羌塘国家级自然保护区地表土壤冻结天数时空变化特征

利用1981—2018年羌塘自然保护区周边5个气象台站的地表逐日最低温度和平均气温资料,采用线性回归和Mann-Kendall非参数检验方法,分析了近38 a以及全球变暖1.5℃和2℃阈值时羌塘自然保护区地表土壤冻结天数的时空变化特征。结果表明:(1)近38 a近地表土壤冻结开始日期呈推迟趋势,变化率为7.72 d·10 a^-1,冻结终止日期以8.17d·10 a^-1的速率显著提早;冻结持续时间和冻结天数均呈显著缩短趋势,平均每10年分别缩短14.69和11.19 d;同时段内,自然保护区大部分土壤冻结参数的变化率均大于青藏高原。(2)在年代际变化上,自然保护区呈现土壤冻结开始日期推迟、冻结终止日期提前、冻结持续时间和冻结天数缩短的变化特征。(3)土壤冻结参数在21世纪初均发生了气候突变,较青藏高原土壤冻融时间的突变点偏晚。(4)在全球变暖1.5℃时,RCP4.5和RCP8.5情景下的自然保护区土壤冻结参数变化值相同,冻结开始日期推迟25 d,冻结终止日期提早22 d,冻结持续时间和冻结天数分别缩短46和28 d;变暖2.0℃时,RCP4.5和RCP8.5情景下的土壤冻结开始日期推迟35和33 d,冻结终止日期提早30和29 d,冻结持续时间减少64和62 d,冻结天数缩短40和39 d。     

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。     

Sierra Nevada mountain lake microbial communities are structured by temperature,resources and geographic location

Warming, eutrophication (nutrient fertilization) and brownification (increased loading of allochthonous organic matter) are three global trends impacting lake ecosystems. However, the independent and synergistic effects of resource addition and warming on autotrophic and heterotrophic microorganisms are largely unknown. In this study, we investigate the independent and interactive effects of temperature, dissolved organic carbon (DOC, both allochthonous and autochthonous) and nitrogen (N) supply, in addition to the effect of spatial variables, on the composition, richness, and evenness of prokaryotic and eukaryotic microbial communities in lakes across elevation and N deposition gradients in the Sierra Nevada mountains of California, USA. We found that both prokaryotic and eukaryotic communities are structured by temperature, terrestrial (allochthonous) DOC and latitude. Prokaryotic communities are also influenced by total and aquatic (autochthonous) DOC, while eukaryotic communities are also structured by nitrate. Additionally, increasing N availability was associated with reduced richness of prokaryotic communities, and both lower richness and evenness of eukaryotes. We did not detect any synergistic or antagonistic effects as there were no interactions among temperature and resource variables. Together, our results suggest that (a) organic and inorganic resources, temperature, and geographic location (based on latitude and longitude) independently influence lake microbial communities; and (b) increasing N supply due to atmospheric N deposition may reduce richness of both prokaryotic and eukaryotic microbes, probably by reducing niche dimensionality. Our study provides insight into abiotic processes structuring microbial communities across environmental gradients and their potential roles in material and energy fluxes within and between ecosystems.     

增温和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物功能基因丰度的影响

为探讨温度升高和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物的影响,于2017年7月采集多年冻土区泥炭地表层(0—10 cm和10—20 cm)土壤样品,在10、15℃两个温度下开展为期42d的增温模拟试验,同时设置葡萄糖添加处理,利用荧光定量PCR技术分析泥炭地土壤碳氮循环关键微生物丰度变化,同时分析增温和外源碳输入对泥炭地土壤活性碳组分和无机氮含量的影响。结果表明:温度升高可导致北方泥炭地表层土壤微生物丰度以及群落结构变化,0—10 cm土壤微生物比10—20 cm土壤微生物更加敏感。增温条件下微生物首先快速分解活性有机碳,同时温度升高加快土壤氮周转速率,增加有效氮含量。外源碳输入整体提高了深层土壤微生物丰度,使得10—20 cm土壤细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化细菌以及反硝化细菌丰度显著增加,说明外源碳输入可能会促进10—20 cm土壤甲烷氧化过程、氨氧化过程和反硝化过程。温度和葡萄糖的交互作用对泥炭地表层土壤碳氮循环关键微生物丰度均有显著影响。在增温和外源碳输入条件下,北方泥炭地表层土壤微生物丰度受土壤碳氮活性基质的影响。     

施硅对增温稻田CH4和N2O排放的影响

夜间增温幅度大于白天是气候变暖的显著特征。夜间增温影响水稻生产及CH4和N2O排放。硅是作物有益元素,施硅可提高产量,减少稻田CH4排放。增温或施硅单因子对稻田CH4和N2O排放影响已有报道,但二者耦合如何影响水稻生产及稻田CH4和N2O排放,尚不清楚。通过田间模拟试验,研究了夜间增温下施硅对水稻生长、产量及温室气体持续增温/冷却潜势和排放强度的影响。采用铝箔反光膜夜间(19:00-6:00)覆盖水稻冠层进行模拟夜间增温试验。增温设2水平,即常温对照(CK)和夜间增温(NW);施硅量设2水平,即Si0(不施硅)和Si1(钢渣硅肥,200 kgSiO2/ha)。结果表明,施硅可缓解夜间增温对水稻根系活力的抑制作用,降低夜间增温对水稻地上部、地下部干重和产量的抑制作用。夜间增温显著提高CH4累计排放量,而施硅显著降低CH4累计排放量。夜间增温下施硅处理稻田CH4累计排放量在分蘖期、拔节期、抽穗-扬花期和灌浆成熟期比未施硅处理分别低48.12%、49.16%、61.59%和39.13%。夜间增温或施硅均促进稻田N2O排放,夜间增温下施硅在上述生育期以及全生育期的累计排放量依次比对照高78.17%、51.45%、52.01%、26.14%和40.70%。研究认为,施硅可缓解夜间增温对稻田综合增温潜势和排放强度的促进作用。     

增温和刈割对高寒草甸土壤呼吸及其组分的影响

评估土壤呼吸及其组分对增温等全球变化的响应对于预测陆地生态系统碳循环至关重要。本研究利用红外线辐射加热器(Infrared heater)装置在青藏高原高寒草甸生态系统设置增温和刈割野外控制实验。通过测定2018年生长季(5—9月)土壤呼吸和异养呼吸,探究增温和刈割对土壤呼吸及其组分的影响。研究结果表明：(1) 单独增温使土壤呼吸显著增加31.65% (P<0.05),异养呼吸显著增加27.12% (P<0.05),土壤自养呼吸没有显著改变(P>0.05);单独刈割对土壤呼吸和自养呼吸没有显著影响(P>0.05),单独刈割刺激异养呼吸增加32.54% (P<0.05);(2) 增温和刈割之间的交互作用对土壤呼吸和异养呼吸没有显著影响(P>0.05),但是对自养呼吸的影响是显著的(P<0.05),土壤呼吸和异养呼吸的季节效应显著(P<0.05);(3)土壤呼吸及其组分与土壤温度均成显著指数关系,与土壤湿度呈显著的正相关关系(P<0.05),处理影响它们的响应敏感性。本研究表明青藏高原东缘高寒草甸土壤碳排放与气候变暖存在正反馈。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

Impacts of soil temperature,phenology and plant community composition on invertebrate herbivory in a natural warming experiment

Species and community-level responses to warming are well documented, with plants and invertebrates known to alter their range, phenology or composition as temperature increases. The effects of warming on biotic interactions are less clearly understood, but can have consequences that cascade through ecological networks. Here, we used a natural soil temperature gradient of 5–35°C in the Hengill geothermal valley, Iceland, to investigate the effects of temperature on plant community composition and plant–invertebrate interactions. We quantified the level of invertebrate herbivory on the plant community across the temperature gradient and the interactive effects of temperature, plant phenology (i.e. development stage) and vegetation community composition on the probability of herbivory for three ubiquitous plant species, Cardamine pratensis, Cerastium fontanum and Viola palustris. We found that the percentage cover of graminoids and forbs increased, while the amount of litter decreased, with increasing soil temperature. Invertebrate herbivory also increased with soil temperature at the plant community level, but this was underpinned by different effects of temperature on herbivory for individual plant species, mediated by the seasonal development of plants and the composition of the surrounding vegetation. This illustrates the importance of considering the development stage of organisms in climate change research given the variable effects of temperature on susceptibility to herbivory at different ontogenetic stages.