降水变化对藏北高寒草原化草甸降水利用效率及地上生产力的影响

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同期遥感EVI植被指数建立线性模型,反演了2000-2016年地上净初级生产力(ANPP),结合同时期气象数据,以生长季降水量(GSP)表征降水总体状况,改进的降水集度指标(PCI)表征生长季降水分配,降水重心(PC)表征降水集中时间,并结合生长季均温(GST),利用结构方程分析了气候因子对当雄草地降水利用效率和地上生产力的影响.结果表明: 当雄草地ANPP主要受生长季降水影响,GSP与ANPP呈显著正相关,而GST与PUE、ANPP无显著相关关系;PCI与PUE呈显著正相关,表明降水集中分布有利于PUE增加;PCI与ANPP相关的间接系数大于直接系数,表明PCI通过PUE影响ANPP;降水集中时间(PC)变化则对PUE和ANPP没有显著影响.在青藏高原显著的气候变暖背景下,降水量和降水集度的变化都将会对藏北高寒草地的地上生产力产生重要影响.     

草地生态系统生物量在不同气候及多时间尺度上对氮添加和增雨处理的响应

生产力是草地生态系统重要的服务功能, 而生物量作为生态系统生产力的主要组成部分, 往往同时受到氮和水分两个因素的限制。在全球变化背景下, 研究草地生态系统生物量对氮沉降增加和降水变化的响应具有重要意义, 但现有研究缺乏对其在大区域空间尺度以及长时间尺度上响应的综合评估和量化。本研究搜集了1990-2017年间发表论文的有关模拟氮沉降及降水变化研究的相关数据, 进行整合分析, 探讨草地生态系统生物量对氮沉降和降水量两个因素的变化在空间和时间尺度上的响应。结果表明: (1)氮添加、增雨处理以及同时增氮增雨处理都能够显著地提高草地生态系统的地上生物量(37%, 41%, 104%)、总生物量(32%, 23%, 60%)和地上地下生物量比(29%, 25%, 46%)。单独增雨显著提高地下生物量(10%), 单独施氮对地下生物量影响不显著, 但同时增雨则能显著提高地下生物量(43%); (2)氮添加和增雨处理对草地生态系统生物量的影响存在明显的空间变异。在温暖性气候区和海洋性气候区的草地生态系统中, 氮添加对地上、总生物量及地上地下生物量比的促进作用更强, 而在寒冷性气候区和温带大陆性气候区的草地生态系统中, 则增雨处理对地下、总生物量的促进作用更强; (3)草地生态系统生物量对氮添加和增雨处理的响应也存在时间格局上的变化, 地下生物量随着氮添加年限的增加有降低的趋势, 地上、总生物量及地上地下生物量比则有增加的趋势。增雨年限的增加对总生物量没有明显的影响, 但持续促进地上生物量和地下生物量, 增加地上地下生物量比, 可见长期增氮、长期增雨对地上生物量的促进作用更明显。     

高寒草甸退化过程中群落生产力和物种多样性的非线性响应机制研究

为了阐释青藏高原高寒草甸退化的关键生态过程, 该研究依托藏北高原草地生态系统研究站(那曲站), 设置不同退化梯度实验, 即对照、轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化5个梯度, 探究群落生产力和物种多样性对不同退化强度的响应机制。结果表明: 1)随着退化程度不断加剧, 地上生物量呈现线性或非线性增加趋势, 在重度退化处理下, 地上生物量显著高于对照32.3%, 其中高山嵩草(Kobresia pygmaea)地上生物量呈非线性下降趋势, 而矮火绒草(Leontopodium nanum)地上生物量呈非线性增加趋势; 2)与地上生物量的响应模式相反, 随着退化程度加剧, 地下生物量与总生物量均呈现非线性降低趋势; 3)高寒草甸退化过程中, 物种辛普森指数、丰富度指数、香农多样性指数和均匀度指数均呈现非线性上升趋势。结构等式方程结果表明, 土壤碳含量和体积含水量与地下生物量均呈现显著的正相关关系。土壤碳含量、体积含水量和砾石质量比对地上生物量无显著影响, 土壤碳、氮含量与物种多样性指数呈现显著的负相关关系。研究认为地上生产力的变化不能很好地指示草地的退化程度, 建议今后研究应以可食性牧草和毒杂草等植物功能群的变化来衡量草地退化。     

基于CENTURY模型的荒漠草原ANPP对气候变化响应的模拟

荒漠草原是内蒙古草原主要类型之一,生态系统脆弱,对气候变化响应敏感。利用四子王旗生态气象观测试验站50年的气候数据、近5年的土壤调查资料和7年草地样方资料对CENTURY模型适用性进行检验;分析了过去50年地上净初级生产力(ANPP)与26个气象因子之间的相互关系;最后基于区域气候模式系统PRECIS输出的2021—2050年SRES B2、A2和A1B气候排放情景数据,分析未来50年研究区ANPP的可能变化趋势。结果表明:CENTURY模型能够成功模拟这类荒漠草原的季节动态和年际变化;生长季内逐月地上生物量模拟值与观测值之间具有较好的相关性(R2=0.66,P0.01);在过去50年中,四子王旗荒漠草原温度增加,降水略增,ANPP增加;模拟的ANPP随气温和降水的变化呈现出明显的变化规律;相关分析表明,ANPP与降水量呈显著正相关,与年极端最高气温和年蒸发量呈显著负相关,与其余气象因子相关性不显著;在SRES B2、A2和A1B情景下,未来四子王旗荒漠草原平均最高气温、最低气温和降水量均呈现增加趋势,ANPP年际间波动较大,但总体增加趋势明显,分别较基准时段增加了2.55%、4.19%和9.44%;3种情景下,未来四子王旗气候变化均对ANPP产生正面影响。本研究实现了CENTURY模型在内蒙古荒漠草原上的应用,弥补了由于西部荒漠草原区缺乏连续长期野外试验数据及生态系统异质性而导致无法对草地生产力进行准确动态评估的不足。     

灌丛化对黄土高原草地植物群落结构和地上生物量的影响

中国北方草地普遍出现灌丛化现象,灌丛化改变植物群落结构、植物多样性和生产力,直接影响着草地生态保护与可持续利用。该研究以黄土高原灌丛化草地为研究对象,通过植被调查,分析比较不同坡向的灌丛斑块与禾草斑块植物群落结构(物种组成、优势种及物种多样性)和地上生物量的差异。结果发现:(1)灌丛化草地不同坡向对物种多样性及地上生物量均无显著影响(P 0.1),但不同斑块植物群落结构(P=0.001)及地上生物量(P0.001)存在显著差异。(2)灌丛化草地共出现植物29种,其中禾草斑块有27种,灌丛斑块有18种;灌丛化显著改变了植物群落的物种组成,优势种由长芒草(Stipa bungeana)更替为矮脚锦鸡儿(Caragana brachypoda),且灌丛化降低了草地物种丰富度,增加了群落均匀度。(3)灌丛化显著改变了草地地上生物量,其中灌丛斑块地上生物量较禾草斑块地上生物量增加251.2 g·m~(-2),灌丛斑块中灌木/半灌木地上生物量提高了452.1 g·m~(-2),多年生丛生禾草减少了176.5 g·m~(-2),其余功能群植物的地上生物量减少了24.4 g·m~(-2)。(4)灌丛化过程(从禾草斑块—灌丛斑块)中,植物种丢失对地上生物量减少的影响较小,新增物种和群落优势种更替促进了灌木斑块地上生物量增加;虽然灌丛化导致草地地上生物量增加,但植物物种丰富度降低和优势种更替很有可能改变草地多样性和稳定性维持机制。     

Response of plant biomass to nitrogen addition and precipitation increasing under different climate conditions and time scales in grassland

生产力是草地生态系统重要的服务功能, 而生物量作为生态系统生产力的主要组成部分, 往往同时受到氮和水分两个因素的限制。在全球变化背景下, 研究草地生态系统生物量对氮沉降增加和降水变化的响应具有重要意义, 但现有研究缺乏对其在大区域空间尺度以及长时间尺度上响应的综合评估和量化。本研究搜集了1990-2017年间发表论文的有关模拟氮沉降及降水变化研究的相关数据, 进行整合分析, 探讨草地生态系统生物量对氮沉降和降水量两个因素的变化在空间和时间尺度上的响应。结果表明: (1)氮添加、增雨处理以及同时增氮增雨处理都能够显著地提高草地生态系统的地上生物量(37%, 41%, 104%)、总生物量(32%, 23%, 60%)和地上地下生物量比(29%, 25%, 46%)。单独增雨显著提高地下生物量(10%), 单独施氮对地下生物量影响不显著, 但同时增雨则能显著提高地下生物量(43%); (2)氮添加和增雨处理对草地生态系统生物量的影响存在明显的空间变异。在温暖性气候区和海洋性气候区的草地生态系统中, 氮添加对地上、总生物量及地上地下生物量比的促进作用更强, 而在寒冷性气候区和温带大陆性气候区的草地生态系统中, 则增雨处理对地下、总生物量的促进作用更强; (3)草地生态系统生物量对氮添加和增雨处理的响应也存在时间格局上的变化, 地下生物量随着氮添加年限的增加有降低的趋势, 地上、总生物量及地上地下生物量比则有增加的趋势。增雨年限的增加对总生物量没有明显的影响, 但持续促进地上生物量和地下生物量, 增加地上地下生物量比, 可见长期增氮、长期增雨对地上生物量的促进作用更明显。     

Nonlinear responses of productivity and diversity of alpine meadow communities to degradation

为了阐释青藏高原高寒草甸退化的关键生态过程, 该研究依托藏北高原草地生态系统研究站(那曲站), 设置不同退化梯度实验, 即对照、轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化5个梯度, 探究群落生产力和物种多样性对不同退化强度的响应机制。结果表明: 1)随着退化程度不断加剧, 地上生物量呈现线性或非线性增加趋势, 在重度退化处理下, 地上生物量显著高于对照32.3%, 其中高山嵩草(Kobresia pygmaea)地上生物量呈非线性下降趋势, 而矮火绒草(Leontopodium nanum)地上生物量呈非线性增加趋势; 2)与地上生物量的响应模式相反, 随着退化程度加剧, 地下生物量与总生物量均呈现非线性降低趋势; 3)高寒草甸退化过程中, 物种辛普森指数、丰富度指数、香农多样性指数和均匀度指数均呈现非线性上升趋势。结构等式方程结果表明, 土壤碳含量和体积含水量与地下生物量均呈现显著的正相关关系。土壤碳含量、体积含水量和砾石质量比对地上生物量无显著影响, 土壤碳、氮含量与物种多样性指数呈现显著的负相关关系。研究认为地上生产力的变化不能很好地指示草地的退化程度, 建议今后研究应以可食性牧草和毒杂草等植物功能群的变化来衡量草地退化。     

基于CASA模型的藏北地区草地植被净第一性生产力及其时空格局

基于1981-2004年遥感监测和气象数据,采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型模拟分析藏北地区草地植被净第一性生产力(NPP)及其时空变化特征.结果表明:受水热条件的制约,藏北地区草地植被NPP空间分布规律呈水平地带性分布,由东南向西北逐渐由230g C.m-2.a-1减少到接近0.藏北地区草地植被NPP整体水平较低,年均草地植被总NPP为21.5×1012g C.a-1,多年平均值仅为48.1g C.m-2.a-1,明显低于青藏高原和其它草原区.藏北地区坡度小于1°平地和平滩地,以及南坡的草地植被年平均NPP相对较低.藏北主要高寒草地7-9月NPP占全年NPP的64.0%~70.0%.1981-2004年间,藏北地区草地植被总NPP的年际变化较大,并有进一步下降趋势.     

喷灌对藏北高寒草地生产力和物种多样性的影响

通过3a(2008—2010年)的藏北高寒草地喷灌试验,研究了不同喷灌量对草地群落生产力和物种多样性的影响。结果表明,丰水年灌溉对藏北高寒草地的影响较小;而在相对干旱年份灌溉对高寒草地生产力和物种多样性影响显著。喷灌条件下高寒草地生物量显著提高,最高增幅出现在高水(GS)样地中,达到116%。喷灌明显促进物种重要值提高,其中灌木和阔叶杂草比例增加趋势更为明显。不同喷灌条件下优势物种相对重要值均有不同程度的降低,高水处理降低幅度最大。物种多样性方面,喷灌措施能够明显促进高寒草地Simpson指数和Shannon-weiner指数增加(P0.05),E.Pielou均匀度指数无显著变化(P0.05)。Shannon-weiner指数与生物量之间存在显著正相关关系(P0.05)。未来降水增多的气候条件可以减少干旱对高寒草地带来的负面影响,有利于提高草地生产力和维持草地物种多样性,促进高寒草地畜牧业健康发展。     

环青海湖地区天然草地和退耕恢复草地植物群落生物量对氮、磷添加的响应

植物群落生物量反映了植被的初级生产能力, 是陆地生态系统碳(C)输入的最主要来源, 往往受到自然界中氮(N)、磷(P)元素供应的限制。该试验以青藏高原环青海湖地区的高寒草原为研究对象, 探讨了天然草地和退耕恢复草地植被群落生物量对N (10 g·m^-2)、P (5 g·m^-2)养分添加的响应。N、P添加显著增加了天然草地禾草的生物量, 进而促使地上总生物量显著提高。退耕恢复草地禾草和杂类草的生物量对N添加均有一致的正响应, 从而促使地上总生物量显著增加174%, 群落地上和地下总生物量显著增加34%; 而P添加对恢复草地生物量各项参数均无显著影响。回归分析显示: 天然草地植物群落地上生物量随土壤中NO₃^--N含量的增加而增加(p < 0.05), 退耕恢复草地植被地上、地下和总生物量均与土壤NO₃^--N含量显著正相关(p < 0.01), 说明环湖地区高寒草原植物生长主要受N供应的限制, P的限制作用随土地利用方式的转变和群落演替阶段的不同而变化; 相比天然草地, 恢复草地在现阶段植被初级生产力受N的限制作用更强烈, 土壤中可利用N含量是限制其植被自然恢复和重建的关键因子。