High N,dry: Experimental nitrogen deposition exacerbates native shrub loss and nonnative plant invasion during extreme drought

Hotter, longer, and more frequent global change‐type drought events may profoundly impact terrestrial ecosystems by triggering widespread vegetation mortality. However, severe drought is only one component of global change, and ecological effects of drought may be compounded by other drivers, such as anthropogenic nitrogen (N) deposition and nonnative plant invasion. Elevated N deposition, for example, may reduce drought tolerance through increased plant productivity, thereby contributing to drought‐induced mortality. High N availability also often favors invasive, nonnative plant species, and the loss of woody vegetation due to drought may create a window of opportunity for these invaders. We investigated the effects of multiple levels of simulated N deposition on a Mediterranean‐type shrubland plant community in southern California from 2011 to 2016, a period coinciding with an extreme, multiyear drought in the region. We hypothesized that N addition would increase native shrub productivity, but that this would increase susceptibility to drought and result in increased shrub loss over time. We also predicted that N addition would favor nonnatives, especially annual grasses, leading to higher biomass and cover of these species. Consistent with these hypotheses, we found that high N availability increased native shrub canopy loss and mortality, likely due to the higher productivity and leaf area and reduced water‐use efficiency we observed in shrubs subject to N addition. As native shrub cover declined, we also observed a concomitant increase in cover and biomass of nonnative annuals, particularly under high levels of experimental N deposition. Together, these results suggest that the impacts of extended drought on shrubland ecosystems may be more severe under elevated N deposition, potentially contributing to the widespread loss of native woody species and vegetation‐type conversion.     

Mapping gains and losses in woody vegetation across global tropical drylands

Woody vegetation in global tropical drylands is of significant importance for both the interannual variability of the carbon cycle and local livelihoods. Satellite observations over the past decades provide a unique way to assess the vegetation long‐term dynamics across biomes worldwide. Yet, the actual changes in the woody vegetation are always hidden by interannual fluctuations of the leaf density, because the most widely used remote sensing data are primarily related to the photosynthetically active vegetation components. Here, we quantify the temporal trends of the nonphotosynthetic woody components (i.e., stems and branches) in global tropical drylands during 2000–2012 using the vegetation optical depth (VOD), retrieved from passive microwave observations. This is achieved by a novel method focusing on the dry season period to minimize the influence of herbaceous vegetation and using MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data to remove the interannual fluctuations of the woody leaf component. We revealed significant trends (P < 0.05) in the woody component (VOD_wood) in 35% of the areas characterized by a nonsignificant trend in the leaf component (VOD_leaf modeled from NDVI), indicating pronounced gradual growth/decline in woody vegetation not captured by traditional assessments. The method is validated using a unique record of ground measurements from the semiarid Sahel and shows a strong agreement between changes in VOD_wood and changes in ground observed woody cover (r² = 0.78). Reliability of the obtained woody component trends is also supported by a review of relevant literatures for eight hot spot regions of change. The proposed approach is expected to contribute to an improved assessment of, for example, changes in dryland carbon pools.     

青海湖流域具鳞水柏枝植物水分利用氢同位素示踪研究

具鳞水柏枝(Myricaria squamosa)是我国高寒地区广泛分布的优势河谷灌木, 具有维持河谷湿地系统稳定的功能。然而, 目前国内外有关具鳞水柏枝水分利用来源的定量研究很少。该文运用氢稳定同位素示踪方法, 分析了青海湖流域具鳞水柏枝茎(木质部)水和潜在水源(地下水、河水和土壤水)的氢稳定同位素比率(δD)的季节变化, 发现具鳞水柏枝在不同水文环境下的植物水分利用来源有明显差异。研究结果表明, 生长在河岸边的具鳞水柏枝在6、7月主要利用地下水与河水, 分别占其所利用水分的89%、86%和55%、65%, 8月主要利用0-20 cm土层的土壤水, 9月水源不详。生长在离河岸约100 m处的具鳞水柏枝在6月主要利用地下水与河水(91%、70%), 在7-9月以0-60 cm土层的土壤水为主要水源。这表明生长在河岸边的具鳞水柏枝对地下水和河水的依赖程度较高, 而距离河岸约100 m时对土壤水的利用量较多, 反映出生长在不同生境中的具鳞水柏枝对特定水分条件的特殊适应结果。     

青藏高原20种灌木抗旱形态和生理特征

该研究以青藏高原地区采集的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)等20种灌木树种为研究对象, 将其二年生幼苗移栽至苗圃培育, 通过田间试验测定三年生苗木生物量根冠比(RSR)、叶片蒸腾速率(T_r)、瞬时水分利用效率(WUE_i)、稳定碳同位素组成(δ¹³C)、叶片解剖结构特征和根系特征(长度、表面积、体积和根尖数)指标, 综合分析其抗旱性能差异, 为青藏高原干旱地区灌木树种抗逆性(耐旱)评价指标的建立、优良抗逆性树种的筛选及各种灌木树种的合理立地配置提供必要的理论依据。研究结果表明: 所选20种灌木为适应长期的干旱逆境, 不同植物种具有不同的抗旱策略。研究中将灌木抗旱机制划分为6个类型: 根系特征抗旱型、叶片旱生结构型、叶片旱生形态型、生物量分配型、节水型、高水分利用效率型。不同属和同属不同种灌木抗旱性有所差异, 沙棘属(Hippophae)植物总体抗旱性不佳, 而金露梅(Potentilla fruticosa)、豪猪刺(Berberis julianae)、树锦鸡儿(Caragana arborescens)、绣线菊(Spiraea salicifolia)和蒙古沙棘(Hippophae rhamnoides ssp. mongolica)综合抗旱性能较好, 总体上属于根系和叶片抗旱特征明显、低耗水、高生产效率的抗旱性强树种, 可以在青藏高原地区植被恢复树种筛选时优先考虑。根系特征值之间存在极显著正相关关系, 叶片结构特征指标之间也存在不同程度的相关关系, 但RSR、T_r、WUE_i和δ¹³C与根系特征值和叶片解剖结构特征指标之间总体上相关性不显著。主成分分析结果显示灌木全根和细根的长度、表面积、体积、根尖数和叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度、瞬时水分利用效率因子载荷较高, 能较好地反映青藏高原灌木树种抗旱性差异相关信息。此外, 灌木树种原产地与抗旱性也存在一定的联系, 青海西宁地区采集的灌木树种总体抗旱性优于甘肃天水和西藏拉萨地区。     

宁夏黄土丘陵区不同生态恢复生境地表甲虫多样性

为了解宁夏黄土丘陵区不同生境地表甲虫群落多样性变化规律及与环境因子的关系, 并探讨不同生态恢复措施对维持地表甲虫群落多样性的影响, 2013年7-8月, 作者利用陷阱法调查了该区6种生境内的地表甲虫群落多样性。结果表明: 灌草混交林地、乔灌混交林地、生态薪炭林地中地表甲虫物种丰富度和个体数量均较高, 天然封育草地、生态经济林地和水平农田中物种丰富度较低, 生态经济林地和水平农田中甲虫个体数量显著高于天然封育草地。不同生境间, 灌草混交林地、乔灌混交林地与生态薪炭林地之间、生态经济林地与水平农田之间甲虫群落组成相似性较高。多元回归分析表明, 草本层生物量、灌木层盖度及土壤含水量是影响甲虫物种丰富度的决定因素, 林冠层盖度和枯落物厚度是决定地表甲虫个体数量的重要因素。CCA分析表明, 枯落物盖度、枯落物厚度、林冠层盖度及草本层盖度是影响地表甲虫群落组成的重要环境因子。研究表明, 灌草混交林地为地表甲虫群落多样性维持较好的生境类型, 是宁夏黄土丘陵区典型生态恢复的最优模式。     

突变级数法在厦门城市生态安全评价中的应用

针对港湾快速城市化地区存在的潜在突变特性,基于P-S-R(压力-状态-响应)框架和突变级数法,构建了评价城市生态安全的突变模型,并对1996—2006年厦门城市生态安全进行了评价.结果表明：1996—1998年,快速城市化对厦门市区域生态安全的影响不大,研究区生态安全状况呈上升趋势;1998—2001年,由于大范围高强度的填海造地、人口激增等生态干扰远远超过了生态系统自身的修复能力,导致厦门城市生态安全状况呈快速下降趋势;2001—2006年,厦门城市生态安全整体水平回升,主要受其海湾型生态城市重大战略转变的影响;2006年,研究区系统压力安全级别为Ⅲ,说明厦门市还存在着生态安全隐患.突变级数法反映了单一指标极值情况对生态系统突变的影响,弥补了现有方法在此方面的不足,它既减小了权重赋值的主观性,又避免了主观判断安全标准的不确定性,可准确地反映城市生态安全的发展趋势.     

基于样带的唐古特白刺灌丛沙包空间格局尺度研究

黄河河岸与库布齐沙漠之间生态过渡带上的唐古特白刺(Nitraria Tangutorum)灌丛沙包由于遭受到不同程度的破坏而表现出一定程度的退化,空间格局尺度从一定程度上表征了其破碎化程度。我们分别应用样方方差法,小波分析,分维,谱分析以及空隙度分析等方法对鄂尔多斯高原北缘唐古特白刺灌丛沙包的空间格局尺度进行了比较研究,旨在选出适合分析干旱半干旱区白刺灌丛沙包空间格局尺度的方法,并确定研究区内唐古特白刺灌丛沙包的空间格局尺度,为保护唐古特白刺灌丛沙包提供科学依据。结果表明:(1)TTLQV法得到的格局尺度过大,而小波分析得到的格局尺度过小,分维分析得到的格局尺度除了相对较小之外,趋势也不明显,因此都不适合分析干旱半干旱区白刺灌丛沙包的空间格局尺度;(2)而3TLQV,tQV,谱分析和空隙度分析所得到的结果则相对容易接受,其大小顺序是:3TLQV>tQV>空隙度分析>谱分析;(3)独贵塔拉、呼和木独和巴拉贡唐古特白刺灌丛沙包的空间格局尺度分别为16.7～27.1m,10.2～25.0m和8.8～17.0m,这一结果将有助于在今后的研究中合理地确定研究范围和尺度。     

红壤丘陵区林下灌木生物量估算模型的建立及其应用

以中国科学院千烟洲生态试验站林下常见的16种物种作为研究对象,构建了单一物种以植冠面积(Ac)为变量的二次方程和以植冠投影体积(Vc)为变量的乘幂方程来估算物种生物量,以及16种物种的混合模型来估算其生物量,并将最佳生物量估算模型应用于不同森林内灌木层生物量的估计.不同森林的灌木层生物量组成存在较大差异.以物种单一模型计算的落叶阔叶林、次生林、人工针叶林灌木层的生物量分别为4773、3175和733kg.hm-2;以物种混合模型估算的结果略低于单一模型,分别为3946、2772和840kg.hm-2.混合模型在未能对所有物种建立单一模型的情况下估算灌木层生物量时,具有简便、实用性的特点.     

秦岭火地塘林区油松林下主要灌木碳吸存

林下灌木是森林生态系统的重要组成部分,在维持森林碳平衡中发挥着重要作用.为估算林下灌木的固碳功能,采用TOC-VT H-2000A型TOC/TON分析仪,测定了油松林下主要灌木不同器官的含碳率;根据野外实测资料,建立了油松群落内主要灌木测树因子与其器官生物量的回归模型;计算了2006年和2007年,灌木层CO2年吸存量.结果表明:5种灌木叶、茎、根和皮的平均含碳率为:41.80%～46.25%,39.24%～49.22%,39.56%～46.71%和36.65%～48.23%;刚毛忍冬(Lonicera Hispida pall)各器官的含碳率最高,栓翅卫矛(Euonymus alatus)的叶和茎,白檀 (Symplocos paniculata)的根和皮含碳率最低;不同灌木同一器官和同一灌木不同器官的含碳率均存在显著差异;不同灌木同一器官平均含碳率差值最高达10.58%,同一灌木不同器官平均含碳率差值最高达6.47%;模拟显示:灌木器官的生物量和测树因子间的关系可用复合式、幂、二次方程、三次方程、对数方程、指数方程和倒数方程来描述;残差和误差分析表明,均方差根不大于1.70,模型有效性指数均接近于1,残差系数均接近于0,灌木根、茎、叶和皮的生物量模型估计值与实测值间相对误差的绝对值分别为3.89%～8.58%,0.57%～6.84%,4.69%～9.09%和4.50%～7.03%.回归模型的决定系数(R2)都在0.90以上,估计精度在95%以上,建立的油松群落内主要灌木测树因子与其器官生物量的回归模型,具有较高的估计精度和较好的适用性;研究区2006～2007年,主要灌木CO2年吸存量为10.138 Mghm-2.     

阿拉善荒漠灌木根际中、微量元素含量特征

探讨了阿拉善干旱荒漠区霸王、白刺、红砂、沙冬青、沙木蓼、梭梭和驼绒藜7种旱生灌木根际与非根际土壤Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu的含量特征.结果表明:(1)除梭梭根际pH值高于非根际之外,其余6种灌木根际土壤均表现出不同程度的酸化作用.(2)7种灌木根际全钙和交换性钙的含量均低于非根际.除沙木蓼和驼绒藜外,其余5种灌木根际全镁含量均高于非根际,白刺的富集率最高,为43.04%;除沙木蓼外,其余灌木根际交换性镁的含量均有所富集,梭梭的富集率最高,为26.52%.(3)7种灌木根际全铁、全锰、全锌含量总体上小于非根际,但是根际有效铁、有效锰、有效锌含量均大于非根际,表现出明显的富集效应,沙木蓼根际有效铁、有效锰、有效锌的富集率最高,分别为:29.76%、20.92%、86.99%.(4)沙木蓼根际全铜和有效铜含量略高于非根际.梭梭根际全铜含量低于非根际,但梭梭根际有效铜含量却有富集的趋势.其余五种灌木根际全铜和有效铜含量均低于非根际.(5)根际及非根际土壤各养分性状之间,存在复杂的相关性.