Aims

 采用开顶式生长室(Open-top chamber, OTC)模拟增温对植被影响的研究方法, 研究了川西亚高山林线交错带糙皮桦(Betula utilis) 和岷江冷杉(Abies faxoniana)幼苗物候及生长特性对模拟增温的响应。结果表明, 温度升高使岷江冷杉幼苗芽开放时间显著提前(15.2 d); 糙 皮桦春季芽物候期变化不显著, 而落叶时间明显推迟(19.7 d), 叶寿命延长(22.8 d)。与对照(CK)相比, OTC内糙皮桦叶面积和岷江冷杉叶片长度及两者侧枝生长速率都显著加快。模拟增温对两物种基径相对生长速率都表现为正效应, 增温对两物种枝叶特性及分布格局表现为不同程度 的正效应、负效应或无影响。不同功能型两物种对模拟增温响应方式存在一定程度差异。     

短期模拟增温对黄河三角洲滨海湿地芦苇光响应特征的影响

黄河三角洲滨海湿地地下水位浅,淡咸水交互作用明显,其土壤水盐状况成为影响该地区生态系统关键过程的主要因子。另外,随着气候变暖,黄河三角洲在过去50年(1961—2010年)进入显著升温阶段,温度升高直接或间接影响着植物的光合作用和光响应特征,从而影响黄河三角洲滨海湿地的演变。采用红外辐射加热器模拟增温,分析了增温对黄河三角洲滨海湿地生长季(2015年5月初—2015年10月底)芦苇光响应特征的影响。根据土壤含水量波动情况生长季可分为3个时期,即干旱期、淹水期和湿润期。结果表明,干旱期,10 cm土壤温度升高3.3℃,土壤水分含量升高了9.4%,土壤盐分含量升高了16.7%;盐分增加使芦苇叶片在强光下发生光抑制,并且显著降低最大光合速率(Pnmax)、暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)。淹水期,增温对10 cm土壤温度、湿度和盐分均无显著影响,过饱和的水分状况限制叶片光合速率,使得Pnmax达到最低。湿润期,10 cm土壤温度显著升高3.0℃,土壤含水量升高了2.9%,土壤盐分无显著差异;这一阶段,温度升高促进中强光下芦苇叶片的光合速率;同时叶片Pnmax、Rd和LSP分别增加27.7%、14.9%和23.3%。从整个生长季来看,增温使土壤温度显著升高2.9℃,土壤盐分含量升高7.0%,而对光合参数无显著影响。由此可见,在滨海湿地生态系统中,增温对光合作用的影响受土壤水盐状况的控制。     

增温对川西亚高山针叶林内不同光环境下红桦和岷江冷杉幼苗生长和生理的影响

 川西亚高山针叶林是青藏高原东部高寒林区的重要组成部分, 也是研究全球变化对森林生态系统影响的重要森林类型。开展亚高山针叶林不同树种对气候变暖响应差异的研究, 可为预测未来气候变暖背景下亚高山针叶林植被组成和森林动态提供科学依据。我们以川西亚高山针叶林两种主要树种——红桦(Betula albo-sinensis)和岷江冷杉(Abies faxoniana)为研究材料, 采用开顶式增温法(Open-top chamber, OTC)模拟气候变暖, 研究了增温对全光条件和林下低光环境中(约为全光的10%)生长的红桦和岷江冷杉幼苗生长和生理的影响。在人工林环境下, OTC使增温框内平均气温和地表温度分别升高了0.51和0.33 ℃; 而在林外空地处, OTC使二者分别升高了0.69和0.41 ℃。研究结果显示, 增温总体上促进了两种幼苗的生长和生理过程, 并促使幼苗将更多的生物量投入到其同化部位——叶, 使幼苗的根冠比(R/S)显著降低。增温通过增加叶片的光合色素含量和表观量子效率等光合参数, 促进了幼苗的光合过程和生长。然而, 增温对两种幼苗生长和生理的影响效果与植物种类及其所处的光环境有关。增温仅在林外全光条件下显著影响红桦幼苗的生长和生理过程。岷江冷杉幼苗对增温的响应与红桦相反, 即增温仅在林下低光环境下对岷江冷杉幼苗的生长和生理过程有明显促进作用。这种响应差异可能赋予这两种植物在未来气候变暖背景下面对外界环境变化时具有不同的适应能力和竞争优势, 从而对亚高山针叶林生态系统物种组成和森林动态产生潜在影响。     

模拟增温对川西亚高山林线交错带绵穗柳生长、叶物候和叶性状的影响

采用开顶式生长室(open-top chamber, OTC)模拟增温的方法,研究了模拟增温对川西亚高 山林线交错带绵穗柳生长和叶性状的影响.结果表明：与对照样地相比,OTC内日平均气温(地上12 m)在植物生长季中增加2.9 ℃,而5 cm土壤温度仅增加0.4 ℃;温度升高使绵穗柳芽开放时间明显提前、落叶时间明显推迟,叶寿命延长;OTC内绵穗柳叶面积和侧枝生长速率明显加快,比叶面积明显增加,而叶氮浓度却显著下降;OTC内绵穗柳的气孔导度、净光合速率、光呼吸速率和暗呼吸速率总体上呈增加趋势.综上所述,绵穗柳适应增温效应的能力较强,在未来气候变化背景下,其分布的海拔高度有可能上升.     

模拟增温对川西亚高山林线交错带绵穗柳生长、叶物候和叶性状的影响

采用开顶式生长室(open-top chamber, OTC)模拟增温的方法,研究了模拟增温对川西亚高 山林线交错带绵穗柳生长和叶性状的影响.结果表明：与对照样地相比,OTC内日平均气温(地上12 m)在植物生长季中增加2.9 ℃,而5 cm土壤温度仅增加0.4 ℃;温度升高使绵穗柳芽开放时间明显提前、落叶时间明显推迟,叶寿命延长;OTC内绵穗柳叶面积和侧枝生长速率明显加快,比叶面积明显增加,而叶氮浓度却显著下降;OTC内绵穗柳的气孔导度、净光合速率、光呼吸速率和暗呼吸速率总体上呈增加趋势.综上所述,绵穗柳适应增温效应的能力较强,在未来气候变化背景下,其分布的海拔高度有可能上升.     

短期增温对青藏高原高寒草甸植物群落结构和生物量的影响

采用增温棚模拟增温的方法,对比研究了青藏高原腹地典型高寒草甸和沼泽草甸在两种增温梯度条件下植物群落结构及植物生长对温度升高的初期响应。由于开顶式生长室(OTC)的增温作用,在整个生长季内,沼泽草甸月平均气温分别较对照提高2.98℃ (OTC1)和 5.52℃((OTC2),20cm处土壤水分分别减少了2.45%(OTC1)和3.44%(OTC2);高寒草甸月平均气温分别比对照升高了2.59℃(OTC1)和 5.16℃ (OTC2)。20cm处土壤水分分别减少了1.83%(OTC1)和7.71%(OTC2)。受温度升高及土壤含水量减少的影响,模拟增温2个生长季后,与对照样地相比,群落种群高度、密度、盖度、频度和重要值发生变化,群落结构也发生一定变化。增温处理使高寒草甸禾草和莎草盖度减少,杂草盖度增加,而使沼泽草甸中禾草和莎草盖度增加,杂草盖度减少。增温后,两种草甸总生物量均增加,但大幅度的增温条件抑制了高寒草甸的这种促进作用,而促进了沼泽草甸的这种促进作用。两种草甸的地下生物量主要分布在土壤表层,模拟增温使得高寒草甸的生物量分配格局向深层转移,但不明显;而使沼泽草甸生物量明显的趋向深层土壤中转移。     

长期模拟增温对岷江冷杉幼苗生长与生物量分配的影响

川西亚高山针叶林是青藏高原东部高寒林区的重要组成部分,也是研究全球变化对森林生态系统影响的重要组成。长期模拟增温对川西亚高山森林树木的生长、物质积累及其分配格局的影响至今鲜有报道。以川西亚高山针叶林优势种岷江冷杉(Abies faxoniana)幼苗为研究对象,采用控制环境生长室模拟增温的方法,研究了模拟增温对岷江冷杉幼苗生长、物质积累及其分配格局的影响。结果表明,模拟增温(2.2±0.2)℃处理65个月后,岷江冷杉幼苗基径、株高、单株叶面积和比叶面积(SLA)均显著增加,比叶重(LMA)显著下降。增温对岷江冷杉幼苗的茎、侧枝、叶和总生物量具有显著的促进作用,对根生物量没有显著影响。岷江冷杉幼苗的叶重比(LMR)下降、枝重比(SMR)增加、根重比(RMR)无显著变化。长期增温能显著促进岷江冷杉幼苗的生长和物质积累,改变生物量分配格局,促使叶片物质向茎转移,降低光合物质投入。     

川西亚高山采伐迹地草坡群落对模拟增温的短期响应

采用开顶式生长室(open-top chamber, OTC),研究了川西亚高山采伐迹地草坡群落物候、群落结构和地上生物量对模拟增温的初期响应.生长季中OTC内日平均气温较对照(CK)增加2.2 ℃,5 cm土壤温度增加0.8 ℃.和CK相比,建群种牛尾蒿和糙野青茅萌动期、花蕾期和花期均显著提前,而枯黄期显著推迟.群落各种群高度、密度和重要值增加、减少或无影响,生物多样性指数有所下降,群落结构发生一定变化.OTC内糙野青茅和牛尾蒿地上生物量较CK分别增加46.3%和42.0%.中华羊茅和其它草类植物地上生物量有所下降,但差异不显著.地上总生物量增加34.0%.     

羊草叶片气体交换参数对温度和土壤水分的响应

 采用生长箱控制的方法研究了羊草(Leymus chinensis)幼苗叶片光合参数对5个温度和5个水分梯度的响应和适应。结果表明：轻度、中度土壤干旱并没有限制羊草叶片的生长,对气体交换参数亦无显著影响,反映了羊草幼苗对土壤水分胁迫的较高耐性。叶片生物量以26 ℃时最大,其它依次为23 ℃、20 ℃、29 ℃和32 ℃。温度升高使气孔导度和蒸腾速率增加, 却使光合速率和水分利用效率降低。水分和温度对叶片生物量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率存在显著的交互作用,表明高温加强了干旱对叶片生长和气体交换的影响, 降低了羊草对土壤干旱的适应能力。高温和干旱的交互作用将显著减少我国半干旱地区草原的羊草生产力。     

黄渤海湿地芦苇光合特征对增温的响应

滨海湿地是高效的蓝碳碳汇系统,但气候变暖正在直接或间接地影响着滨海湿地植物的光合作用特征,从而影响湿地的碳汇功能。本研究在少雨的黄河三角洲(东营)和多雨的江苏盐城两地芦苇湿地建设增温观测站,采用Li-6800光合测量系统研究在东营和盐城两地芦苇的光合特征对模拟增温的响应机制,并对比了东营6月与8月两个生长季的差异。结果表明：与8月相比,6月芦苇光合作用能力更强,增温在2个生长季均提高了芦苇的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)和胞间CO₂浓度(C_i),但在8月P_n的正响应波动较小;与东营相比,盐城湿地的芦苇具有更高的P_n和水分利用率(WUE),且盐城湿地芦苇的最大净光合速率(P_{n max})、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY)和暗呼吸速率(R_d)对增温的正响应更为显著,其AQY、LSP和P_{n max}在增温样地分别提高了16.7%、53.6%和30...     

Short-term responses of phenology, shoot growth and leaf traits of four alpine shrubs in a timberline ecotone to simulated global warming, Eastern Tibetan Plateau, China

The short-term effects of artificial warming on phenology, growth and leaf traits were investigated in four alpine shrubs using the open-top chamber (OTC) method in a timberline ecotone (3240 m a.s.l.) on the Eastern Tibetan Plateau. The OTC enhanced the mean air temperature by 2.9°C throughout the growing season. In contrast, only a slight difference (0.4°C) in the mean soil temperature was observed in the OTC compared with the control plots (CP). Spiraea mongolica , Potentilla fruticosa , Conicera hispida (deciduous shrubs) and Daphne retusa (evergreen shrub) showed earlier bud break, flowering and fruit coloring as well as longer flower longevity in the OTC than in the CP. All deciduous shrubs in the OTC had a longer leaf lifespan. Daphne retusa had higher leaf survival rates in the OTC. No significant differences in the total number of flowers and fruits were noticed for most species between the two treatments. Warming stimulated the shoot and leaf growth for most species. The specific leaf area tended to increase for many species in the OTC. However, the leaf nitrogen concentration tended to decrease in P. fruticosa and S. mongolica. The results obtained in the present study indicate that warming conditions can have strong impacts on alpine shrubs in a timberline ecotone.     

Biotic validation of small open-top chambers in a tundra ecosystem

Small open‐top chambers (OTC) are used widely in ecosystem warming experiments. The efficacy of the open‐top chamber as an analogue of climatic warming is examined. Twenty‐four small OTCs were used to passively warm canopy temperatures in wet meadow tundra at Barrow, Alaska, during two consecutive summers with contrasting surface air‐temperatures. Fortuitously, the seasonal average temperature regime within chambers in the colder year (1995) was similar to the controls of the warmer year (1996); this allowed a comparison of natural vs. chamber warming. All measured plant responses behaved similarly to both year and treatment 68% of the time. A comparison of the populations of the warmer summer's control with the cooler summer's OTC found no statistical difference in 80% of the response variables measured. A meta‐analysis also found no significant difference between the responses of the two populations. These results give empirical biotic validation for the use of the OTC as an analogue of regional climate warming.     

Initial responses of soil CO2 efflux and C, N pools to experimental warming in two contrasting forest ecosystems, Eastern Tibetan Plateau, China

Alpine ecosystems are harsh environments where low temperatures are generally a limiting factor. Predicted global warming is thus expected to have a profound impact on alpine ecosystems in the future. This study was conducted to compare the effect of experimental warming on soils in two contrasting forest ecosystems (a dragon spruce plantation and a natural forest) using the open top chamber (OTC) method in the Eastern Tibetan Plateau of China. The OTC enhanced average daily mean soil temperatures by 0.61°C (plantation) and 0.55°C (natural forest), respectively, throughout the growing season. Conversely, soil volumetric moisture declined by 4.10% in the plantation and by 2.55% in the natural forest. Across all measuring dates, warming increased average soil CO₂ efflux by 10.6% in the plantation and by 15.4% in the natural forest. However, elevated temperatures did not affect the respiration quotient in either forest. Two-stage sulfuric acid hydrolysis was used to quantify labile and recalcitrant C and N fractions in the two contrasting soils. Warming significantly reduced labile C and N fractions in both ecosystems but did not influence the total, recalcitrant and microbial biomass C and N pools. Labile C, N and microbial biomass C showed significant interactions in warming × forest type × season. Irrespective of warming treatments, all measured pools were significantly larger in the natural forest compared to the plantation. Taken together, our results indicate that the lowered soil labile C and N pools may be induced by the increased soil CO₂ efflux. The responses of the natural forest soil were more sensitive to experimental warming than those of the plantation. We conclude that reforestation dramatically lowers soil C and N pools, further affecting the responses of forest soils to future global warming.     

川西高海拔增温和加氮对红杉凋落物有机组分释放的影响

对川西高山树线红杉新鲜凋落物中有机组分于11月进行自然条件(对照)、加氮(2 g N·m^-2)、增温(顶开式培养室)、加氮+增温4个处理的原位培养,并监测凋落物中有机组分的分解动态.结果表明: 在试验开始后4个月内,增温、加氮以及加氮+增温处理比对照显著促进了红杉凋落物中水溶性糖、水溶性酚和多酚的分解,但随着培养时间的延长,累积分解量的差异逐渐缩小.与对照相比,增温、加氮和增温+加氮处理均抑制红杉凋落物中CH₂Cl₂提取组分、酸溶碳水化合物、酸溶木质素和非酸溶木质素分解,其中增温处理抑制作用最强,加氮处理抑制效果最弱,增温+加氮处理介于二者之间;增温处理对非酸溶木质素和CH₂Cl₂提取组分的半分解周期延长1倍以上,热水溶组分的半分解周期延长50%以上.在原位培养条件下,红杉新鲜凋落物中水溶性糖、水溶性酚、多酚、酸溶碳水化合物、酸溶木质素是较容易分解的有机组分,半分解周期分别为182、159、127、154和190 d;热水溶组分、CH₂Cl₂提取组分和非酸溶木质素是较难分解的有机组分,半分解周期分别是209、302和318 d;尽管低温季节(11月至次年3月)极其寒冷,气温均低于0 ℃,常被认为是微生物活性最弱、有机物分解最慢的时期,但结果显示低温季节期间红杉凋落物各有机组分却分解最快.因此,氮沉降和升温将迟滞该区域高寒红杉林凋落物的分解.这将有利于高寒森林生态系统的土壤碳固持.     

长期模拟升温对崇明东滩湿地土壤微生物生物量的影响

以崇明东滩芦苇湿地为对象,采用开顶室生长箱(Open top chambers OTCs)原位模拟大气升温试验,研究了连续升温8a对崇明东滩湿地0—40cm土层土壤微生物生物量碳氮含量的影响。结果表明:连续升温显著提高了崇明东滩湿地土壤微生物生物量碳氮含量,从土壤表层到深层(0—10,10—20,20—30,30—40cm),微生物生物量碳分别增加了39.32%、70.79%、65.20%、74.09%,微生物生物量氮分别增加了66.46%、178.27%、47.24%、64.11%。但升温对土壤微生物生物量的影响因不同土层和不同季节并未表现出统一的规律,长期模拟升温显著提高4月0—20cm土层和7月0—40cm土层微生物生物量碳氮含量,对10月0—40cm土层微生物生物量碳含量没有影响,但是显著提高了10月0—40cm土层微生物生物量氮含量,同时,微生物生物量碳氮比在7月也显著提高。相关分析表明:无论在升温条件还是在对照条件下,土壤温度、含水量、总氮与土壤微生物生物量碳氮及微生物生物量碳氮比均无相关关系,升温条件下,有机碳与微生物生物量碳氮含量以及微生物生物量碳氮比呈显著正相关,但是在对照条件下有机碳与微生物生物量碳氮含量以及微生物生物量碳氮比呈显著负相关。因此,土壤有机碳是影响土壤微生物生物量碳氮含量对长期模拟升温响应的重要生态因子。     

川西高山林线土壤活性碳、氮对短期增温的响应

随着温室效应的加剧,受低温限制的高山林线生态系统对全球气候变暖较为敏感,可能直接影响到植物的生长和土壤碳氮过程.本研究假设气候变暖会改变高山生态系统土壤活性碳氮含量,在四川省理县米亚罗高山生态系统定位站,采用开顶式模拟增温装置(OTC)模拟增温对土壤活性碳、氮的短期影响.分别于2017年4、7和10月,采集OTC以及对照样地(CK)内土壤有机层和矿质土壤层的原状土壤,测定土壤可溶性有机碳(DOC)、土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤可溶性有机氮(DON)和土壤微生物生物量氮(MBN)含量.结果表明: 模拟增温使年均气温升高0.88 ℃,土壤有机层和矿质土壤层的年均温度分别提高0.48和0.23 ℃.模拟增温没有显著改变土壤有机质和含水量,但显著提高了矿质土壤层的pH值,同时显著降低了非生长季矿质土壤层的DOC、DON含量;季节变化对两个层次的DOC、DON和MBN含量有极显著影响,而MBC没有明显的季节动态;增温和季节交互作用对矿质土壤层的DOC和DON有显著影响.土壤有机层的MBC、MBN含量显著高于矿质土壤层.土壤活性碳、氮与土壤有机质和含水量呈极显著正相关,MBC、MBN与土壤pH呈极显著正相关,MBN与土壤温度呈显著负相关.