青藏高原多年冻土区高寒植被物种多样性和地上生物量

基于样方调查统计了青藏高原多年冻土区高寒草地生态系统植物的科属组成,计算了多样性指数和均匀度指数,探讨了多年冻土退化对高寒草地物种多样性的影响。结果表明:多年冻土退化过程中物种组成在属和物种丰富度上呈现降低趋势,湿、中生植物逐渐被旱中生和旱生植物替代;青藏高原多年冻土退化会导致高寒草地生态系统的物种多样性和初级生产力的降低,影响高寒草地生态系统的稳定性;物种多样性与初级生产力具有密切的抛物线型关系。     

青藏高原多年冻土区不同草地生态系统恢复能力评价

草地生态系统恢复能力是评价人类工程活动对青藏高原多年冻土生态系统影响的重要组分.分析了不同草地生态系统干扰带和非干扰带群落特征、植物多样性、草地初级生产力和经济类群,综合评价了青藏高原多年冻土区地上植被在受工程活动干扰后的综合恢复能力.结果表明:经过近20多年的自然恢复,青藏苔草草原、紫花针茅草原、扇穗茅草原、高山嵩草草甸、矮蒿草草甸和藏蒿草沼泽化草甸6种草地的盖度和物种组成均有一定程度的恢复,且草原群落的恢复程度好于草甸群落,但干扰群落仍低于未干扰群落;紫花针茅草原分布区物种多样性恢复好于其他草地类型分布区;干扰带由最初的地上植物生物量全部为0恢复到148.8～489.6 g·m^-2,其中藏嵩草沼泽化草甸干扰带恢复最好,生物量达489.6 g·m^-2;除藏嵩草恢复群落的饲用植物类群组成相对稳定外,干扰后的其他5种草地类型饲用价值降低.高寒草原生态系统的植被综合恢复能力显著高于草甸生态系统.     

青藏高原区退化高寒草甸植被和土壤特征

高寒草甸约占青藏高原草地的46.7%,是我国草地生态系统重要的组成部分。近年来,在气候变化和人为活动的影响下,高寒草甸生态系统退化严重,植被和土壤均呈现出不同的退化趋势。在大空间尺度上表现为草地覆盖度下降,杂草类植被增加,土壤退化甚至沙化;在微观尺度上,退化高寒草甸的土壤粒径、土壤微生物和土壤酶也发生改变。本研究从高寒草甸物种多样性、植物群落结构、植被生物量、土壤物理性质、土壤微生物、土壤酶和土壤养分等方面,分析了高寒草甸生态系统退化过程中植被和土壤的变化特征,提出当前研究中存在的一些不确定性和有待深入研究的问题,为全面了解高寒草甸的退化机制和规律、有效干预高寒草甸生态系统和恢复生态功能提供科学依据。     

黄河首曲湿地退化过程中植物群落组分及物种多样性的变化

黄河首曲湿地是黄河下游生态安全的重要屏障.通过实地调查,采用空间序列代替时间序列的方法,研究了黄河首曲湿地自然退化过程中植物多样性的变化,并用对比分析的方法研究了人工排水对植物多样性的影响.结果表明:在黄河首曲湿地自然退化过程中,经沼泽、沼泽化草甸、高寒草甸到草原化草甸,优势种向中生和旱生种演替,丰富度指数和多样性指数逐渐增大,即草原化草甸>高寒草甸>沼泽化草甸>沼泽,而优势度指数却逐渐减小,均匀度指数先降低后增加,植物物种多样性总体上表现为增加的态势.人为排水后,毒杂草在群落中的比例增加,导致丰富度指数和多样性指数增加,均匀度指数和优势度指数略有降低,群落相似性系数逐渐降低,主要是由于人工排水后,生境相对中生化,部分植物在群落内的零星分布导致多样性指数和丰富度指数增加,而均匀度指数下降.人工排水虽然增加了群落内的植物多样性,但增加的植物多为毒杂草,从而使湿地向杂草型退化方向演替.     

黄河首曲湿地退化过程中植物群落组分及物种多样性的变化

黄河首曲湿地是黄河下游生态安全的重要屏障.通过实地调查,采用空间序列代替时间序列的方法,研究了黄河首曲湿地自然退化过程中植物多样性的变化,并用对比分析的方法研究了人工排水对植物多样性的影响.结果表明:在黄河首曲湿地自然退化过程中,经沼泽、沼泽化草甸、高寒草甸到草原化草甸,优势种向中生和旱生种演替,丰富度指数和多样性指数逐渐增大,即草原化草甸>高寒草甸>沼泽化草甸>沼泽,而优势度指数却逐渐减小,均匀度指数先降低后增加,植物物种多样性总体上表现为增加的态势.人为排水后,毒杂草在群落中的比例增加,导致丰富度指数和多样性指数增加,均匀度指数和优势度指数略有降低,群落相似性系数逐渐降低,主要是由于人工排水后,生境相对中生化,部分植物在群落内的零星分布导致多样性指数和丰富度指数增加,而均匀度指数下降.人工排水虽然增加了群落内的植物多样性,但增加的植物多为毒杂草,从而使湿地向杂草型退化方向演替.     

基于机器学习估算青藏高原多年冻土区草地净初级生产力

净初级生产力(NPP)的估算还存在很大的不确定性。本文利用机器学习算法(RF和RBF-ANN)估算了2002—2018年青藏高原多年冻土区草地NPP,分析了青藏高原多年冻土区草地NPP的时空格局、变化特征及其对气候因子的响应。结果表明:(1)机器学习估算结果可靠,简单易行。(2)青藏高原多年冻土区草地NPP表现为东南向西北逐渐递减的趋势;NPP总量为175.39 Tg C·a~(-1),单位面积均值为164.10 g C·m~(-2)·a~(-1),呈波动上升的趋势。(3)青藏高原多年冻土区草地NPP增加的面积占20.49%;各草地类型的NPP增长幅度不一致表现为高寒沼泽草甸高寒草甸高寒草原高寒荒漠草原。(4)温度是青藏高原多年冻土区草地NPP变化的主导因子,降水的影响沿东南向西北逐渐减弱。     

青藏高原典型草地植被退化与土壤退化研究

采用野外样方调查和室内分析法,探讨了青藏高原不同退化程度高寒草原和高寒草甸植被群落结构、植物多样性、地上-地下生物量、根系分配及土壤理化特性差异。研究表明:(1)随着退化程度加剧,高寒草原禾草优势地位未改变,高寒草甸优势种莎草逐渐被杂类草取代。(2)随着退化程度加剧,高寒草原地上生物量显著降低(P0.05),高寒草甸地上生物量先保持稳定再下降。高寒草甸地下生物量较高寒草原地下生物量对退化响应更敏感。(3)高寒草原退化过程中,莎草地上物生量变化不明显(P0.05),禾草地上生物量贡献率由88.12%减少至53.54%,杂类草地上生物量贡献率由0.08%增加至42.81%;高寒草甸退化过程中,禾草和杂类草地上生物量先增加后减小,莎草地上生物量占比由69.15%减少至0.04%,杂类草地上生物量占比由12.56%增加至92.61%。(4)随着退化程度加剧,高寒草原根系向浅层迁移,高寒草甸根系向深层迁移。(5)退化对高寒草甸土壤含水量(θ)、土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)及土壤容重(BD)影响均比高寒草原更强烈。本研究对青藏高原退化草地恢复治理具有重要的参考价值。     

青藏高原高寒草地AM真菌分布及其对近自然恢复的生态作用

超载过牧以及全球气候变化等导致大部分青藏高原高寒草地呈现持续退化态势。青藏高原高寒草地退化致使地上植物群落逐渐发生更替,地下土壤微生物群落多样性和丰富度发生改变。本文旨在探析青藏高原高寒草地丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal,AM）真菌的分布特征、对近自然恢复的生理生态效应及其作用机制。青藏高原高寒草地中已报道4目14属61种AM真菌,约占已知AM真菌物种的20%。高寒草地禾本科植物根围AM真菌物种丰度最高,而莎草科植物根围AM真菌孢子密度最高。3种高寒草地植被类型中,高寒草原AM真菌丰度最高（33种）,山地灌丛草原次之（32种）,高寒草甸最低（22种）。高寒草原以光壁无梗囊霉Acaulospora laevis和闪亮和平囊霉Pacispora scintillans为优势种,山地灌丛草原以摩西斗管囊霉Funneliformis mosseae为优势种,高寒草甸以光壁无梗囊霉A. laevis、近明球囊霉Claroideoglomus claroideum和闪亮和平囊霉P. scintillans为优势种。高寒草地土著AM真菌与植物构建的菌根网络可以通过调节营养元素吸收、分配,促进植物建植和生长;但是毒杂草入侵可以改变土著AM真菌物种多样性和菌根网络,限制本地植被的实际生态位扩张。退化高寒草地中,AM真菌群落具有高的环境适应性和恢复力,其不仅调控地上植物群落建植和多样性,同时AM真菌建植也增加了代谢产物-球囊霉素相关土壤蛋白产生,进而协同改善地下土壤微生态系统,为退化高寒草地早期植被恢复塑造土壤生境。因此,AM真菌在退化高寒草地近自然恢复中具有较大的应用潜力。     

宁夏典型温性天然草地固碳特征

本文研究了宁夏草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种温性典型天然草地生态系统碳储量及其构成特征。结果表明: 草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量分别为1178.91、481.22、292.80和209.09 g·m^-2。其中,地下根系生物量是构成草甸草原和温性草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的73.1%和56.6%;地上植被生物量是构成草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的50.3%和47.6%;枯落物生物量占比较低,分别仅为8.5%、8.0%、6.4%和16.2%。草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种天然草地生态系统碳储量分别为13.90、5.94、2.69和2.37 kg·m^-2,其中植被碳储量分别为470.26、192.23、117.17、83.36 g·m^-2,0～40 cm土层土壤有机碳储量分别为13.43、5.75、2.58和2.29 kg·m^-2,土壤有机碳储量是构成宁夏典型天然草地碳储量的主体,分别占到了生态系统碳储量的96.6%、96.8%、95.6%和96.5%。4种草地类型植被总生物量、植被碳储量、土壤有机碳储量和生态系统碳储量均表现为:草甸草原＞温性草原＞草原化荒漠＞荒漠草原。     

大兴安岭森林草原过渡带典型植物群落动态变化特征

大兴安岭森林草原过渡带是大兴安岭森林与呼伦贝尔草原接壤的关键区域。由于过渡带本身的脆弱性,气候变化和过度放牧等人为因素的干扰导致区域内植物群落结构和功能发生剧烈变化。然而,气候变化和放牧双重作用对森林草原过渡带草地植物群落动态影响的研究还鲜有报道。以内蒙古陈巴尔虎旗森林草原过渡带为研究对象,分别于2008、2009、2010和2019年沿着草甸草原-森林草原过渡区域-林间草地-森林的梯度进行野外调查,对比分析11年间受气候变化和过度放牧的双重干扰下,该区域植物物种丰富度、Raunkiear生活型功能群、牧草饲用价值以及群落生物量随时间的变化动态。结果表明：从总体上看,与2008-2010年均值相比,2019年植物物种数量明显下降,其中禾本科牧草减少10余种;植物Raunkiear生活型功能群组成发生显著变化,其中一、二年生植物物种数增加4%,地面芽植物降低8%;牧草饲用价值中优等牧草所占比例下降5%,劣等牧草比例增加7%;总地上生物量显著下降35%。在过渡带各区段中,草甸草原群落结构和功能受气候和过度放牧影响更加明显。与2008-2010年均值相比,2019年草甸草原群落物种丰富度降低12%,优等牧草比例降低4%,劣等牧草比例增加7%,植物地上生物量更是显著降低62%。对区域气候和放牧因素分析可得,年降水量和年均温与过渡带地上生物量均显著相关,其中降水是导致过渡带整体上生产力下降的主要因素;而过度放牧是导致草甸草原群落生产力下降的主要因素。     

大兴安岭北坡多年冻土区植物生态特征及其对冻土退化的响应

多年冻土和植被是寒区生态系统的重要组成部分。随着全球气候变暖,多年冻土逐渐退化,导致土壤水分以及有机质含量降低,进而对地上植被产生影响。对大兴安岭北坡多年冻土区植物生态特征及其对冻土退化的响应进行了研究。结果表明,调查的30个多年冻土区共有85种植物,隶属于29个科,55个属。其中,蕨类植物1种,占种组成的1.2%;裸子植物1种,占种组成的1.2%;被子植物83种,占种组成的97.6%。在4种生活型中,以地面芽植物的种类最多,为51种,占植物种数的60%;地下芽和高位芽植物次之,分别为12和19种,分别占14.1%和22.4%;地上芽植物较少,为3种,占3.5%。在4种水分生态类型中,以中生植物种类最多,为50种,占植物种数的58.8%;湿生植物次之,为26种,占30.6%;沼生植物为7种,占8.2%;旱生植物最少,为2种,占2.4%。冻土活动层厚度50—150cm范围内,植物的科、属、种数最多,其次是大于150cm范围的冻土区,活动层厚度较小(50cm)时,植物科、属、种数最少。随着活动层厚度的增加,即多年冻土退化,地面芽植物的物种数显著增加(P0.05),高位芽植物的物种数显著减少(P0.05),地上芽和地下芽植物的物种数随活动层厚度的变化不显著。随着活动层厚度的增加,沼生植物的物种数显著降低(P0.05),中生植物的物种数显著增加(P0.05),湿生和旱生植物的物种数随活动层厚度的变化不显著,群落植物组成从湿生逐渐向中生转变。     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力（NPP）进行模拟.结果表明： 1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO₂浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m^-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征.植被NPP与CO₂浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

Rapid carbon loss and slow recovery following permafrost thaw in boreal peatlands

Permafrost peatlands store one‐third of the total carbon (C) in the atmosphere and are increasingly vulnerable to thaw as high‐latitude temperatures warm. Large uncertainties remain about C dynamics following permafrost thaw in boreal peatlands. We used a chronosequence approach to measure C stocks in forested permafrost plateaus (forest) and thawed permafrost bogs, ranging in thaw age from young (<10 years) to old (>100 years) from two interior Alaska chronosequences. Permafrost originally aggraded simultaneously with peat accumulation (syngenetic permafrost) at both sites. We found that upon thaw, C loss of the forest peat C is equivalent to ~30% of the initial forest C stock and is directly proportional to the prethaw C stocks. Our model results indicate that permafrost thaw turned these peatlands into net C sources to the atmosphere for a decade following thaw, after which post‐thaw bog peat accumulation returned sites to net C sinks. It can take multiple centuries to millennia for a site to recover its prethaw C stocks; the amount of time needed for them to regain their prethaw C stocks is governed by the amount of C that accumulated prior to thaw. Consequently, these findings show that older peatlands will take longer to recover prethaw C stocks, whereas younger peatlands will exceed prethaw stocks in a matter of centuries. We conclude that the loss of sporadic and discontinuous permafrost by 2100 could result in a loss of up to 24 Pg of deep C from permafrost peatlands.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力(NPP)进行模拟.结果表明:1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO2浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征,植被NPP与CO2浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

The structure of micromycete complexes in permafrost and cryopegs of the arctic

A comparative study of the structure of micromycete complexes has been performed. The samples of micromycetes were taken by boring from unique habitats: cryopegs (lenses of non-freezing hypersaline water in ancient permafrost horizons) and permafrost Arctic sediments of different age enclosing these cryopegs. The possibility of characterizing the above habitats by the structure of specific complexes of microscopic fungi using qualitative and quantitative indices at extremely low numbers of these organisms was demonstrated.     

北极冻土区活跃层与永冻层土壤微生物组的空间分异

【目的】研究北极地区表层季节性融解冻土(活跃层)及埋藏于其下深层永久冻土(永冻层)的土壤呼吸速率、土壤微生物组差异和活性甲烷氧化微生物。【方法】在相距2700 km的挪威斯瓦尔巴群岛和俄罗斯西伯利亚典型冻土区,共获得4个活跃层及4个永冻层土壤。模拟北极夏季近原位温度(10°C)培养土壤样品,测定土壤呼吸强度;利用稳定性同位素~(13)CH_4示踪土壤甲烷氧化微生物核酸DNA;结合高通量测序16S rR NA基因,实时荧光定量qPCR及土壤理化性质分析,研究活跃层和永冻层土壤微生物群落差异及其对土壤呼吸的影响,揭示活性甲烷氧化微生物的群落组成。【结果】西伯利亚冻土区土壤呼吸速率明显高于挪威斯瓦尔巴岛地区,其平均速率相差高达17倍。冻土区活跃层呼吸速率高于永冻层,活跃层约为61–7293 nmol CO_2/(g dws·d),而永冻层约为47–523 nmol CO_2/(g dws·d)。相应的,在所有活跃层中均发现变形菌和酸杆菌门共计10个微生物科的丰度显著高于永冻层,其中Hyphomicrobiaceae、Solibacteraceae和Sinobacteraceae是优势科,在活跃层中的相对丰度约为4.3%–18.6%,是永冻层的2.6–23.7倍,这些微生物可能是活跃层土壤呼吸强度较高的主要原因。稳定性同位素~(13)CH_4示踪仅发现西伯利亚冻土活跃层能够氧化高浓度甲烷,其中的活性甲烷碳同化微生物为Methylobacterium和Crenothrix。【结论】北极冻土区土壤微生物组存在明显的空间分异规律,并能较好解释土壤呼吸强度变化特征,而活跃层和永冻层垂直深度及其可能引起的物理化学因子可能是冻土区微生物组演替的主要环境驱动力。未来全球变暖情景下,永冻层逐渐融解并形成活跃层,其中的功能微生物将可能经历定向演替,并在北极冻土碳转化中发挥重要作用。     

Microbial communities of ancient seeds derived from permanently frozen Pleistocene deposits

Microbial communities from the surface of ancient seeds of higher plants and embedding frozen material dated to the late Pleistocene (formed about 30 thousand years ago) were studied by various methods: scanning electron microscopy, epifluorescence microscopy, and inoculation of nutrient media, followed by identification of isolated cultures. Both prokaryotic and eukaryotic microorganisms were found on the surface of ancient seeds. The total quantity of bacterial cells determined by direct counting and dilution plating (CFU) for the samples of ancient seeds exceeded the value in the embedding frozen material by one to two orders of magnitude. This pattern was not maintained for mycelial fungi; their quantity in the embedding material was also rather high. A significant difference was revealed between the microbial communities of ancient seeds and embedding frozen material. These findings suggest that ancient plant seeds are a particular ecological niche for microorganisms existing in permafrost and require individual detailed study.     

冻土甲烷循环微生物群落及其对全球变化的响应

冻土是陆地生态系统中最容易受到全球气候变化影响的碳库,既发挥着碳源又起着碳汇的作用。人们非常关注贮存于冻土中有机碳的最终归宿,是因为全球气候变暖会加快冻土的解冻,释放更多的温室气体（二氧化碳和甲烷）到大气中,从而进一步加剧温室效应。据估计每年从北半球冻原陆地生态系统释放进入大气的甲烷约占全球自然界释放甲烷总量的25%。研究证实冻土生物源甲烷的产生和消耗分别由耐(嗜)低温的产甲烷菌(methanogens)和甲烷氧化菌(methanotrophs)介导。鉴于冻土甲烷循环对全球甲烷平衡的显著作用以及在冻土生物地球化学循环中的重要功能,对介导冻土甲烷循环的产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究将有助于更好地评估冻土生态系统对全球气候变化的响应和影响,本文就冻土甲烷循环过程、产甲烷菌、甲烷氧化菌的群落结构、活动、生态功能及其对气候和环境变化的响应机制的最新研究进行综述,以期为我国开展冻土甲烷循环机理研究提供支持。     

Survival of Micromycetes and Actinobacteria under Conditions of Long-Term Natural Cryopreservation

Almost all of the investigated samples of the Arctic and Antarctic permafrost sediments of different genesis with ages from 5–10 thousand to 2–3 million years were found to contain viable micromycete and bacterial cells. The maximum amounts of viable cells of fungi (up to 10⁴CFU/g air-dried sample) and bacteria (up to 10⁷–10⁹CFU/g air-dried sample) were present in fine peaty sediment samples taken from different depths. The identified micromycetes belonged to more than 20 genera of the divisions Basidiomycota, Ascomycota, and Zygomycota, and some represented mitosporic fungi. Thawing the samples at 35 and 52°C allowed the number of detected fungal genera to be increased by more than 30%. Aerobic heterotrophic prokaryotes were dominated by coryneform, nocardioform, and spore-forming microorganisms of the order Actinomycetales.Analysis of the isolated fungi and actinomycetes showed that most of them originated from the microbial communities of ancient terrestrial biocenoses.     

基于文献计量的冻土微生物研究态势分析

【背景】全球气候变暖导致的冻土融化加速了微生物对土壤有机碳的降解,产生的温室气体在一定程度上加剧了温室效应,对全球气候变化形成正反馈作用。【目的】本文针对国内外冻土微生物研究的热点和发展趋势进行分析比较,旨在归纳、总结并为今后该领域的研究和发展提供参考和依据。【方法】利用Web of Science核心合集数据库和CNKI数据库检索,运用BIBExcel软件生成高频关键词的共词矩阵,使用UCINET和NetDraw软件完成高频词的网络可视化图谱,并通过SPSS软件实现高频词的聚类分析。【结果】共检索到与冻土微生物相关的国内外文献839篇,其中国外文献713篇、中文文献126篇,国外的发文量和增长率显著高于国内。从高频关键词和共现网络视图上看,国外偏重气候变化、温室气体及微生物群落变化之间的作用关系研究,而国内更偏向于冻土微生物多样性的研究。聚类分析表明,国外研究主要以微生物对有机碳的降解作用及对冻土区乃至全球的影响为主,此外还涉及以冻土微生物为研究对象的火星生命的探究。国内研究主要以冻土微生物多样性、甲烷排放和微生物对污染的降解作用为重点。【结论】国内外对于冻土微生物的研究态势存在异同...