海北高寒草甸生态系统研究定位站没有发现C4植物--来自于稳定性碳同位素的证据

通过对海北高寒草甸生态系统研究站25个科、70个属、102种植物叶片的稳定性碳同位素的测定,以确定植物群落的光合型.结果表明,所测定的102种植物的稳定性碳同位素比值(δ13C)介于-28.24‰和-24.84‰之间,说明这102种植物均属于C3植物,无C4植物或CAM植物.植物这种光合型的分布与该生态系统中的环境因子密切相关,是低温、强辐射等环境因素长期作用的结果,也反映了植物对这种特殊环境的适应.     

海北高寒草甸土壤有机碳同位素组成及C3/C4碳源的变化

通过对高寒嵩草草甸土壤剖面不同深度(0～5cm,5～15cm,15～25cm,25～35cm,35～50cm,50～65cm)有机碳稳定性碳同位素的测定发现,土壤有机碳稳定性同位素(δ^13C)随土壤深度的增加而变大。表层土壤(0～5cm,定义为现代土壤)的δ^13C值最小,基本上接近现代植被的碳同位素特征。在土层5～10cm深度以下(粗略地定为古土壤),土壤有机碳稳定性同位素骤然上升,与表层土壤的同位素特征明显不同。考虑到影响土壤碳同位素的诸多因素,通过稳定性碳同位素的质量平衡模型计算,得出初步结果：来自C4(或CAM)植物的碳源随土壤深度的增加而增大。进一步推测,该地区植被可能经历由C4植物占优势的群落向C3植物占优势的群溶演化的过程。在这个过程中,大气碳同位素的变化和土壤有机质的形成过程(有机质淋溶过程)等也会引起土壤碳同位素的升高,因此质量平衡模型可能会过多地估算C4组分,而低估C3组分。     

高寒草甸生态系统食物链结构分析--来自稳定性碳同位素的证据

稳定性同位素技术应用于生态系统物质流动和食物链营养关系的研究方法 ,是基于生物体内天然存在的同位素比值与它们食物密切相关这一原理建立起来的。即将生物体内的稳定性同位素比值 (如δ1 3C)作为一自然标记 ,根据物种间该值的相对差异 ,追踪生态系统中的主要物质 (如碳源 )的来源和物质流动。于 2 0 0 2年 4～8月测定了高寒草甸生态系统主要生物群落中物种的稳定性碳同位素比值 (δ1 3C) ,依据得到的系统的富集因子( 1 0 5± 0 4 5 )‰ ,分析并确定了所测物种间的取食与被取食关系。结果发现 :高寒草甸生态系统由 5条主要的食物链构成 ,其中 1条为“植物→小型哺乳类→食肉兽 /猛禽”的三节点食物链 ,2条为“植物→牲畜和植物→植食性鸟类”的二节点食物链 ,2条分别为“植物→昆虫→雀形目鸟类→猛禽 /食肉兽”和“植物→昆虫→两栖类→猛禽 /食肉兽”的四节点食物链 ;系统食物链的最大长度为 3 5 3 ,与系统的最大节点数相近。表明稳定性碳同位素可以作为分析高寒草甸生态系统食物网和食物链结构以及食物链长度的有效代理 (proxy)。     

碳氮稳定同位素技术在青藏高原高寒草甸生态系统研究中的应用:进展与展望

碳氮稳定同位素技术在草地生态系统研究中的应用日渐广泛,本文针对其在青藏高原高寒草甸生态系统中的研究与应用进行了总结。首先,探讨了环境因子（海拔、水肥、草地退化、温度）对青藏高原高寒草甸碳氮同位素组成(δ¹³C、δ¹⁵N)的影响:高寒草甸植物δ¹³C值与海拔呈正相关,与大气压强、草地退化和温度均呈负相关,与降水的关系尚有争议;土壤δ¹³C值与海拔和草地退化呈正相关;植被的δ¹⁵N值与水肥呈正相关,土壤的δ¹⁵N值与草地退化呈负相关。其次,综述了近年来该技术在高寒草甸植物光合型鉴定、植物水分利用、食物链营养关系、碳氮循环等方面的研究进展。最后,对碳氮稳定同位素技术在研究高寒草甸土壤有机碳与土壤呼吸、重现植被类型更替和气候演化历史、土壤N₂O溯源、探究高寒草甸退化的原因、藏药与动物食品产地溯源等方面的应用前景进行了展望,以期进一步发挥其在青藏高原高寒草甸研究中的潜力。     

多功能群物种配置模式下退化高寒草甸植物多样性与生态系统多功能性的关联

构建多功能群物种配置模式是恢复重度退化高寒草地的重要方式。然而, 青藏高原重度退化高寒草甸对多功能群物种配置的响应以及植物多样性与生态系统多功能性之间的关系仍未明晰。该研究以三江源自然保护区玛沁县重度退化高寒草甸为研究对象, 构建了禾草混播、禾+豆混播、禾+豆+莎混播、禾+豆+杂混播的多功能群物种配置模式, 在测定植物群落多样性、初级生产力、土壤因子的基础上, 评估了不同配置模式下生态系统多功能性, 并进一步解析植物多样性和生态系统多功能性之间的关系。结果表明: (1)在4种物种配置模式中, 禾+豆+莎混播处理具有最高的物种丰富度和Shannon-Wiener指数, Simpson指数和Pielou指数在多功能群物种配置模式下无显著差异。(2)生物量随植物功能群数增加显著增加, 在禾+豆+莎混播处理时最高。(3)禾+豆+莎混播处理下, 除pH、电导率、速效磷含量外, 其余指标均显著增加。(4)生态系统多功能性在禾+豆+莎混播处理时最高, 生态系统多功能性随植物多样性的增加表现出显著下降的趋势。上述结果表明禾+豆+莎混播处理在促进重度退化高寒草甸的土壤养分恢复、提高初级生产力方面有显著影响。研究结果为恢复三江源地区重度退化高寒草甸提供物种配置参考, 对于发展青藏高原重度退化高寒草甸生态恢复理论具有重要意义。     

用稳定性同位素技术确定高寒草甸生态系统中动物营养级模型

根据稳定性同位素技术原理建立了高寒草甸生态系统中动物的营养级模型 (3)、 (7)和 (9)式。 3个模型分别描述了每种食物资源对动物的贡献大小 (PCV)、食物资源 (Ai)占取食动物 (P)的整个食物的比例 (PAiP)、动物在高寒草甸生态系统中的营养级 (TLc) :PCVAi =cos (ΔαPAi)ΖPAi(3)PAiP =PCVAi∑i=1PCVAi× % (7)TLc =1 (αc-αTL1) /Δαcd (9)式中 ,ΔαPAi为捕食者P与食物Ai 的取食角 ,ΖPAi为捕食向量与食物向量之间的欧氏距离 ,αc 是消费者的向量角 ,αTL1是第一营级的向量角 ,利用系数Δαcd是消费者与食物向量角之差 (为一常数 )。同时 ,给出了判断高寒草甸两个物种之间捕食或营养关系模型 (ΖS1 S2 ) :当cos (Δα) /PCVmin≤ΖS1 S2 ≤cos (Δα) /PCVmax时存在捕食关系 ,并为上下级营养关系 ;当ΖS1 S2 cos (Δα) /PCVmax时 ,不存在捕食关系 ,前式为同一营养级 ,后式为相隔一个至几个营养级。模型 (9)式得到的结果与张晓爱等 (1999)报道一致。     

13C脉冲标记揭示放牧对高寒草甸同化碳分配的影响

放牧是人类对草地进行利用的重要方式之一, 放牧影响草地生态系统的结构和功能, 改变植物光合碳(C)分配, 进而改变土壤有机碳的储存。青藏高原的高寒草甸是世界上海拔最高的草地生态系统, 寒冷季节长等独特的环境特点使其具有高的土壤有机碳含量。为了揭示长期轻度放牧对植物光合碳分配及植物光合碳在各库之间运移的影响, 基于在青藏高原矮嵩草草甸开展的长期冬季轻度放牧和围栏封育实验, 利用 ¹³C示踪方法揭示了放牧对光合碳在植物地上、地下组织的分配以及光合碳在植物、土壤各碳库中的运移和滞留。研究结果发现, 在 ¹³C标记之后第30天, 冬季轻度放牧样地的植物地上部分内 ¹³C约占开始时 ¹³C含量的32%, 根和土壤中的 ¹³C约占22%, 植物地上部分呼吸中的 ¹³C量约占30%。在放牧和围封这两个不同处理中, 土壤中光合碳的滞留以及光合碳随土壤呼吸释放的速率存在显著差异。长期冬季轻度放牧促使植物将更多的光合碳输入到根和土壤碳库中。与围栏封育处理相比较, 放牧处理下的 ¹³C从植物地上部分输入到地下的速率较快, 通过土壤呼吸释放的速率也快, 而植物地上部分和植物地上部分呼吸中 ¹³C的量较低。另外, 高寒矮嵩草草甸土壤C储量在冬季轻度放牧和围栏封育处理下没有显著差异。我们的研究表明, 尽管冬季轻度放牧改变了植物光合碳分配在地上和地下碳库中的分配, 但是没有显著影响土壤碳库储量。     

几种C4和CAM植物光合亚途径的鉴别

C_4.植物鼠尾粟(Sporobolus indicus),金色狗尾草(Setaria glauca)、细叶结缕草(zoysia tenuifolia)、千金子(Leptochloa chinensis)和 CAM 植物芦荟(Aloe vera)属PEP 羧激酶亚型。C_4双子叶植物飞扬草(Euphorbia hirta)则为 NAD 苹果酸亚型。前面4种 PEP 羧激酶型的 C_4草本植物的维管束鞘细胞叶绿体呈均匀分布,与已知的该型的离心排列不同。认为这可为 C_4植物三种光合亚型的演化关系提供新的证据。     

青藏高原纳木错高寒草甸生态系统碳交换对多梯度增水的响应

高寒草甸是青藏高原的主要草地类型, 对青藏高原生态系统碳收支具有重要的调节作用。目前, 有关高寒草甸生态系统碳交换对气候变化的响应所知甚少, 尤其是降水变化会如何影响高寒草甸碳交换过程的相关研究非常匮乏。该文作者于2013和2014年的生长季(5-9月)在青藏高原纳木错地区高寒草甸进行多梯度人工增水实验, 设置对照和5个水分添加梯度, 分别增加0%、20%、40%、60%、80%和100%的降水, 以研究高寒草甸生态系统在不同降水量条件下的碳交换变化。增水处理后, 各处理梯度之间的土壤温度没有显著差异, 而土壤含水量在不同增水处理后出现显著变化, 相对于对照, 增水幅度越大, 对应的土壤含水量越高。综合2013和2014年的观测结果, 高寒草甸生态系统整体表现为碳吸收, 在20%增水处理中, 净生态系统碳交换(NEE)达到最大值, 随着模拟的降水梯度进一步增加, NEE逐渐下降; 增水处理对生态系统呼吸(ER)无显著影响; 总生态系统生产力(GEP)的变化趋势与NEE一致, 即随着增水梯度增大, GEP先增加, 并在增水20%处理达到最大值, 随后GEP开始降低。研究表明, 在高寒草甸生态系统, 水分是影响GEP和NEE的重要因素, 对ER影响较弱; 未来适度的增水(20%-40%)能促进高寒草甸生态系统对碳的吸收。     

增温对青藏高原高寒草甸生态系统固碳通量影响的模拟研究

低温被广泛认为是高寒草甸生态系统首要限制性因子,因此增温可能会在某种程度上促进初级生产力,但是也可能由于土壤水分、N素营养状况的改变形成新胁迫而抑制生产力提高。此外,生态系统呼吸由于增温而提高的幅度也可能高于初级生产力提高的幅度,造成总碳库平衡的改变。利用青藏高原海北高寒草甸实测数据对生态系统过程模型Biome-BGC(V.4.2)进行了参数化,并利用研究区实测土壤水分(0-40 cm)和其它观测数据对模型进行了检验,证明模型模拟结果较为可靠。模型使用2005-2008年的海北气象站实测气象数据包括气温、降水等作为驱动数据,模拟了增温1.2-1.7℃下青藏高原海北定位站高寒草甸生态系统碳通量的变化,并整合分析增温试验平台上已发表的试验,与模拟结果进行对比,探讨增温对海北高寒草甸生态系统碳收支的可能影响。结果表明:2005-2008年青藏高原高寒草甸生态系统为弱的碳汇,短期增温导致系统净碳固定增加。增温直接影响系统碳通量,也通过土壤水分和土壤矿化氮变化间接影响碳通量,相比土壤水分和氮素,增温对影响碳通量变化过程中的效应更大;研究也揭示,在增温条件下,植物对土壤矿化氮的吸收量小于有机质分解产生的土壤矿化氮量,土壤矿化氮含量增加。