Alpine grassland plants grow earlier and faster but biomass remains unchanged over 35 years of climate change

Satellite data indicate significant advancement in alpine spring phenology over decades of climate warming, but corresponding field evidence is scarce. It is also unknown whether this advancement results from an earlier shift of phenological events, or enhancement of plant growth under unchanged phenological pattern. By analyzing a 35‐year dataset of seasonal biomass dynamics of a Tibetan alpine grassland, we show that climate change promoted both earlier phenology and faster growth, without changing annual biomass production. Biomass production increased in spring due to a warming‐induced earlier onset of plant growth, but decreased in autumn due mainly to increased water stress. Plants grew faster but the fast‐growing period shortened during the mid‐growing season. These findings provide the first in situ evidence of long‐term changes in growth patterns in alpine grassland plant communities, and suggest that earlier phenology and faster growth will jointly contribute to plant growth in a warming climate.     

Quantifying the effects of switchgrass (Panicum virgatum) on deep organic C stocks using natural abundance 14C in three marginal soils

Perennial bioenergy crops have been shown to increase soil organic carbon (SOC) stocks, potentially offsetting anthropogenic C emissions. The effects of perennial bioenergy crops on SOC are typically assessed at shallow depths (<30 cm), but the deep root systems of these crops may also have substantial effects on SOC stocks at greater depths. We hypothesized that deep (>30 cm) SOC stocks would be greater under bioenergy crops relative to stocks under shallow‐rooted conventional crop cover. To test this, we sampled soils to between 1‐ and 3‐m depth at three sites in Oklahoma with 10‐ to 20‐year‐old switchgrass (Panicum virgatum) stands, and collected paired samples from nearby fields cultivated with shallow rooted annual crops. We measured root biomass, total organic C, ¹⁴C, ¹³C, and other soil properties in three replicate soil cores in each field and used a mixing model to estimate the proportion of recently fixed C under switchgrass based on ¹⁴C. The subsoil C stock under switchgrass (defined over 500–1500 kg/m² equivalent soil mass, approximately 30–100 cm depth) exceeded the subsoil stock in neighboring fields by 1.5 kg C/m² at a sandy loam site, 0.6 kg C/m² at a site with loam soils, and showed no significant difference at a third site with clay soils. Using the mixing model, we estimated that additional SOC introduced after switchgrass cultivation comprised 31% of the subsoil C stock at the sandy loam site, 22% at the loam site, and 0% at the clay site. These results suggest that switchgrass can contribute significantly to subsoil organic C—but also indicated that this effect varies across sites. Our analysis shows that agricultural strategies that emphasize deep‐rooted grass cultivars can increase soil C relative to conventional crops while expanding energy biomass production on marginal lands.     

青藏高原高寒草甸土壤环境对线虫功能多样性的影响

土壤线虫是地下食物网的重要组成部分, 在生态系统能量流动和物质循环中起着至关重要的作用。大量研究报道了肥力等土壤环境对土壤线虫物种多样性及各功能群多度的影响, 而我们对土壤线虫功能多样性如何响应土壤环境变化依然知之甚少。本研究以群落水平个体大小和个体大小多样性表征土壤线虫功能多样性。在青藏高原高寒草甸选择3个研究点, 调查和分析了不同生境(沟底平地、阴坡、阳坡和山顶)土壤线虫物种多样性、各功能群多度和功能多样性及其与土壤理化因子和植物多样性的关系。结果表明: (1)土壤线虫个体多度和物种多样性在阳坡最高, 随土壤pH值和土壤总磷增加而升高; 而基于个体大小的土壤线虫功能多样性主要受土壤养分影响, 随土壤总氮和有机质增加而增加, 随土壤总磷含量增加而减少; (2)食细菌和食真菌线虫多度在沟底最高, 植食与捕食杂食线虫多度在山顶最低; 除捕食杂食线虫外, 各功能群多度也主要随土壤磷增加而升高; 除食真菌线虫外, 各功能群多度随植物物种丰富度的增加而减少。本研究强调了土壤线虫物种和功能多样性受不同土壤环境因子的影响, 丰富了土壤线虫多样性研究的内容, 为理解高寒草甸土壤动物多样性形成、维持和变化提供了更广阔的 视角。     

高寒草甸优势植物叶内、根内与土壤原核微生物群落的分异

植物内生菌具有帮助植物吸收营养元素,增强植物免疫力,抵御外界生物和非生物胁迫等功能。植物的根内和叶内存在大量的内生菌,影响着植物的健康生长。但不同植物地下(根内)和地上(叶内)内生原核微生物,以及与土壤微生物在组成和群落结构上的差异和联系还有待探索。以青藏高原高寒草甸三种优势植物青藏苔草(Carex moorcroftii)、火绒草(Leontopodium jacotianum)和高山嵩草(Carex parvula)为对象,研究了高寒草甸优势植物叶内、根内、土壤原核微生物组的组成及其与样品类型和植物类型之间的关系。结果表明:1)在门分类水平上,有13个门在土壤、叶内和根内之间有显著差异,只有5个门在不同植物之间有显著性差异,分别是变形菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、疣微菌门以及FBP;2)在α多样性上,同种植物土壤、叶内、根内之间差异显著,而不同植物在土壤和根内差异显著,但在叶内无显著性差异;3)样品类型(叶内、根内以及土壤)是决定植物微生物组差异的最主要因子,对微生物群落变异的贡献度为20.13%;不同植物类型之间微生物群落也有显著性差异,植物类型对总变异的贡献率为14.41%,并且植物类型和植物相关部位(叶内,根内)以及土壤之间有强烈的交互作用(17.40%)。以上结果表明,每种植物叶内、根内以及周边土壤都具有独特的生态位,体现了原核微生物在样品类型和不同植物间上生态位的差异,同时也表明了原核微生物群落对这些生态位的适应性。最后,我们确定了与土壤相比有显著性差异的叶内和根内特有的微生物菌群并对高丰度菌群进行功能预测,以假单胞菌Pseudomonas为代表的菌群在叶内和根内显著富集,这些微生物包含参与多种代谢过程的功能基因,在促进营养元素吸收、提高植物在寒冷中的生态适应性方面有着重要的潜在功能。本研究的结果对深入探索高寒环境下植物-内生微生物互作机制提供了科学数据。     

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。     

祁连山东段高寒植被群落特征及其与地形气候因子关系研究

地形气候因子与物种分布的关系影响着高寒植被群落的演替,同时对山地水源涵养林功能和结构的维持具有重要的意义。以祁连山东段水源涵养林为研究对象,基于野外植物群落物种组成及地形气候因子调查数据,运用数量分类与排序等方法,探究了高寒植物群落特征及其与地形气候因子的关系。结果表明:65个调查样方中出现181个植物种,隶属40科,124属。科的物种组成及占总物种数比例分别为菊科30个种,占16.57%;蔷薇科17个,占9.44%;禾本科13个种,占7.22%;豆科11个种,占6.11%。毛茛科10个种,占5.56%。单属种82个,占总属数的66.13%。群落层片由乔木层、灌木层和草本层组成,乔木8种,灌木25种,草本148种。乔木层优势种有青海云杉、祁连圆柏、红桦。灌木层优势种有金露梅、山生柳、匙叶小檗、高山绣线菊。草本层优势种有甘肃薹草、珠芽蓼、早熟禾、唐松草、甘青蒿。TWINSPAN将高寒植被群落划分为7个群丛类型:群丛I红桦-红花蔷薇-甘肃薹草B.albosinensis-Rosa moyesii-C.kansuensis,群丛II青海云杉-匙叶小檗-甘肃薹草P.crassifolia-B.vernae-C.kansuensis,群丛III祁连圆柏-高山绣线菊-珠芽蓼Sabina chinensis-Spiraea alpine-P.viviparum,群丛IV高山绣线菊+鬼箭锦鸡儿-珠芽蓼S.alpine+Caragana jubata-P.viviparum,群丛V沙棘+甘青蒿+鼠掌老鹳草Hippophae rhamnoides+A.tangutica+Geranium sibiricum,群丛VI沙棘+苦荬菜+苦荞麦H.rhamnoides+Ixeris polycephala+Fagopyrum tataricum,群丛VII沙棘-冰草+西北沼委陵菜H.rhamnoides-Agropyron cristatum+Comarum salesovianum。7个群丛在DCA排序图上聚集分布,反映了较好的环境梯度。CCA排序结果表明,海拔是祁连山高寒植被群落植物种分布的最重要环境因子,其次是降水、温度、坡向、坡度。     

甘肃兴隆山保护区野生马麝分布、数量特征及影响因素

综合采用样线法、粪堆计数法及重复调查法对甘肃省兴隆山国家级自然保护区的野生马麝（Moschus chrysogaster）进行了种群调查,结合生境分析,确定了其种群分布、数量特征及影响因素。结果表明,兴隆山保护区分布有野生马麝（1159±275）头,平均种群密度为（3.51±0.83）头/km²;各植被类型生境中的野生麝种群数量及密度存在差异,灌丛生境分布有70%的野生马麝种群,达（807±170）头,种群密度为（6.49±1.63）头/km²;针叶林种群密度最大,达（8.85±83.25）头/km²,分布有野生麝（123±45）头;针阔混交林分布最少,仅（41±15）头,种群密度为（5.00±1.84）头/km²;人工林生境无野生马麝分布。保护区各植被类型生境中的野生马麝种群分布差异反映了马麝对适宜生境功能的需求,食物、保温和隐蔽性是制约野生马麝冬季分布和种群数量的关键因素。此外,因生境及人为干扰强度的不同,保护区各区域的野生马麝种群分布存在差异。建议通过减少人为干扰、地表植被管理及人工林管理优化等措施增加生境适宜性,促进兴隆山自然保护区野生马麝种群的快速恢复和增长。     

基于地统计学的黄土高寒区典型林地土壤水分盈亏状况研究

土壤水分是黄土高寒区水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素,基于地统计学研究土壤水分空间分布及其盈亏状况,揭示林地土壤水分的空间分布规律、变异特征及空间结构,对于区域植被恢复具有重要价值。以大通县安门滩小流域人工林地作为研究对象,运用地统计学方法对其5月、7月和9月的土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量进行综合分析。研究结果表明:(1)土壤储水量总体表现为9月5月7月,而林地耗水量为7月9月5月,5—7月绝大多数林地的土壤水分呈亏损状态,而7—9月所有林地土壤水分都得到了补充,总体来看,5—9月研究区多数林地的土壤水分有所盈余,土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量均采用指数模型作为最优理论变异函数模型;(2)5月、7月和9月土壤储水量呈南高北低、西高东低的空间分异规律,且西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈;各月林地耗水量在西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈,总体表现为西南部区域低于东北部区域;在5—7月、7—9月和5—9月这三个时期内,土壤水分盈亏量的取值均呈现出东北部区域小于西南部区域的特点。综上,当地土壤水分状况与林地耗水量分布格局并不完全匹配,虽然绝大部分林分能够维持土壤水分收支平衡,但部分山脚处的青杨林地和中部区域的华北落叶松林地出现了土壤水分亏损的现象。为防止林地水分环境恶化,在之后黄土高寒区的植被建设过程中,应适当调整林分配置。     

不同类型高寒草地群落结构与生产对施氮的响应及其敏感性

大气氮沉降增加被认为是目前重要的环境问题,会引起生物多样性的丧失和生态系统稳定性的降低。但作为草地改良的管理措施,养分添加被广泛应用于退化草地的恢复。但由于不同类型草地所处气候与群落组成的差异,对氮输入的响应可能不同。通过在藏北高原高寒草甸与高寒草甸草原设定长期氮添加梯度试验(对照, 25, 50, 100, 200 kg N hm~(-2) a~(-1)),来探讨氮输入对生物多样性与生产的影响,并估算不同类型高寒草地的氮饱和阈值。施氮对高寒草甸物种多样性指数无影响,而随着施氮量的提高高寒草甸草原植物物种数和多样性指数均逐渐降低。开始施肥前两年,随着施氮量提高高寒草甸地上生物量呈现逐渐增加趋势,随着施肥时间的延长地上生物量呈现先增加后降低的趋势。在高寒草甸草原随着施氮量提高地上生物量均呈现先增加后降低的趋势。随着施氮量提高,开始施氮前三年高寒草甸禾草植物地上生物量逐渐提高;随着施氮时间的延长,禾草和豆科植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势。高寒草甸莎草植物地上生物量由施氮开始时的逐渐增加转变为先增加后降低趋势,最后变为逐渐降低的趋势,这说明施氮不利于莎草植物的生长。施氮只在施肥第四年显著提高杂草植物地上生物量。高寒草甸草原呈现不同的规律,开始施氮前三年随着施氮量提高,禾草植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势;随着施氮时间的延长,禾草地上生物量逐渐提高。莎草和杂草植物地上生物量呈现先增加后降低趋势。利用对氮输入响应最敏感的植物功能群禾草生物量估算的高寒草甸和高寒草甸草原的氮饱和阈值分别是109.5、125.8 kg N hm~(-2) a~(-1),这说明高寒草甸氮敏感性显著高于高寒草甸草原。由此可见,未来氮沉降增加会对不同类型高寒草地产生不同的影响,在不同类型高寒草地进行施肥恢复时也应将氮饱和阈值的差异考虑在内。     

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。