产生影响。CO₂浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力, 而O₃导致作物减产和生态系统固碳损失。自由空气中气体浓度增加(FACE)系统是最接近自然的一种模拟大气气体浓度增加对生态系统影响的研究平台, 已广泛应用于各种生态系统, 为理解陆地生态系统生态过程对全球变化的响应及评估未来情景的生态风险提供了重要科学依据。该文从FACE技术特点出发, 介绍了国内外建成的大型CO₂/O₃-FACE系统, 分析了FACE系统的不同布气方式在不同生态系统研究过程中的优点与缺点, 概述了全球FACE运行的现状和取得的主要成果, 并指出了FACE系统存在的主要问题和前沿研究方向。     

A review of influences of land use and land cover change on ecosystems

随着人口的增长和人类社会的发展, 土地利用与土地覆盖变化已经是不可避免。土地利用与土地覆盖变化不仅对生态系统的要素、结构和功能产生深远的影响, 也会对全球变化产生反馈作用。针对土地利用与土地覆盖变化的过程、驱动机制以及在各个方面可能产生的生态环境效应的科学研究已经全面开展。该文综述了土地利用与土地覆盖变化对气候、土壤、生物地球化学循环、生物多样性以及区域生态环境等影响方面的研究进展, 并提出了相关研究的前沿方向展望。随着新技术的不断发展, 学者们将更多地侧重预测未来全球变化背景下的土地利用与土地覆盖变化趋势、合理性以及适应性, 为可持续发展提供基础资料和理论依据。     

Progress in the effects of elevated ground-level ozone on terrestrial ecosystems

浓度不断升高的地表臭氧(O₃)已成为全球性环境问题, 中国也不例外。目前, 高浓度O₃对叶片光合气体交换、植物生长或生物量的影响已备受关注, 但有关O₃对生态系统层次的研究还相对稀缺且存在较大的不确定性。该文梳理了近40年来地表O₃浓度及其影响相关领域的发展趋势和研究热点, 回顾了地表O₃浓度升高对植物影响的研究手段和评估方法, 综述了地表O₃浓度升高对陆地生态系统影响方面取得的重要进展, 主要包括植物应对O₃胁迫的响应机制、地表O₃对粮食产量和作物品质、生态系统固碳能力、群落结构和地下过程的影响及地表O₃污染区域风险; 此外, 针对目前研究的不足, 对未来研究进行了展望。建议利用先进的完全开放式O₃熏蒸系统模拟O₃浓度升高对生态系统影响的同时加强对地下生态过程的研究, 开展O₃与其他环境因子的复合作用研究; 关注O₃污染对粮食安全的影响; 开展联网研究, 建立统一评价体系; 探索减缓地表O₃污染的生态防控措施; 以期为地表O₃污染生态效应领域的发展提供助力。     

Advances in the carbon use efficiency of forest

植物碳利用效率(CUE)指净初级生产力与总初级生产力的比率, 它不仅反映了植被生态系统将大气中CO₂转化为生物量的能力和固碳潜力, 而且可确定呼吸对植被生产力的影响。CUE是比较不同生态系统碳循环差异的重要参数, 了解生态系统CUE有助于分析陆地生态系统是碳源还是碳汇, 对于预测全球变化和人类干扰对森林碳收支的影响具有重要意义。我国在森林CUE研究方面还十分欠缺。该文在介绍森林CUE计算方法和测定技术的基础上, 综述了植被、气象、森林经营等因子对森林CUE的影响, 得出主要结论: (1)关于不同森林植被类型CUE变化有两种截然相反的观点, 即: 恒定CUE和变量CUE。越来越多的研究支持第二种观点, 不同生态系统、不同森林类型、不同物种和植物发育阶段的CUE存在较大差异, 森林CUE较灌丛和草地低, 落叶林比混交林和常绿林具有较高的CUE, 热带森林CUE通常低于温带森林, CUE与植被演替和林龄相关, 森林地上、地下部分和不同组织的CUE不同, 以树干为最高; (2)植被的CUE与气温相关, 全球尺度上, 森林植被年平均CUE与年平均气温呈抛物线关系, 温带、寒带、干旱地区植物呼吸的温度适应驱动其较高的CUE; CUE随着降水量的增加而减少, 在水分充足或过剩的地区保持不变; 光照减弱降低维持呼吸系数, 增加生长呼吸系数, 导致植物CUE降低, 生长在高光照下的植物CUE高于低光照下的植物; (3) CO₂浓度升高引起植物CUE的升高或降低, 也有人认为CO₂浓度升高对森林CUE没有影响, CO₂浓度升高对CUE的影响可能取决于树木年龄或基因型; (4)生长在土壤瘠薄、低温、干旱等胁迫环境下的植物CUE通常比生长在适宜环境下的植物具有较大的可塑性, 施肥、灌溉和择伐等管理措施影响森林CUE; (5)植物CUE具有明显的季节变化, 温带森林以春季CUE为最高。建议今后森林CUE研究应着重围绕以下3个关键问题: (1)从不同空间尺度和生态系统层次, 探讨森林CUE的变异特征及其驱动机制; (2)从不同时间尺度, 探讨森林CUE动态过程与机制; (3)森林CUE对气候变化的响应与适应。     

中国典型陆地生态系统波文比特征及影响因素

波文比(β)是陆面过程中的重要参数, 影响着地表和大气间的能量交换, 明确β的空间变异规律和影响因素有助于对地表能量平衡和气候间反馈关系的预测。该研究收集了在中国不同生态系统类型开展的用涡度相关法(EC)测量地表能量平衡的公开发表文献, 构建了β和气象环境因子数据库, 分析了β在生态系统之间的差异、空间变异特征及影响因素。主要结果: (1)所有生态系统β平均值为0.95 ± 0.64, 变异系数67%, 偏度1.58, 峰度3.07, 整体服从对数正态分布, β平均值最高为灌木生态系统(1.26), 最低为湿地生态系统(0.49)。(2) β在生态系统类型间差异显著: 森林和湿地生态系统β无显著差异, 灌木生态系统β >草地生态系统 β >森林和湿地生态系统 β, 农田生态系统β介于草地生态系统与森林和湿地生态系统之间。(3) β随着纬度的增加而增加, 不随经度和海拔变化。纬度每增加1°,β增加0.038。(4) β随着年降水量(MAP)、年平均气温(MAT)、净辐射(R_n)、当年降水量(PPT)、当年平均气温(T_a)和叶面积指数(LAI)的增加而降低。(5)不同生态系统中β对生物和非生物因素的响应存在显著差异: 草地、森林和灌木生态系统的β对生物和非生物因素变化较为敏感, 而农田和湿地生态系统的β与所有生物和非生物因素均无显著相关关系。(6) MAP和R_n是β变化的直接影响因素, LAI通过影响R_n间接影响β。结果表明了植被类型与气候因素之间具有交互作用, 能量分配最主要的影响因素是降水, 叶面积对能量分配的调节作用并不显著。     

Forest net primary productivity dynamics and driving forces in Jiangxi Province,China

Aims Subtropical forest ecosystem has great carbon sequestration capacity. Net primary productivity (NPP) plays a critical role in forest carbon cycle and is affected by a number of factors, including climate change, atmospheric composition, forest disturbance intensity and frequency, and forest age, etc. However, the contribution of these factors to the temporal-spatial dynamics of NPP is still not clear. Quantifying the main driving forces on the temporal-spatial dynamics of NPP for subtropical forest ecosystems is a critical foundation for understanding their carbon cycle.
Methods We utilized multi-sources dataset, including observed meteorological data, inversed annual maximum leaf area index (LAI), referenced NPP (simulated by Boreal Ecosystem Productivity Simulator (BEPS) model), forest age and forest types, land cover, digital elevation model (DEM), soil texture, CO₂ concentration and nitrogen deposition. We used the InTEC (integrated terrestrial ecosystem carbon-budget) model to simulate the NPP dynamics for forest ecosystems in Jiangxi Province during the period of 1901-2010. The effects of climate change, forest age, CO₂ concentration and nitrogen (N) deposition on forest NPP from 1970 to 2010 were discussed through designed scenarios.
Important findings (1) Validations by flux measurements and forest inventory data indicated that the InTEC model was able to capture the interannual and spatial variations of forest NPP. (2) The average forest NPP was 47.7 Tg C·a^-1 (± 4.2 Tg C·a^-1) during 1901-2010. The NPP in the 1970s, 1980s, 1990s and 2000s was 50.7, 48.8, 45.4, and 55.2 Tg C·a^-1, respectively. As forest regrows, NPP significantly increased for forests in Jiangxi Province in the 2000s, and exceed that in the 1970s for more than 60% of the forest area. (3) During 1970-2010, under the scenarios of disturbance and non-disturbance, the forest NPP were underestimated by 7.3 Tg C·a^-1 (14.5%) and overestimated by 3.6 Tg C·a^-1 (7.1%) compared to the scenarios of all disturbance and non-disturbance factors, respectively. Compared to the average NPP during 1970-2010, climate change decreased NPP by -2.0 Tg C·a^-1 (-4.7%), N deposition increased NPP by 4.5 Tg C·a^-1 (10.4%), CO₂ concentration change, and the integrated fertilization of CO₂ and N deposition increased NPP by 4.4 Tg C·a^-1 (10.3%) and 9.4 Tg C·a^-1 (21.8%), respectively.     

CO2浓度倍增对红松幼苗根尖和叶解剖结构及生理功能的影响

大气CO₂浓度升高对植物的影响是目前植物生态学研究中普遍关注的问题。以往的研究主要关注植物地上部分叶解剖结构及生理功能的改变, 而对根解剖结构和生理功能变化以及根与叶变化之间潜在联系的研究较少。该文以三年生红松(Pinus koraiensis)幼苗为研究对象, 通过CO₂浓度倍增(从350 µmol·mol^-1增加到700 µmol·mol^-1)试验, 研究当年生针叶和根尖解剖结构及生理功能的变化。结果表明: (1) CO₂浓度倍增处理的红松幼苗, 气孔密度显著降低, 叶肉组织面积、木质部及韧皮部面积明显增加; (2) CO₂浓度倍增导致红松幼苗根尖直径增粗, 皮层厚度和层数显著增加, 管胞直径变小; (3)高CO₂浓度处理下, 叶气孔导度和蒸腾速率降低, 光合速率和水分利用效率提高, 同时根尖的导水率显著下降, 但管胞的抗栓塞能力显著提高。这些结果显示, 叶和根解剖结构及生理功能在CO₂浓度升高条件下具有一致的响应。未来研究中应该同时关注全球气候变化对植物地上和地下器官结构与功能的影响。     

New perspectives on forest soil carbon and nitrogen cycling processes: Roles of arbuscular mycorrhizal versus ectomycorrhizal tree species

Nearly all tree species develop symbiotic relationships with either arbuscular mycorrhizal (AM) or ectomycorrhizal (EM) fungi to acquire nutrients from soils, and hence influence soil carbon (C) and nitrogen (N) cycles in terrestrial ecosystems. It is crucial to understand the differences in soil C and N cycles between AM and EM forests and the underlying mechanisms. In this review, we first compared the differences in the soil C and N cycles between AM and EM forests, and synthesized the underlying mechanisms from perspectives of the inputs, stabilization, and outputs of soil C and N in forest ecosystems. We also compared the responses of soil C and N cycles between AM and EM forests to global changes. In this field, one major research priority is comparing the structure and function (including the soil C and N cycles) between AM and EM forest ecosystems to provide theoretical basis and solid data for improving forest productivity and ecosystem services. The second research focus is deepening the understanding of the effects of interactions between aboveground litter and belowground mycorrhiza and free-living microbes on soil C and N cycles to reveal the potential underlying mechanisms in forests with different mycorrhizal symbioses. Third, the research methodology and new techniques need refining and applying to explicitly focus on scaling up the fine-scale measurements to better expound and predict the C and N cycles in forest ecosystems. Finally, more studies on the stability of soil organic matter among different mycorrhizal forests are needed to precisely assess responses of the structure and function of forest ecosystems to global changes.     

Research progress on the effects of grazing on grassland ecosystem

全球草地占据30%左右的陆地面积, 在全球气候变化、碳氮及养分循环、保持水土、调节畜牧业生产等方面具有重要的作用。目前草地的主要利用方式之一就是放牧, 不同的牲畜种类、放牧强度、年限、历史和制度等, 会影响草地植物群落、生物多样性及土壤微生物, 进而影响草地生态系统结构、功能和过程。该文围绕放牧对草地生态系统结构、功能和过程的影响, 1)回顾了20世纪50年代到现在各个历史阶段放牧对草地生态系统影响的研究; 2)利用文献计量分析的方法, 剖析了放牧对草地影响研究的热点内容、重要区域和关键词等; 3)阐明了放牧对草地植物生长、群落特征、碳氮及养分循环、生产力及土壤质量等的各方面影响的研究进展及国内相关研究的优势及存在的主要问题和不足; 4)基于上述分析, 从草地放牧精准管理、经典假说验证、放牧和全球变化研究相结合等方面, 提出未来研究的前沿方向和优先领域。该文在系统总结放牧对草地生态系统影响的研究进展、研究优势及存在问题的基础上, 提出未来的研究应与全球变化相结合, 为我国的草地放牧生态学研究、适应性管理和可持续利用等提供科学基础。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

Spatial variation and controlling factors of temperature sensitivity of soil respiration in forest ecosystems across China

土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)是陆地碳循环与气候系统间相互作用的关键参数。尽管已有大量关于不同类型森林Q₁₀季节和年际变化规律的研究, 但是对Q₁₀在区域尺度的空间变异特征及其影响因素仍认识不足, 已有结果缺乏一致结论。该研究通过整合已发表论文, 构建了中国森林生态系统年尺度Q₁₀数据集, 共包含399条记录、5种森林类型(落叶阔叶林(DBF)、落叶针叶林(DNF)、常绿阔叶林(EBF)、常绿针叶林(ENF)、混交林(MF))。分析了不同森林类型Q₁₀的空间变异特征及其与地理、气候和土壤因素的关系。结果显示, 1) Q₁₀介于1.09到6.24之间, 平均值(±标准误差)为2.37 (± 0.04), 且在不同森林类型之间无显著差异; 2)当考虑所有森林类型时, Q₁₀随纬度、海拔、土壤有机碳含量(SOC)和土壤全氮含量(TN)的增加而增大, 随经度、年平均气温(MAT)、平均年降水量(MAP)的增加而减小。气候(MAT、MAP)和土壤(SOC、TN)因素间存在相互作用, 共同解释了33%的Q₁₀空间变异, 其中MAT和SOC是Q₁₀空间变异的主要驱动因素; 3)不同类型森林Q₁₀对气候和土壤因素的响应存在差异。在DNF中Q₁₀随MAP的增加而减小, 而其他类型森林中Q₁₀与MAP无显著相关性; 在EBF、DBF、ENF中Q₁₀随TN的增加而增大, 但Q₁₀对TN的敏感性在EBF中最高, 在ENF中最低。这些结果表明, 尽管Q₁₀有一定的集中分布趋势, 但仍有较大范围的空间变异, 在进行碳收支估算时应注意尺度问题。Q₁₀的主要驱动因素和Q₁₀对环境因素的响应随森林类型而变化, 在气候变化情景下, 不同森林类型间Q₁₀可能发生分异。因此, 未来的碳循环-气候模型还应考虑不同类型森林碳循环关键参数对气候变化的响应差异。     

全球变化对资源环境及生态系统影响的生态学理论基础

随着全球变化研究的深入,面向社会可持续发展的全球变化风险与应对、全球变化对资源环境要素时空配置与生态系统的影响评估等应用性问题正成为全球变化领域的新趋势.基于生态学范畴,本文重点梳理了资源环境的涵义及其构成要素:资源是自养生物利用无机物制造有机物及能量和物质在生物间传递过程中所消耗的一切实体,包括无机资源(太阳辐射、C...     

Alpine grassland water use efficiency based on annual precipitation,growing season precipitation and growing season evapotranspiration

Water use efficiency (WUE) is an important parameter to understand the coupling between the water, and carbon cycles of terrestrial ecosystems. Previous studies on the grassland ecosystem WUE on the Qinghai-Xizang Plateau mainly based on annual precipitation (AP). However, vegetation water use mainly occurs in growing season. Therefore, we aimed to explore the differences of ecosystem WUE between alpine meadow and alpine steppe, and the relationships between ecosystem WUE and environmental factors from 2000 to 2010, using annual precipitation use efficiency (PUE_a), growing season precipitation use efficiency (PUE_gs), growing season water use efficiency (WUE_gs) based on AP, growing season precipitation (GSP) and growing season evapotranspiration (ET_gs ) respectively. Combining satellite-derived above-ground net primary productivity (ANPP), satellite-derived evapotranspiration and meteorological data from 2000 to 2010, we calculated PUE_a (ANPP / AP), PUE_gs (ANPP / GSP) and WUE_gs (ANPP / ET_gs) to find the differences of PUE_a, PUE_gs and WUE_gs between alpine meadow and alpine steppe. Moreover, we explored the relationships between PUE_a, PUE_gs or WUE_gs and precipitation (or evapotranspiration) or air temperature. We found that (1) the PUE_a and PUE_gs of alpine meadow were higher than that of alpine steppe, but there were no significant difference between WUE_gs of the two grassland types, indicating that there may be similar intrinsic water use efficiencies of the two grassland types. (2) The inter-annual variation of PUE_a and PUE_gs were similar while WUE_gs showed a larger fluctuation, implying that ET-based WUE_gs was more sensitive than precipitation-based PUE_a and PUE_gs, therefore WUE_gs is a better indicator of ecosystem water use efficiency than PUE_a or PUE_gs. (3) The PUE_a, PUE_gs and WUE_gs were negatively correlated with AP, GSP and ET_gs respectively, reflecting a consistency of the three water use efficiency measurements. In the alpine steppe, only WUE_gs was observed positively correlated with air temperature among the three measurements, but in the alpine meadow, no significant relationships between water use efficiency and air temperature was detected, suggesting that the WUE_gs of alpine steppe was more sensitive to air temperature than that of alpine meadow.     

Responses of freshwater ecosystems to global change: research progress and outlook

全球变化已经通过提高水温、改变降水格局和水流状况、促进物种入侵、增加极端事件, 对不同的淡水生态系统造成严重的威胁。该文将全球变化背景下淡水生态学的主要研究内容归纳为: (1)全球变化各要素对个体、种群、群落及至生态系统水平的影响; (2)全球变化过程中生态系统生物地球化学循环的改变; (3)淡水生态系统对全球变化的适应对策。最近10-15年淡水生态系统与全球变化研究快速发展, 取得的重要突破有: (1)阐明淡水生态系统结构与功能对全球气候变化尤其是水温升高的响应过程与机制; (2)揭示淡水生态系统(湿地、湖泊、河流等)是全球碳循环的重要组成部分, 在全球变化因素的影响下呈现有机碳埋藏减少和矿化速率提高。今后的研究中, 需要进一步加强对淡水生态系统全要素的系统观测与整合; 开展以“河流”为介质耦合多系统的碳输运和转化过程研究; 强化基础理论研究揭示淡水生态系统对全球变化的适应机制。     

极端降水和极端干旱事件对草原生态系统的影响

当前人类活动的加剧显著地影响着全球大气循环的格局。大气循环的多个模型均预测未来全球气候变化的显著特征是极端降水事件和极端干旱事件发生的频率会显著增加。水分是干旱、半干旱区草原植物生长发育的限制性资源, 而草原生态系统是陆地生态系统中对降水格局变化非常敏感的系统。但是, 关于极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统结构和功能的影响还是以分散的个案研究为主, 甚至关于极端气候事件的定义迄今也不尽相同。为此, 该文在分析极端气候事件定义及其研究方法的基础上, 总结了极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统土壤水分和养分状况、植物生长发育和生理特性、群落结构、生产力和碳循环过程的影响, 并提出了未来极端气候事件研究中应重点关注的5个重要方向, 以及控制试验研究的2个关键科学问题, 对开展全球变化背景下草原生态系统对极端气候事件响应机制的研究具有指导意义。     

Effects of nitrogen enrichment on root exudative carbon inputs in Sibiraea angustata shrubbery at the eastern fringe of Qinghai-Xizang Plateau

Aims Understanding the responses of root exudative carbon (C) to increasing nitrogen deposition is important for predicting carbon cycling in terrestrial ecosystems. However, fewer studies have investigated the dynamics of root exudation in shrubbery ecosystems compared to forests and grassland ecosystems. This objective of this study was to determine the effects of nitrogen fertilization on the rate and C flux of root exudates.Methods Three levels of nitrogen addition treatments were applied to a Sibiraea angustata shrubbery ecosystem situated at the eastern fringe of Qinghai-Xizang Plateau, including N₀ (without nitrogen application), N₅ (nitrogen addition rate of 5 g·m^-2·a^-1), and N₁₀ (nitrogen addition rate of 10 g·m^-2·a^-1), respectively, in 5 m ´ 5 m plots. Root exudates were collected in June, August and October of 2015, using a modified culture-based cuvette system. Root biomass in each plot was measured with root core method.Important findings The rates of root exudates on biomass, length, and surface area basis all displayed apparent seasonal variations during the experimental period, with the magnitude ranked in the order of: August > June > October, consistent with changes in soil temperature at 5 cm depth. With increases in the nitrogen addition rate, the rate of root exudates on biomass, length, and area basis all trended lower. Compared with the control (N₀), the N₅ and N₁₀ treatments significantly reduced fine root biomass in the Sibiraea angustata shrubbery, by 23.36% and 33.84%, respectively. The decreasing root exudation and fine root biomass in response to nitrogen addition significantly decreased C flux of root exudates. Our results provide additional evidences toward a robust theoretical foundation for better understanding soil C-nutrient cycling process mediated by root exudation inputs in Alpine shrubbery ecosystems under various environmental changes.