青藏高原高寒草甸生物量动态变化及与环境因子的关系——基于模拟增温实验

以青藏高原高寒草甸为研究区,设置模拟增温实验样地,于2010年开始持续增温,2012和2013年调查植被地上-地下生物量,探讨气候变暖背景下高寒草甸生物量的动态变化及其与环境因子的关系。结果表明:(1)增温处理下地上-地下生物量与根冠比的中值和平均值大于对照,其中地下生物量(变异系数为0.30)的增加幅度大于地上生物量(变异系数为0.27),根冠比的变异系数(0.33)大于地上-地下生物量,这表明增温可导致高寒草甸植被生物量分配出现差异。(2)地上-地下生物量呈极显著的幂指数函数关系(R~2=0.147,P0.001),表现为异速生长,但在增温处理下异速生长出现减缓(R~2=0.102,P0.05)。(3)地上生物量受深层土壤水分和浅层土壤温度影响较大,地下生物量受深层土壤水分和深层土壤温度影响较大;土壤温度对地上-地下生物量的影响强于土壤水分,表现为20 cm深度土壤温度对地上生物量(R=0.582,P0.01)和根冠比(R=-0.238,P0.05)影响较大,60 cm深度土壤温度对地下生物量影响较大(R=0.388,P0.01),100 cm深度土壤水分对地上生物量(R=0.423,P0.01)和地下生物量(R=0.245,P0.05)影响较大,这说明增温导致浅层土壤温度对生物量分配产生影响,使生物量更多分配到地上部分,而冻土融化致使深层土壤水分对生物量产生影响。     

短期增温和增加降水对内蒙古荒漠草原土壤呼吸的影响

利用红外辐射增温装置模拟短期持续增温和降水增加交互作用对内蒙古荒漠草原土壤呼吸作用的影响, 结果表明: 土壤含水量对月土壤呼吸的影响显著大于土壤温度增加的影响, 生长旺季的月土壤呼吸显著大于生长末季; 土壤温度和水分增加都显著影响日土壤呼吸, 但二者的交互作用对土壤呼吸无显著影响。荒漠草原7‒8月平均土壤呼吸速率为1.35 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 7月份为2.08 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 8月份为0.63 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1。土壤呼吸与地下各层根系生物量呈幂函数关系, 0‒10 cm土层的根系生物量对土壤呼吸的解释率(79.2%)明显高于10‒20 cm土层的解释率(31.6%)。0-10 cm土层的根系生物量是根系生物量的主体, 根系生物量对土壤呼吸的影响具有层次性。在未来全球变暖和降水格局变化的情景下, 荒漠草原土壤水分含量是影响生物量的主导环境因子, 而根系生物量的差异是造成土壤呼吸异质性的主要生物因素, 土壤含水量可通过影响根系生物量控制土壤呼吸的异质性。     

模拟增温对东北黑土农田作物生长季土壤呼吸的影响

东北地区是我国乃至全球对气候变化响应比较敏感的地区之一,土壤呼吸的温度敏感性对该地区农田生态系统碳循环与全球气候变化之间的反馈关系产生重要影响。本文采用红外辐射加热装置模拟土壤增温,研究了模拟增温对黑土农田大豆生长季土壤呼吸作用的影响。结果表明:1)模拟增温导致10 cm深处平均土壤温度显著提高了2.76℃。2)在大豆生长期间,土壤呼吸速率呈现显著的季节性变化规律,峰值出现在开花-结荚期。3)模拟增温后,黑土农田大豆生长季的土壤呼吸速率(3.20μmol·m~(-2)·s~(-1))略高于对照处理(2.96μmol·m~(-2)·s~(-1)),但差异未达到显著水平,并且增温未显著影响大豆各生育期的土壤呼吸水平。4)虽然增温处理显著增加了大豆地上生物量,但未显著改变根系生物量和土壤含水量,说明根系生物量和土壤含水量是调控土壤呼吸对增温响应的主导因子。连续两年增温对黑土农田大豆生长季土壤呼吸没有明显的促进作用,表明土壤呼吸作用对增温环境产生了一定的适应性。     

青藏高原多年冻土区不同水分条件的高寒草甸根系功能性状对增温的响应

在青藏高原多年冻土广泛分布的风火山地区,选择小嵩草（Kobresia pygmea）草甸和藏嵩草（Kobresia tibetica）沼泽化草甸为研究对象,采用开顶增温室（Open top chambers, OTCs）模拟气候变暖,探讨模拟增温对土壤水分差异的两种草甸地下生物量及根系功能性状的影响。结果显示,（1）增温显著增加小嵩草草甸0—20 cm根系生物量,主要是由于表层（0—10 cm）根系生物量显著增加,而对藏嵩草沼泽化草甸根系生物量无影响。（2）增温显著增加了小嵩草草甸根组织密度,同时提高了藏嵩草沼泽化草甸10—20 cm的比根长和比根面积（3）增温降低了小嵩草草甸的根系碳含量及10—20 cm根系氮含量,增加了藏嵩草沼泽化草甸的碳含量及10—20 cm根系氮含量,显著提高了小嵩草草甸和藏嵩草沼泽化草甸深层（10—20 cm）根系碳氮比。这些结果预示着增温使得土壤水分较低的小嵩草草甸朝着资源保守的慢速生长型发展,以适应暖干化的环境;土壤水分较高的藏嵩草沼泽化草甸朝着资源获取的快速生长型发展,加速利用土壤中的养分满足植物生长需要。可见,土壤水分可以调节高寒草甸对气候变暖的演变趋势,强调了水分的重要性。     

增温对青藏高原高寒沼泽草甸不同时期土壤酶活性的影响

为研究青藏高原多年冻土区土壤酶活性对气候变暖的响应特征,选择北麓河地区高寒沼泽草甸为研究对象,利用开顶式生长室(OTC)进行模拟增温试验,在7月份、12月份分别对增温和对照样地土壤进行分层取样,并对不同深度土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性进行分析测定。结果表明:在夏季7月份,增温作用下近地表月平均气温升高4.55℃,不同深度的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均有降低趋势,但未达到显著水平(P>0.05)。土壤蔗糖酶活性与土壤水分和根系生物量呈显著相关关系;在冬季12月份,增温作用下近地表月平均温度升高6.64℃,不同深度的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均有所提高,且在20—50 cm深度的土壤蔗糖酶和磷酸酶活性和40—50cm深度的土壤脲酶和过氧化氢酶活性变化均达到显著水平(P<0.05)。四种土壤酶活性与土壤温度和水分均呈显著相关关系。在深度变化上,夏季增温样地四种土壤酶活性总体随土层深度增加而降低,而冬季随土层深度增加而显著升高(P<0.05)。增温处理下,不同土层深度冬季四种土壤酶的活性总体均大于夏季,且在40—50 cm深度上差异显...     

不同水分处理对甘蒙柽柳幼苗根系生长特性的影响

以1年生甘蒙柽柳幼苗为对象,采用人工壕沟挖掘法,对柽柳幼苗在不同水分处理条件下(干旱处理、适度灌溉、充分灌溉)根系生态学特征的季节变化进行了研究.结果表明,不同水分处理对柽柳幼苗根系生长影响显著,垂直根扎根深度和生长速率随着灌溉量的减小而增加.地面灌溉量的增加会导致根系分布的浅表化和根系消弱系数的减小,根系生物量与土壤深度呈显著负对数关系.不同水分处理条件下,7-10月的根/冠比平均值分别为0.43、0.60、0.90、1.12,其根、冠间存在典型的异速生长关系.根/冠比随土壤水分的减小而增加,且生长季后期大于初期.     

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。     

川西北亚高山草甸植物群落结构及生物量对温度升高的响应

采用OTC模拟增温实验,研究了川西北亚高山草甸植物群落结构及生物量对温度升高的响应。由于开顶式生长室（OTC）的增温作用,在整个生长季内,地温（15cm）、地表温度和气温（30cm）的平均值在OTC内比对照样地分别高0.28、0.46℃和1.4℃,OTC内土壤相对含水量也明显减少,低于对照样地5.49%。受增温及土壤含水量减少的影响,1年后,植物群落结构及生物量生产发生了显著的改变。植物群落优势种和组成结构发生改变。OTC内禾草的盖度（19.21%）及生物量（44.07g/m^2）,均显著大于对照样地（8.04%和18.1g/m^2）,而杂类草的盖度（72.8%）及生物量（210.54g/m2）均显著小于对照样地（83.5%和244.9g/m^2）。OTC内的地上鲜体生物量（265.17g/m^2）和地下0～30cm的根系生物量（1603.84g/m^2）与对照样地（分别为272.63g/m^2和1826.77g/m^2）相比较,都出现了不同程度的减少。根系在土壤不同层中的分配比例明显改变,OTC内0～10cm土层的生物量分配比例增加,而20～30cm土层的生物量分配比例则明显减少。     

川西亚高山森林土壤呼吸和微生物生物量碳氮对施氮的响应

随着全球大气氮沉降的明显增加,将有可能显著影响我国西部地区受氮限制的亚高山森林生态系统。土壤微生物是生态系统的重要组成部分,是土壤物质循环和能量流动的重要参与者。由于生态系统类型、土壤养分、氮沉降背景值等的差异,土壤呼吸和土壤生物量碳氮对施氮的响应存在许多不确定性。而施氮会不会促进亚高山森林生态系统中土壤呼吸和微生物对土壤碳氮的固定?基于此假设,选择了川西60年生的四川红杉(Larix mastersiana)亚高山针叶林为研究对象,通过4个水平的土壤施氮控制试验(CK:0 g m~(-2) a~(-1)、N1:2 g m~(-2)a~(-1)、N2:5 g m~(-2) a~(-1)、N3:10 g m~(-2)a~(-1)),监测了土壤呼吸及土壤微生物生物量碳氮在一个生长季的动态情况。结果表明:施氮对土壤呼吸各指标和土壤微生物碳氮都有极显著的影响,施氮能促进土壤全呼吸、自养呼吸、异养呼吸通量和土壤微生物生物量碳氮的增长,施氮使土壤呼吸通量提高了11%—15%,土壤微生物量碳提高了5%—9%,土壤微生物量氮提高了23%—34%。在中氮水平下(5 g m~(-2) a~(-1))对土壤呼吸的促进最显著。相关分析发现,土壤呼吸与微生物生物量碳氮和微生物代谢商极呈显著正相关,微生物量碳氮与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度呈极显著负相关。通过一般线性回归拟合土壤呼吸速率与土壤10 cm温湿度的关系,发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度极显著负相关(P0.001),中氮水平下土壤温度敏感性系数Q_(10)值(7.10)明显高于对照(4.26)。     

模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO2、CH4和N2O通量的影响

目前, 有关增温条件下荒漠生物土壤结皮(BSCs)-土壤系统与大气之间主要温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)通量变化的研究十分匮乏, 以致很难准确地评估荒漠生态系统温室气体通量对气候变暖的响应与反馈的方向和程度。该文选择腾格里沙漠东南缘天然植被区由藻类、藓类以及二者混生的3种类型的BSCs覆盖土壤为研究对象, 以开顶式生长室(OTC)为增温方式模拟全球变暖, 采用静态箱-气相色谱法探究了2012年7月至2013年6月增温和不增温处理下CO₂、CH₄和N₂O通量的变化特征。结果表明: 增温和结皮类型对CO₂、CH₄和N₂O通量没有显著影响。采样日期、结皮类型与采样日期, 以及增温与结皮类型和采样日期的互作显著影响CO₂和CH₄通量, 增温和采样日期互作显著影响CH₄通量。BSCs-土壤系统的CO₂、CH₄和N₂O年通量及其增温潜能在增温和不增温处理下的差异均不显著。CO₂通量与5 cm深度的土壤温度呈显著的指数正相关关系, 与10 cm深度的土壤湿度呈线性正相关关系; 藓类、混生结皮的CH₄通量与5 cm深度的土壤温度和10 cm深度的土壤湿度均呈显著的线性负相关关系; 3种结皮类型的N₂O通量与5 cm深度的土壤温度均无相关关系, 藓类结皮的N₂O通量与10 cm深度的土壤湿度呈显著的线性负相关关系。藓类结皮的CO₂和CH₄在增温和不增温两种处理下的通量差异与5 cm深度的土壤温度差异呈显著的负线性相关, 藻类结皮N₂O的通量差异与温度差异呈近似正相关关系(p = 0.051)。以上结果说明: 在全球变暖的背景下, 荒漠BSCs-土壤系统主要温室气体通量不会有明显的变化, 意味着荒漠生态系统温室气体的排放可能对气候变暖没有明显的 反馈。     

青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系

以广布于青藏高原的高寒草甸为研究对象,进行模拟增温实验,探讨高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系,并试图论证高寒草甸植被是否符合生物多样性代谢理论.结果表明:①高寒草甸植被物种多样性的对数与绝对温度的倒数呈显著线性递减关系,空气-地表-浅层土壤(0-20 cm)温度(R2 ＞0.6,P＜0.01)较深层土壤(40-100 cm)温度(R2＜0.5,P＜0.05)对物种多样性影响大;其植被新陈代谢平均活化能为0.998-1.85 eV,高于生物多样性代谢理论预测值0.6-0.7 eV,这是高寒草甸植被对长期低温环境适应进化的结果.②除趋势对应分析和冗余分析显示,温度对植被地上部分影响较大,而土壤水分对全株影响均较大,适当的增温与降水均可极显著促进高寒草甸植被生长.③逐步回归和通径分析显示,40 cm、60 cm深度土壤水分对植被地上部分产生直接影响,20 cm高度空气相对湿度和40 cm深度土壤温度对其产生间接影响;40 cm深度土壤温度和60 cm深度土壤水分对植被地下部分产生直接影响,红外地表温度对其产生间接影响.深层土壤温度和水分对高寒草甸植被具有影响作用,这可能与增温后冻土的融化有关,但其机理尚待进一步研究.     

新疆天山中段巴音布鲁克高山草地碳含量及其垂直分布

对新疆天山中段巴音布鲁克高山草地(高山草原和高山草甸)的生物量和土壤有机碳进行了测定。结果表明积分和分层两种估算方法得到的土壤有机碳含量没有显著差异,但积分算法的优势在于能推算不同深度的土壤有机碳含量,便于与以往的研究进行比较;高山草甸的生物量和土壤有机碳含量均大于高山草原;其地上生物量分别为71.4和94.9 g C·m^-2,地下生物量分别为1 033.5和1 285.2 g C·m^-2; 1 m深度的土壤有机碳含量分别为25.7和38.8 kg·m^-2;地上生物量呈现较为明显的垂直分布格局,即随着海拔的增加,地上生物量先呈增加趋势,但当海拔超过一定界限后生物量突然下降;土壤含水率是导致南坡(阳坡)土壤有机碳含量空间分异的重要因素,但北坡(阴坡) 土壤有机碳含量还可能与地形、土壤质地等其它因素有关;两种高山草地(高山草原和高山草甸)的根系集中分布在40 cm以内,0~20 cm根系分别占其总量的76%和80%;土壤有机碳集中分布在60 cm以内,0~20 cm土壤有机碳分别占其总量的55%和49%;高山草原根系分布比高山草甸深,但较低的地下/地上比使得其有机碳分布比高山草甸浅。     

Responses of Soil Microbial Communities to Experimental Warming in Alpine Grasslands on the Qinghai-Tibet Plateau

Global surface temperature is predicted to increase by at least 1.5°C by the end of this century. However, the response of soil microbial communities to global warming is still poorly understood, especially in high-elevation grasslands. We therefore conducted an experiment on three types of alpine grasslands on the Qinghai-Tibet Plateau to study the effect of experimental warming on abundance and composition of soil microbial communities at 0–10 and 10–20 cm depths. Plots were passively warmed for 3 years using open-top chambers and compared to adjacent control plots at ambient temperature. Soil microbial communities were assessed using phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. We found that 3 years of experimental warming consistently and significantly increased microbial biomass at the 0–10 cm soil depth of alpine swamp meadow (ASM) and alpine steppe (AS) grasslands, and at both the 0–10 and 10–20 cm soil depths of alpine meadow (AM) grasslands, due primarily to the changes in soil temperature, moisture, and plant coverage. Soil microbial community composition was also significantly affected by warming at the 0–10 cm soil depth of ASM and AM and at the 10–20 cm soil depth of AM. Warming significantly decreased the ratio of fungi to bacteria and thus induced a community shift towards bacteria at the 0–10 cm soil depth of ASM and AM. While the ratio of arbuscular mycorrhizal fungi to saprotrophic fungi (AMF/SF) was significantly decreased by warming at the 0–10 cm soil depth of ASM, it was increased at the 0–10 cm soil depth of AM. These results indicate that warming had a strong influence on soil microbial communities in the studied high-elevation grasslands and that the effect was dependent on grassland type.     

青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力

为了揭示青藏高原高寒草甸生态系统植被变化对碳储量的影响,以原生矮嵩草草甸、退化草甸、人工草地以及农田为研究对象,对比分析了该4种不同土地格局下生态系统的有机碳现状.以原生矮嵩草草甸土壤碳储量为基准对不同类型高寒生态系统的碳增汇潜力进行了估算.结果表明:不同类型生态系统的碳储量和碳增汇潜力有很大差异,在0-40cm土层中,(1)原生草甸碳储量最高,达到17098 g C/m2,退化草甸、人工草地和农田的有机碳汇增加潜力分别为:5637、3823、1567 g C/m2.(2)对于退化草甸和人工草地,土壤有机碳含量和密度明显低于原生草甸和农田.(3)地下生物量碳储量主要集中在0-20cm,且原生草甸地下生物量的碳储量比其他3个植被类型高3.6-5倍.总体上,青藏高原草地生态系统存在巨大的碳增汇潜力.     

Intensified plant N and C pool with more available nitrogen under experimental warming in an alpine meadow ecosystem

Nitrogen (N) availability is projected to increase in a warming climate. But whether the more available N is immobilized by microbes (thus stimulates soil carbon (C) decomposition), or is absorbed by plants (thus intensifies C uptake) remains unknown in the alpine meadow ecosystem. Infrared heaters were used to simulate climate warming with a paired experimental design. Soil ammonification, nitrification, and net mineralization were obtained by in situ incubation in a permafrost region of the Qinghai‐Tibet Plateau (QTP). Available N significantly increased due to the stimulation of net nitrification and mineralization in 0–30 cm soil layer. Microbes immobilized N in the end of growing season in both warming and control plots. The magnitude of immobilized N was lower in the warming plots. The root N concentration significantly reduced, but root N pool intensified due to the significant increase in root biomass in the warming treatment. Our results suggest that a warming‐induced increase in biomass is the major N sink and will continue to stimulate plant growth until plant N saturation, which could sustain the positive warming effect on ecosystem productivity.     

青藏高原矮嵩草草甸地下和地上生物量分配格局及其与气象因子的关系

基于2006—2015年青海海北站10年生物量及气候因子监测数据,分析了青藏高原高寒矮嵩草草甸生物量的季节及年际动态,并探讨了气候因子对其影响。结果表明:(1)季节尺度上,高寒矮嵩草草甸地上生物量表现为单峰变化曲线,8月为其峰值点,为(345.72±27.01) g/m~2,代表了高寒草甸的地上净初级生产力。而地下根系的现存量变化较为复杂,其中5—7月呈现持续上升趋势,8月快速下降,之后9月份急剧,且各月份之间未达到显著水平(P0.05);年际尺度上,10年间高寒矮嵩草草甸地上生物量整体呈现波动增加趋势,2014年为其峰值点,达(437.12±32.01) g/m~2。地下生物量呈现波动性变化,变异较大,10年间平均值为(2566.99±138.11) g/m~2;(2)高寒草甸光合产物分配主要分布在地下,80%地下根系生物量分布于地表0—10 cm土层,且不同土层根系生物量占总地下生物量的比值在不同月份较为稳定。(3)气候因子中,大气相对湿度是影响高寒草甸地上生物量大小的主要因素;而气候因子对地下根系生物量的影响极为微弱。研究表明,高寒嵩草草甸对环境变化具有较高的自我调节能力,且高寒草甸的演化受制于人类干扰,而非气候变化。     

Comprehensive assessments of root biomass and production in a Kobresia humilis meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau

Alpine meadow covers ca. 700,000 km² with an extreme altitude range from 3200 m to 5200 m. It is the most widely distributed vegetation on the vast Qinghai-Tibetan Plateau. Previous studies suggest that meadow ecosystems play the most important role in both uptake and storage of carbon in the plateau. The ecosystem has been considered currently as an active “CO₂ sink”, in which roots may contribute a very important part, because of the large root biomass, for storage and translocation of carbon to soil. To bridge the gap between the potential importance and few experimental data, root systems, root biomass, turnover rate, and net primary production were investigated in a Kobresia humilis meadow on the plateau during the growing season from May to September in 2008 and 2009. We hypothesized that BNPP/NPP of the alpine meadow would be more than 50%, and that small diameter roots sampled in ingrowth cores have a shorter lifespan than the lager diameter roots, moreover we expected that roots in surface soils would turn over more quickly than those in deeper soil layers. The mean root mass in the 0–20 cm soil layer, investigated by the sequential coring method, was 1995?±?479 g?m^?2 and 1595?±?254 g?m^?2 in growing season of 2008 and 2009, respectively. And the mean fine root biomass in ingrowth cores of the same soil layer was 119?±?37 g?m^?2 and 196?±?45 g?m^?2 in the 2 years. Annual total NPP was 12387 kg?ha^?1?year^?1, in which 53% was allocated to roots. In addition, fine roots accounted for 33% of belowground NPP and 18% of the total NPP, respectively. Root turnover rate was 0.52 year^?1 for bulk roots and 0.74 year^?1 for fine roots. Furthermore, roots turnover was faster in surface than in deeper soil layers. The results confirmed the important role of roots in carbon storage and turnover in the alpine meadow ecosystem. It also suggested the necessity of separating fine roots from the whole root system for a better understanding of root turnover rate and its response to environmental factors.