陆地生态系统野外增温控制实验的技术与方法

由于人类活动导致的碳排放急剧增加, 工业革命以来全球地表温度显著增加约1 ℃, 未来全球气候还将持续变暖, 到21世纪末最高可升温4 ℃。这种前所未有的气候变化不仅影响陆地植被的适应策略, 也深刻影响生态系统的结构和功能。其中陆地生态系统碳收支对全球变暖的反馈, 是决定未来气候变化强度的关键因素, 因此全球已经开展了大量的生态系统尺度的野外增温控制实验, 研究生态系统碳收支对气温升高的响应, 从而提高地球系统模型的预测精度。然而由于增温技术和方法的不同, 不同研究的结果之间难以进行比较。该文系统总结了常见的野外增温技术和方法, 包括主动增温和被动增温, 阐述了其优缺点、适用对象以及相关研究成果。同时简要介绍了野外增温控制实验的前沿研究方向——新一代野外增温技术(包括全土壤剖面增温和全生态系统增温)和基于新一代增温技术开展的野外增温联网实验。     

气候变暖背景下青藏高原草本植物物候变化空间换时间预测

气候变暖背景下的植物物候变化广受关注, 然而常用的植物物候变化预测模型未充分考虑植物对环境的适应性, 给预测结果带来了较大的不确定性。该文基于2002-2011年青藏高原10个站点的地面物候观测资料以及年平均气温数据, 对空间换时间模型预测车前(Plantago asiatica)和蒲公英(Taraxacum mongolicum)各主要物候事件(展叶始期、开花始期和黄枯普遍期)变化的可行性及其在升温背景下的变化规律进行了分析。首先利用不同海拔高度的气温和物候事件分别与地理因子(经度、纬度和海拔)建立多元线性回归模型, 然后在此基础上剔除经度和纬度的影响, 单独考察海拔变化所引起的气温与植物物候变化, 最后以海拔高度作为桥梁来考察物候变化与温度变化的关系。结果表明, 采用各站点对应的海拔高度来模拟年平均气温空间差异的R²均大于0.89, 表明海拔梯度可以用来反映时间尺度下的年际温度变化; 车前和蒲公英各物候事件发生日期拟合值均与海拔高度变化关系显著, R²均大于0.70, 表明海拔变化是影响它们各物候事件变化的主要地理因子; 在物候事件发生日期拟合值和年平均气温拟合值的回归方程中, R²均大于0.93, 说明基于不同海拔高度模拟得到的年平均气温变化可以对时间尺度上车前和蒲公英的物候事件变化进行预测。空间换时间预测表明, 温度每升高1 ℃, 车前展叶始期和开花始期分别提前5.1和5.4 d, 而黄枯普遍期推迟4.8 d; 蒲公英展叶始期和开花始期分别提前6.5和7.8 d, 而黄枯普遍期推迟6.7 d。     

佛山城市典型森林群落土壤重金属分布、流通及枯落物富集特征

富集重金属的枯落物分解可能提高重金属暴露率,增加人体接触健康风险。为了解南方城市土壤重金属在森林生态系统中的分布及流转情况,通过调查研究了佛山市8个典型森林群落土壤及枯落物重金属含量,分析了各森林群落枯落物对不同重金属的富集效应及重金属随枯落物回归土壤流通量。结果表明：1）城市森林各土壤重金属含量在不同典型群落间差异显著（P<0.05）,差异最大为Pb、Cr、Zn,As、Cu、Ni次之,Hg、Cd最小;土层深度（0-20,20-40,40-60 cm）对重金属含量影响显著（P<0.05）,差异最大为Cd、Hg,其次为As、Cu,最小为Zn、Ni、Pb、Cr。整体上,Cd、Hg、As、Pb、Zn在0-20 cm最高,表层富集特征明显,Cr和Ni在40-60 cm最高。2）8个森林群落中阴香-白楸-醉香含笑群落（CMMC）枯落物对8种重金属的综合富集系数（TBCF,66.76）最高,其中以Cd的富集效果最突出,富集系数为44.45,且对Pb、Cu、Zn也相对富集;最低的为黧蒴锥-香椿-樟树群落（CTCC）,综合富集系数（TBCF）为8.09,仅对Cd、Cr、Cu相对富集,对其余重金属富集效应不明显。3）相关分析显示,群落重金属枯落物流通量与0-60 cm土壤重金属平均含量（Cr和Ni除外）无显著相关性。本研究对城市森林建设管理及筛选重金属富集植物及群落具有较强理论及实践意义。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

基于生态系统服务供需的雄安新区生态网络构建与优化

城市生态网络构建是城市生态系统服务有效发挥作用的保障,构建完善的生态网络对于城市生态格局的优化具有重要的意义。结合雄安新区总体规划,通过雄安新区生态系统服务供给、需求两个层面识别生态源地。基于源地-缓冲区-廊道-节点框架,构建新区生态网络。其中,基于生态源地与城镇用地驱动因子,运用最小累积阻力方法得到累积阻力差,构建新区三生空间布局。根据成本距离分析和路径分析,结合雄安新区规划绿带分布,生成生态廊道,并在廊道与廊道交汇点、重要生态功能与脆弱的关键点以及道路轨道交汇点识别生态节点。得出：（1）新区生态源地主要位于白洋淀、公园绿地与其他绿地,分为水域生态源和林地生态源两类生态源地,面积总共728 km²。城镇源地主要位于新区东部容城县与雄县城区以及一些零星的农村居民点区域,面积为166 km²。（2）在新区三生空间布局下,加强生态廊道的构建,提升生态源地之间、生态源地与城镇源地之间的连通性,新区生态廊道主要依赖河流廊道和林地廊道两种类型。（3）在新区未来生态网络的建设中,需要重点关注河流廊道交汇点、河流廊道与城区的交汇处、交通道路与生态用地交汇处等的生态节点的建设及其生态功能的提升。     

围封对天山高寒草原4种植物叶片和土壤化学计量学特征的影响

以中国科学院巴音布鲁克草原生态系统研究站长期围栏内外的羊茅(Festuca ovina)、天山赖草(Leymus tiansecalinus)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)和鹅绒委陵菜(Potentilla anserine)4种植物叶片和土壤为研究对象,分析了放牧与围封对植物叶片和土壤C、N、P的化学计量特征的影响。结果表明,围封样地土壤养分浓度整体高于放牧样地(P0.05),全氮(TN)浓度除外。围封显著增加羊茅叶片C、N浓度(P0.05),对P浓度影响不显著;围封显著增加鹅绒委陵菜叶片的C浓度,但是显著降低叶片的N和P浓度(P0.05),围封对天山赖草和二裂委陵菜养分含量影响不显著。围封显著增加鹅绒委陵菜C∶N和C∶P(P0.05);围封显著降低羊茅C∶N、C∶P和增加N∶P(P0.05);围封显著降低二裂委陵菜C∶N(P0.05),对天山赖草的化学计量特征影响不显著。不同植物对围封的响应不同,意味着长期围封可能会改变天山高寒草原生态系统的结构。围封降低优势种(羊茅)的固碳能力,增加退化期出现的代表性植物(鹅绒委陵菜)的固碳能力,表明在长期围封下植物凋落物中的杂类草(鹅绒委陵菜)可能更多的为土壤提供碳来源,也能促进优势禾本科物种的氮含量和碳含量的增加。     

调蓄河湖群菹草(Potamogeton crispus L.)功能性状特征及其与环境因子的关系

调水工程引起的多环境因子关联变化对沉水植物群落的影响机制有待深入探讨。以南水北调东线工程调蓄河湖群中菹草种群为研究对象,分析了京杭运河(YH)、高邮湖(GY)、洪泽湖(HZ)、骆马湖(LM)、南四湖上级湖(NS1)、南四湖下级湖(NS2)和东平湖(DP)7个调蓄河湖中菹草个体功能性状特征及其与环境因子间的关系。结果表明:(1)除高锰酸盐指数(COD_(Mn))、浊度(Tur)和底泥有机质含量(S_o)外,总氮(TN)、硝氮(NO_3-N)、氨氮(NH_4-N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO_4-P)、硅酸盐(SiO_4-Si)、叶绿素a(Chla)、总溶解性固体(TDS)、透明度(SD)、消光系数(K)、水温(T)、电导率(Cond)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)和底泥含水率(S_w)在河湖间差异达到了极显著水平;(2)菹草株高、茎分支数、茎节数、茎节长、茎直径、相对茎长、叶片数、叶厚、叶长、叶宽、叶面积、比叶面积、株重、茎重、叶重、茎叶比、茎干物质比、叶干物质比在河湖间差异极显著;(3)河湖群内菹草种群18个功能性状中,按变异系数从小到大依次为:叶宽、茎直径、叶长、茎干物质比、叶干物质比、叶面积、株高、茎节长、相对茎长、茎叶比、叶厚、茎节数、茎重、叶片数、株重、比叶面积、叶重、茎分支数;7个调蓄河湖间,按照所有性状变异系数平均值从大到小排序依次为:南四湖下级湖、洪泽湖和京杭运河、高邮湖、东平湖、南四湖上级湖、骆马湖;(4)环境因子共解释了功能性状方差变异的49.43%;叶性状主要受营养因子(TN、NO_3-N、SiO_4-Si)影响;茎性状与光照因子(Chla和SD)密切相关;底泥因子(S_o)对茎叶生物量分配起主要作用。     

青藏高原高寒湿地GPP变化特征及对生长季积温的响应

基于涡度相关系统,利用2004-2016年的涡度相关系统观测资料,做了青藏高原高寒湿地生长季总初级生产力（GPP）在不同时间尺度上对生长季有效积温（GDD）响应的研究。结果表明：高寒湿地生态系统在生长季的日GPP、GDD与月际GPP、GDD都表现为先增大后减小的单峰变化趋势,都在7月或8月达到峰值,在5月达到最小值。在整个生长季尺度上,GPP与GDD变异性较大,没有明显的变化趋势。2004-2016年整个生长季GPP与GDD的均值分别为（458.82±25.78）gC m^-2季^-1和（1060.89±84.07）℃。在日尺度、月尺度、生长季尺度上,GPP与GDD都呈极显著正相关关系（P < 0.01）。但是,通过比较生长季分别每个月GPP与GDD的关系发现,5、9月的GPP与GDD没有显著相关性（P > 0.05）,而在7月相关性最为显著（P < 0.01）。整体上看,高寒湿地生态系统植被的总初级生产力与热量条件表现为正相关关系,由此说明在全球气候变暖的背景下,将会提高青藏高原高寒湿地生态系统植被的光合生产能力。     

茂兰喀斯特区68种典型植物叶片化学计量特征

研究茂兰喀斯特区不同功能(类)群植物叶片的养分含量及化学计量特征,揭示其在时间和空间尺度上的变化规律,阐明碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)等养分含量与C∶N∶P间的相互关系,探讨N∶P对该区域植物生长的指示作用,以期能够更深入的了解其养分利用状况及适生性,为喀斯特森林的稳定性及维持机制提供理论依据。以茂兰喀斯特区68种典型植物为研究对象,分别测定不同生长阶段植物叶片的C、N、P和K含量,并计算其化学计量比。结果表明:研究区68种植物分属40科62属;其叶片C、N、P和K含量的几何平均值分别为445.87 g/kg、17.32 g/kg、1.35 g/kg和9.86 g/kg,C∶N的算术平均值为26.93,C∶P、C∶K、N∶P、N∶K和P∶K的几何平均值分别为330.93、45.22、12.85、1.76和0.137;C与N呈极显著负相关,N与P、K以及P与K均呈极显著正相关,N与C∶P和C∶K、P与C∶N、C∶K和N∶K以及K与C∶N、C∶P和N∶P均呈极显著负相关,且它们之间均具有二次函数、指数函数或幂函数的非线性耦合关系;从变异程度来看,C含量为弱变异,N、P、K含量及各元素的化学计量比则均属中等变异或强变异。从植物不同生活型来比较,各生长阶段的C含量均表现为灌木乔木草本,N、P和K含量均为草本灌木乔木,各元素的化学计量比则均为乔木灌木草本。从植物不同系统发育来分析,各生长阶段蕨类植物的N、P、K含量均要高于种子植物,而各元素的化学计量比则正好相反。从不同生长阶段来看,各功能(类)群植物生长期(或生长盛期)的养分含量均要高于落叶期(或生长末期);乔木、灌木和草本等不同生活型植物落叶期的C∶P、C∶K、N∶P和N∶K均要高于生长期;蕨类植物各元素的化学计量比不同生长阶段间差异都不显著;而种子植物的C∶P、C∶K、N∶P和N∶K则均表现为落叶期生长期。对比我国其他地区及全国和全球尺度上的研究结果,该区域植物的生长发育易受N和P素的双重限制,但又因功能(类)群及生长阶段的不同其受限的养分元素也存在一定差异,体现了对高度异质的喀斯特生境不同的适应策略;而植物体内较高的K含量则可能是提高其自身抗性、适应恶劣环境的重要因素。减少人为干扰、加之适当的保护,在植物生长期配以适量的N素添加,有利于其更好的生长发育,有助于提高喀斯特森林生态系统的稳定性和抗干扰性。研究结果揭示了喀斯特森林植物的适生机制,对喀斯特森林的保护具有重要的指导意义。     

基于GIS的滨海盐渍化农田土壤空间变异及其分区管理

针对滨海盐渍化农田盐碱瘠薄、土壤属性空间变异大、粗放管理效益低的现实,研究管理分区精准划分方法,采取差异化措施,提升盐渍化土地利用水平。该文以无棣县农田为研究区,采用网格法结合土地利用现状定点野外采样、室内化验分析获取土壤属性数据,运用ArcGIS 10.2地统计方法分析土壤属性的空间变异特征;在MATLAB R2016a中采用模糊c-均值聚类法（FCM）计算各样点的模糊隶属度,通过插值预测模糊隶属度的空间分布,基于最大隶属度原则进行分区;通过变异性分析和最小极差法（LSR）差异显著性检验,对分区结果进行精度验证。结果表明：无棣县农田土壤总体呈轻中度盐渍化,有效氮含量偏低,有机质、有效磷含量中等,速效钾含量较高;有机质、有效氮、有效磷、速效钾和含盐量呈中等变异性（变异系数25.0%-52.3%）,空间变异性较大,应分区调控;速效钾、含盐量和pH的块金效应值小于25%,主要受土壤质地、地下水矿化度等结构因素影响,有机质、有效氮和有效磷的块金效应值在50%-75%之间,受耕作方式、施肥等人为因素影响较大。将全县农田划分为3类管理区,估算面积分别为2.56万hm²、1.76万hm²、3.24万hm²;各分区土壤养分变异系数分别为23.9%-51.5%、15.9%-50.3%、14.7%-33.0%,检验结果表明各分区间差异显著,而各分区内部变异性明显低于未分区。管理分区与土壤属性空间分布特征具有较高的拟合度,分区结果可以作为差异化管理的作业单元。研究结果为各分区内部统一、不同分区间差异化管理提供了依据,研究有助于推进滨海盐渍化农田精准化管理水平的提高。