内蒙古羊草草原植物群落地上初级生产力时间动态对降水变化的响应

植被生产力对水热因子的反应是气候 -植被关系研究的焦点之一。利用 1981～ 1994年的固定围栏样地植物群落调查数据及同期降水资料 ,分析了羊草草原群落地上初级生产力和降水的年际变化特征及植物群落地上初级生产力的时间动态与降水年际变化的相互关系。结果表明 ,羊草草原年降水以及月降水的年际波动明显 ;年内降水分配不均匀 ,降水集中分布于 6～ 8月份。月均降水以 7月份最高 ,基本呈对称分布。群落地上初级生产力年际间变化介于年降水与月降水的年际变化之间。影响群落地上初级生产力时间动态最显著的因子是植物生长周期内前一年 10月至当年 8月的累积降水 ,而与年降水和月降水无显著相关。群落地上初级生产力时间动态对累积降水波动的反应呈显著的二次曲线关系 ,与空间尺度上地上初级生产力与年降水呈线性相关关系不同。因此 ,降水波动对羊草草原地上初级生产力的影响是一个累积效应 ,确定对植物生长产生影响的有效降水时间对建立羊草草原生产力模型关系具有十分重要的意义。     

内蒙古草甸草原与典型草原地下生物量与生产力季节动态及其碳库潜力

地下根系是草原生态系统的重要组成部分,其生物量及其净生产力对地下碳库具有直接与间接作用,分析地下生物量季节动态与周转对深入揭示草原生态系统碳库动态及其固碳速率与潜力具有重要意义。应用钻土芯法对不同利用方式或管理措施下内蒙古草甸草原、典型草原地下生物量动态及其与温度、降水的相关性研究表明:草甸草原和典型草原地上生物量季节动态均为单峰型曲线,与上月降水显著正相关(P0.05),但地下生物量季节动态表现为草甸草原呈"S"型曲线,典型草原则是双峰型曲线,与温度、降水相关性均不显著(P0.05);两种草原根冠比和地下生物量垂直分布均为指数函数曲线,根茎型草原地下生物量集中在土壤0—5 cm,丛生型草原地下生物量集中于土壤5—10 cm,根冠比值在生长旺季(7—8月份)最小。草甸草原地下净生产力及碳储量范围分别为2167—2953 g m-2a-1和975—1329 gC m-2a-1,典型草原为2342—3333 g m-2a-1和1054—1450 gC m-2a-1,地下净生产力及其碳储量约为地上净生产力及其碳储量的10倍,具有较大的年固碳能力,且相对稳定;地下净生产力与地上净生产力呈显著负相关性(P0.05);地下生物量碳库是地上生物量碳库的10倍左右,适度放牧可增加地下生产力,但长期过度放牧显著降低其地下生物量与生产力,并使其垂直分布趋向于浅层化。     

羊草种群生物量分配动态模拟

基于4种密度羊草种群的温室模拟试验,分析了羊草种群地上生物量与地下生物量的动态变化．结果表明：羊草种群的地上生物量与地下生物量随生长期呈增加的趋势,且随密度的增加而增加,但不同密度间羊草地上生物量与地下生物量的相对生长速率没有显著差异;不同密度羊草种群的根冠比随生长进程而增加,但差异不显著,表明环境因子是影响羊草种群根冠比变化的主导因素;单株羊草及羊草种群的地上生物量和地下生物量间存在显著的幂函数关系,但幂函数指数与系数随羊草密度的变化而变化,表明资源竞争引起的微环境差异导致了羊草种群根冠比的动态变化,可为定量研究光合产物分配提供参考．     

内蒙古温带草地生物量及其与环境因子的关系

利用实际观测的113个地面数据,估算了内蒙古温带草地地上、地下生物量的大小,揭示了其空间分布和地下生物量的垂直分布规律,并探讨了不同环境因素对地上、地下生物量的调控作用．主要结果如下：（1）3种草地类型（荒漠草原、典型草原和革甸草原）的生物量存在显著差异;其地上生物量分别为56．6,133．4和196．7g／m^2,地下生物量分别为301．0,688．9和1385．2g／m^2;（2）地上生物量和地下生物量均呈现自西南向东北增加的空间分布特征;3种草地具有相似的地下生物量垂直分布特征;总体上,温带草地表层（0～10cm）地下生物量约占总地下生物量的一半;（3）降水是导致内蒙古温带草地生物量空间变异的主要因子．地下生物量的垂直分布与降水关系密切,而受土壤质地和草地类型的影响较弱．     

中国草地地下生物量研究进展

在草地生态学研究中,草地地下生物量的研究是必不可少的环节,地下部分无论是生理功能还是对草地植被碳蓄积贡献都具有举足轻重的地位。本文综述了中国当前草地地下生物量的研究方法和内容,包括草地地下生物量的测定方法,草地地下生物量的垂直空间分布规律,年度季节动态,地下地上生物量比值关系及动态,以及影响草地地下生物量的环境因子和人为因子。最后提出了我国草地地下生物量研究面临的主要问题及研究的发展趋势。     

羊草的地上-地下功能性状对氮磷施肥梯度的响应及关联

羊草(Leymus chinensis)是我国北方典型草原群落的主要建群种和优势种, 由于长期的过度放牧, 羊草草原生态系统的结构和功能严重退化。养分添加作为恢复草地生态系统的一种管理措施, 其应用目前还处于实验性研究阶段。关于羊草的地上-地下功能性状对养分添加, 尤其是P添加的响应研究较少, 相关机制尚不十分清楚。为此, 该文以羊草为研究对象, 通过温室栽培进行N (50, 100, 250 mg N·kg^-1)和P (5, 10, 25 mg P·kg^-1)各3个水平的养分添加实验, 研究羊草的地上-地下功能性状对N、P添加的响应及适应机制。主要研究结果表明: 1)羊草的地上生物量和总生物量主要受N添加的影响, N添加显著提高了羊草的地上生物量, 而地下生物量主要受P添加的影响, 尤其在中N和高N水平, P添加显著降低了羊草的地下生物量。羊草的根冠比受N、P添加的共同影响, 随着N、P添加梯度加大, 根冠比显著降低, N、P添加促进了羊草生物量向地上部分的分配和N、P向叶片的分配。2)在低N和高N水平, 羊草对P添加的响应与适应机制不同。低N水平, 羊草主要通过增加光合速率和比根长(SRL), 提高光合能力和根系对N的获取能力促进地上部分的生长, 而根系对P的吸收有利于地下部分的生长; 在高N水平, P添加对羊草的个体生长无明显促进作用, 甚至地下生物量明显受到P素抑制, 羊草主要通过保持较高的比叶面积(SLA)和SRL, 提高对光资源的截获能力和根系对N的获取和吸收能力, 维持地上部分的生长。3)相对于地上性状, P添加对羊草的地下性状影响更大, 羊草的SLA与SRL呈较弱的正相关关系, 表明叶片与根系在资源获取和利用方面具有相对独立性。     

羊草草原地上生物量的预测

采用数量化理论对羊草草原地上生物量进行了预测 ,建立了 2个数学预测模型。检验结果表明 ,地上生物量预测值与实测值的相关性显著 ,地上生物量的鲜重和干重的复相关系数分别达到了 0 97和 0 95。在影响羊草草原地上生物量的生态因素和植被特征因素中 ,按其对生物量形成的贡献大小 (以得分范围衡量 ) ,贡献最大的为测定生物量时前一个月的降雨量 ,其次为土壤全氮含量 ,再次为测定生物量时前一个月≥ 1 0℃的积温 ,小于这三个生态因子影响大小的因素依次为草群总盖度、草群平均高度和羊草种群生长状况。所建模型不但包含了生态因素对地上生物量的影响 ,而且也包含了植被特征因素对地上生物量的影响 ,为准确预测草地生物量提供了一条新途径     

内蒙古草地样带植物群落生物量的梯度研究

采用样带法对内蒙古草地植物群落生物量沿水热梯度的变化特征进行了研究,并对几种回归方法进行了比较。一元回归结果表明:在本样带的限定范围内,生物量与年均温、≥0 ℃年积温、≥10 ℃年积温、年实际日照总时数等热量因子呈负相关(年均温的相关性最高),而与年降水量、年均相对湿度等水分因子呈正相关(年均相对湿度的相关性最高),其中年均温和年均相对湿度对生物量的影响最为显著,二者对生物量的空间变异起着互为消长的作用,而海拔高度的影响则不显著。多元回归结果表明,作为半干旱区植物生长的主要限制因子,年降水量在大尺度上对生物量产生影响的途径更为复杂,但其作用不可低估。生物量和地下地上生物量比值会因不同的气候区、不同的植被类型和物种组成,对环境因子的响应程度不同,在经向、纬向和草地类型梯度上的变化特征也不同。水热的配比关系要比单一的水分和温度与植物的生长具有更紧密的关系,地下地上生物量比随着水热配比关系的变化也会呈现出不同的变化规律,其驱动因子并不一定始终都是降水。也许可以认为:半干旱/干旱的划分界限是本研究所涉及的草地样带上生物量和地下地上生物量比值沿草地类型梯度变化的一个转折界限,在此界限前后,气候对生物量的主导因素和生物量对此关键因子的响应程度都有所变化。     

氮素和植物生长促进剂对羊草生长及竞争力的影响

选取羊草、斜茎黄芪、克氏针茅3种内蒙古典型草原常见植物,通过不同植物物种组合(单独种植或者羊草与其他两种混合种植)、施加不同剂量的氮素(0、0.1、0.2、0.4、0.8mg·g^-1)和植物生长促进剂——油菜素内酯(0.005 mg·g^-1)的温室盆栽试验,分析氮素和油菜素内酯对羊草生长及其与其他植物竞争力关系的影响.结果表明:添加氮素对羊草、斜茎黄芪的生物量影响显著,对克氏针茅的生物量影响较弱,并且氮素的影响因其伴生植物的不同而改变.氮素添加显著增加了羊草在单独种植和与斜茎黄芪混合种植时的地上生物量,但显著降低了与克氏针茅混合种植时的地下生物量.由于土壤可利用氮增加,羊草的地上与地下分配发生变化,表现为单独种植、与克氏针茅混合种植时,根冠比下降;与斜茎黄芪混合种植时,氮素添加对羊草根冠比的影响则不显著.油菜素内酯对植物生长的显著影响不普遍,仅显著降低了斜茎黄芪单独种植时的地下生物量;在羊草与斜茎黄芪混合种植时,显著增加了羊草地上生物量.油菜素内酯和氮适量联用可有效增加特定物种组合的生物量,从而在退化草地恢复中具有一定的应用前景.     

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。     

Dynamics of root-shoot ratio and environmental effective factors of recovering Leymus chinensis steppe vegetation in Inner Mongolia, China

A field study was conducted to examine the relationships between the root-shoot ratio dynamics and the precipitation and temperature of the typical Leymus chinensis steppe recovering from grazing in Inner Mongolia, China. A former piece of pasture land that had been fenced off for 2 years was selected for the study, and aboveground and belowground biomass was collected from the study site along with local precipitation and temperature observations during the study period and was used in the analysis. The results indicated that 1) the seasonal change in both aboveground and belowground biomass in Leymus chinensis steppe demonstrated a pattern with a single peak occurring in August. 2) The root-shoot ratio showed a seasonal variation, with relatively high values at the beginning and the end of the growing season. The minimum ratio occurred in late August when the aboveground bio-mass reached its maximum. 3) The monthly root-shoot ratio was significantly correlated (p < 0.05) with the monthly precipitation two months ago, and with the mean temperature in the previous month. A regression model was built with the root-shoot ratio as the dependent variable, and precipitation and temperature as the independent variables. This regression could be used to model the monthly root-shoot ratio dynamics of Leymus chinensis steppe during the growing season.     

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。     

内蒙古典型草原地上净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台1994～2009年牧草生长季逐月实测资料,对CENTURY模型进行检验,模拟内蒙古典型草原1953～2010年间地上净初级生产力(ANPP)动态,并与26个气象因子进行相关性分析。模型检验结果显示,模拟值与观测值之间的相关系数为R2=0.66,斜率b=0.95,误差平方根值为50.51g.m-2,平均绝对百分比误差为44.19%。结果表明:(1)CENTURY模型能比较准确地模拟这类草原的季节动态和年际变化;在过去的58年中,内蒙古典型草原温度增加,降水减少,ANPP下降;ANPP变化趋势与降水量相似。(2)用实际气象观测资料模拟获得的ANPP随气温和降水的变化呈现出明显的变化规律,生长季内地上生物量对降水和温度的季节性分布也非常敏感;相关分析进一步表明,ANPP对生长季内降水量和极端高温非常敏感,而与年极端最低气温、平均地面温度、日照时数、平均风速和最大积雪深度无显著相关关系;过去58年研究区ANPP下降是降水减少、温度升高以及干旱事件频发共同作用的结果。(3)根据预测,在SRES B2情景下,未来50～100年内蒙古典型草原生长季平均最高气温和最低气温都将呈升高趋势,2080s分别升高4.01℃、4.35℃,每10年增加速率分别为0.35℃和0.38℃;降水量略呈增加,2020s、2050s和2080s研究区生长季将分别增加3.17%、5.13%和7.03%,每10年增加速率为0.09mm;ANPP呈下降趋势年际间波动较大,2020s、2050s和2080s研究区将分别下降5.76%、7.52%和11.42%,每10年下降速率为0.76g.m-2。     

羊草种群地上部生物量形成规律的探讨

本文从种群生态的水平研究了中国东北草原的主要优势植物——羊草种群地上部生物量的若干形成规律。羊草种群每年从4月初返青,其地上部生物量的相对增长速率在抽穗前(5月中旬一下旬)最快,达0.1142克／克／天,绝对增长速率在盛花期(6月中旬一下旬)最快,达7.46克／米2／天。前者决定于羊草的自身发育节律,后者受生长季内的气温和降水的约制。羊草种群总生物量的变化曲线呈单峰形式,峰值出现在8月中旬,达305克／米2。继后,生物量逐渐下降至10月中旬地上部全部枯死。据观测,影响羊草种群地上部总生物量的限制因素是：生长季前期(4一7月)的降水量。羊草种群地上部总生物量峰值的高低,依赖同化器官生物量的增长,总生物量与同化器官生物量的增长呈强正相关(r=0.9472**)。     

Observation and modeling of plant biomass of meadow steppe in Tumugi, Xingan League, Inner Mongolia, China

We examined the long-term dynamics of plant biomass of Filifolium sibiricum steppe, Stipa baicalensis steppe and Leymus chinense (syn. Aneurolepidium chinense) steppe relative to interannual variation of precipitation and temperature during 1981–1990 in the Tumugi, Xingan League, eastern Inner Mongolia of China. On the average, annual precipitation was 41.1 cm. Peak live aboveground biomass (PLAB) was 152 g m^-2 for F. sibiricum steppe and S. baicalensis steppe and 162 g m^-2 for L. chinense steppe. Peak live belowground biomass (PLBB) varied between 968 g m^-2 for F. sibiricum steppe and 1022 g m^-2 for L. chinense steppe. The coefficient of variation (CV) in annual precipitation (25%) was lower than the CV in PLAB (35% to 37%) but larger than the CV in PLBB (10%) of the three meadow steppe sites. Rain use efficiency was 3.6 gDM m^-2 cm^-1 yr^-1 for F. sibiricum steppe and S. baicalensis steppe, and 3.9 gDM m^-2 cm^-1 yr^-1 for L. chinense steppe, respectively.Using the CENTURY ecosystem model, simulation results agreed reasonably well with the observed soil organic matter, seasonal dynamics and interannual variation of plant biomass of these three steppe sites during 1981–1990. The CENTURY model is slightly more successful than the empirical regression models that use annual precipitation to estimate PLAB of these meadow steppe over time. Both seasonal distribution and interannal variation in precipitation and temperature are the important controls of temporal dynamics of plant biomass, rain use efficiency, carbon flux and storage of these meadow steppe ecosystems over time.     

松嫩平原西部草甸草原5种典型植物群落土壤呼吸的时空动态

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组分, 由于受到生物因子与非生物因子的共同作用, 土壤碳排放量在时间和空间尺度上都具有一定的变异性。为弄清松嫩平原西部草甸草原植物群落土壤呼吸作用的时空动态变化及其影响因子, 以典型植被碱蓬(Suaeda glauca)、虎尾草(Chloris virgata)、碱茅(Puccinellia distans)、芦苇(Phragmites australis)、羊草(Leymus chinensis)群落为研究对象, 采用LI-6400土壤呼吸测定系统对该生态系统2011-2012年植物生长季内土壤呼吸作用进行了监测。结果表明: 土壤温度可以解释土壤呼吸作用变异的53%-82%, 是影响该生态系统土壤碳排放时间变异的主要因素。土壤水分并未对土壤呼吸作用时间变异产生明显的影响。不同植物群落的土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)有所差异, Q₁₀为2.0-6.7。生长季内, 5种植物群落的土壤累积碳排放量的平均值为316.6 g C·m^-2。生长季内土壤碳累积排放量与植被地上生物量、土壤有机碳含量、平均土壤温度显著正相关, 与平均土壤含水量、pH值、土壤电导率及交换性钠百分比呈负相关关系。土壤的微气候、植被的地上生物量及土壤性质的差异是土壤碳排放空间变异的主要影响因素。     

Response and correlation of above- and below-ground functional traits of Leymus chinensis to nitrogen and phosphorus additions

AimsLeymus chinensis is a constructive and dominant species in typical steppe of northern China. The structure and functions of L. chinensis grassland ecosystem has been degenerated seriously due to long-term overgrazing in recent decades. As an effective measure to restore the degraded grasslands, the effects of nutrient addition on plant growth and ecosystem structure and functioning have been paid more attention in manipulation experimental research. The effects of nutrient addition, especially P addition on the above- and below-ground functional traits of L. chinensis have rarely been studied; particularly the underpinning mechanisms remain unclear. Our objective is to examine the responses and adaptive mechanisms of L. chinensis to different levels of N and P additions. MethodsWe conducted a culture experiment in the greenhouse, with three levels of N (50, 100 and 250 mg N·kg^-1) and P (5, 10 and 25 mg P·kg^-1) addition treatments. The above- and below-ground biomass, leaf traits (e.g., specific leaf area, leaf N and P contents) and root traits (e.g., specific root length, root N and P contents) of L. chinensis were determined in this study.Important findings Our results showed that: 1) the aboveground biomass and total biomass of L. chinensis were mostly affected by N addition, while the belowground biomass was mainly affected by P addition. N addition greatly enhanced the aboveground biomass of L. chinensis, while P addition reduced the belowground biomass at the moderate and high N levels. The root-shoot ratio of L. chinensis was influenced by both N and P additions, and root-shoot ratio decreased with increasing N and P levels. N and P additions promoted more biomass and N and P allocations to aboveground and leaf biomass. 2) Leymus chinensis showed different responses and adaptive mechanisms to P addition at low and high N levels. At low N level, L. chinensis exhibited high photosynthetic rate and specific root length (SRL) to improve photosynthetic capacity and root N acquisition, which promoted aboveground biomass. High root P content was favorable for belowground biomass. At high N level, P addition did not significantly affect plant growth of L. chinensis, even reduced its belowground biomass. Leymus chinensis showed high specific leaf area (SLA) and SRL to improve light interception and N acquisition in order to maintain stable aboveground biomass. 3) P addition greatly impacted below-ground than above-ground functional traits. SLA exhibited a weakly positive correlation with SRL, indicating L. chinensis exhibited relatively independence of resource acquirement and utilization between leaf and root functional traits.