中国森林生态系统土壤呼吸温度敏感性空间变异特征及影响因素

土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)是陆地碳循环与气候系统间相互作用的关键参数。尽管已有大量关于不同类型森林Q₁₀季节和年际变化规律的研究, 但是对Q₁₀在区域尺度的空间变异特征及其影响因素仍认识不足, 已有结果缺乏一致结论。该研究通过整合已发表论文, 构建了中国森林生态系统年尺度Q₁₀数据集, 共包含399条记录、5种森林类型(落叶阔叶林(DBF)、落叶针叶林(DNF)、常绿阔叶林(EBF)、常绿针叶林(ENF)、混交林(MF))。分析了不同森林类型Q₁₀的空间变异特征及其与地理、气候和土壤因素的关系。结果显示, 1) Q₁₀介于1.09到6.24之间, 平均值(±标准误差)为2.37 (± 0.04), 且在不同森林类型之间无显著差异; 2)当考虑所有森林类型时, Q₁₀随纬度、海拔、土壤有机碳含量(SOC)和土壤全氮含量(TN)的增加而增大, 随经度、年平均气温(MAT)、平均年降水量(MAP)的增加而减小。气候(MAT、MAP)和土壤(SOC、TN)因素间存在相互作用, 共同解释了33%的Q₁₀空间变异, 其中MAT和SOC是Q₁₀空间变异的主要驱动因素; 3)不同类型森林Q₁₀对气候和土壤因素的响应存在差异。在DNF中Q₁₀随MAP的增加而减小, 而其他类型森林中Q₁₀与MAP无显著相关性; 在EBF、DBF、ENF中Q₁₀随TN的增加而增大, 但Q₁₀对TN的敏感性在EBF中最高, 在ENF中最低。这些结果表明, 尽管Q₁₀有一定的集中分布趋势, 但仍有较大范围的空间变异, 在进行碳收支估算时应注意尺度问题。Q₁₀的主要驱动因素和Q₁₀对环境因素的响应随森林类型而变化, 在气候变化情景下, 不同森林类型间Q₁₀可能发生分异。因此, 未来的碳循环-气候模型还应考虑不同类型森林碳循环关键参数对气候变化的响应差异。     

花棒茎流对降雨的响应

干旱半干旱区植物生理过程的水分响应依赖于降雨强度和频率,研究典型沙生植物对降雨的响应有助于预测未来气候条件下荒漠生态系统的结构和功能变化.2012和2013年花棒生长季,在宁夏盐池采用包裹式茎流仪对花棒茎流进行连续观测,分析茎流在晴天和雨天的变化特征及其对不同降雨事件的响应.结果表明: 雨天的花棒日茎流量低于晴天.晴天,茎流日变化呈“几”字型宽峰曲线,与太阳辐射和相对湿度呈正相关;雨天,茎流日变化呈多峰曲线或者一直处于极低状态,与太阳辐射和空气温度呈正相关.降雨不仅可以通过影响当天太阳辐射、空气温度、饱和蒸汽压差和相对湿度影响花棒茎流通量,还通过调控土壤含水量影响降雨后的茎流通量.降雨量<20 mm时,降雨前后茎流通量差异不显著;降雨量>20 mm时,降雨后的茎流通量比降雨前有显著提高.高土壤含水量不仅能够提高茎流通量,并且能够提高茎流通量对太阳辐射、饱和水汽压差和空气温度的响应敏感性.     

毛乌素沙地油蒿叶性状对光能利用效率动态的影响

目前对于荒漠灌木光能利用效率（LUE）的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性。拟验证假设：长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值（LUE_day）的动态变化与叶片性状的季节性调整有关。试验采用Li-6400便携式光合仪定期测量了油蒿生长季叶片LUE_day的季节动态及相关叶性状指标,探究叶性状对LUE_day的影响。结果表明：LUE_day的季节波动范围为0.003-0.017 mol/mol,整体变异系数（CV）为38.75%。完全展叶期LUE_day均值相比生长季平均值降低17.37%,相比展叶期和落叶期时降低30%;8个叶性状的季节变异幅度差异较大,其中总叶绿素含量（Chl）、类胡萝卜素含量（Car）和叶氮含量（LNC）均表现出较大的季节变异性（CV ≥ 20%）,叶碳含量（LCC）和叶片相对含水量（LRWC）的变异程度最低（CV<7%）。LRWC与所有叶片化学性状（Chl、Chl a/b、Car、LNC和LCC）均存在显著相关,表明其变化与叶片的养分吸收、光合色素合成以及碳同化的运输过程密切相关;油蒿LUE_day的相对变化与LRWC、Chl a/b和LNC显著正相关,而LRWC和LNC的季节动态受空气温度（T_a）和土壤含水量（VWC）的共同调节,Chl a/b的季节波动主要由浅层土壤含水量（10 cm VWC）控制。以上研究结果强调,在未来预计极端的气候事件（如极端干旱和持续热浪事件）发生更频繁的旱地场景中,时间尺度植物叶性状对于土壤干旱和高温的适应性调整应当被充分考虑到旱地生态系统的通量建模方案中。该结果将为构建叶片尺度的光合生理模型与厘清LUE的生物调控机制提供理论依据。     

黑沙蒿光合能量分配组分在生长季的相对变化与调控机制

为了探明典型荒漠灌木优势物种黑沙蒿(俗名油蒿, Artemisia ordosica)光合过程能量中分配对环境波动的相对变化及其长期调节机制, 该研究于2018年4-10月在宁夏盐池毛乌素沙地, 同时使用MONITORING-PAM多通道荧光监测仪和LI-6400XT便携式光合测量仪对黑沙蒿叶片的最小荧光产量(F_o)、最大荧光产量(F_m)、稳态荧光产量(F_s)、光下最大荧光产量(F_m′)、净光合速率(P_n)、暗呼吸速率(R_d)、蒸腾速率(E)和叶片气孔导度(g_s)进行现场测定, 在实验室内计算比叶面积(SLA)、单位面积氮含量(N_area)、叶绿素含量(C_Chl)和叶绿素a/b (Chl a/b), 分析黑沙蒿光合过程能量分配中固碳耗能占比(Φ_A)、光呼吸耗能占比(Φ_PR)、调节性热耗散耗能占比(Φ_NPQ)和非调节性热耗散耗能占比(Φ_NO)与环境参数和叶性状参数之间的关系以及能量分配各组分之间的相对变化。结果表明, 光化学反应组分(Φ_A、Φ_PR)和热耗散组分(Φ_NPQ、Φ_NO)之间呈负相关竞争关系, 两组分内部呈正相关协同关系, E和Φ_A、Φ_PR正相关, 和Φ_NPQ、Φ_NO负相关。在低土壤含水量(SWC)和高饱和水汽压差(VPD)环境条件下, 黑沙蒿Φ_A、Φ_PR和SLA显著降低, Φ_NPQ和Φ_NO显著增加。研究认为, 在长期干旱或高蒸散条件下, 黑沙蒿通过降低SLA等途径避免水分的过度流失, 同时将部分过剩光能由光呼吸代谢途径转移到热耗散组分进行耗散。波动环境下黑沙蒿形态性状的变异和光合过程能量分配的长期调节机制, 反映了其利用形态与生理的协同可塑性对逆境的适应。     

北京松山落叶阔叶林生态系统水热通量对环境因子的响应

温带森林生态系统水热通量在多时间尺度上受各种生物物理因子的影响。该研究假设这些因子对水热通量的影响机制具有时间尺度分异性, 通过涡度相关法(EC)于2019年全年对北京松山典型天然落叶阔叶林生态系统蒸散发(ET)、显热通量(H)、潜热通量(LE)、土壤热通量(G)、饱和水汽压差(VPD)、空气温度(T_a)、光合有效辐射(PAR)、归一化植被指数(NDVI)及10 cm深度土壤水分(VWC)等要素进行原位连续监测, 使用小波分析的方法分析了日、季节尺度上生物与非生物因子对生态系统能量分配与水汽交换的调控机制。主要研究结果: 2019年松山天然落叶阔叶林生态系统年均波文比(β)为1.53。ET具有明显的季节变化特征, 从第100天开始逐渐增加, 7月达到峰值, 第300天下降到最低水平。ET最大日累计值为5.01 mm·d^-1, 年累计值为476.2 mm, 年降水量为503.3 mm。在日尺度上水热通量与VPD间滞后时间最短, 为3.36 h。在季节尺度上与PAR间滞后时间最短, 为8天。季节尺度上PAR通过VPD来对ET造成间接影响, 而对β造成直接影响。该研究发现不同时间尺度上水热通量与环境因子间的时滞关系, 为选择模型在不同时间尺度下北方温带落叶阔叶林生态系统过程的最佳输入参数提供科学支持。     

北京山区黄栌叶片水分和光能利用效率季节变化及影响因子

未来气候变化将影响光合环境资源供给,尤其是水分和光能。为深入了解植物对气候变化的适应性,使用LI-6800便携式光合仪,于2021年5—10月份(完全展叶期)测定了北京山区广布灌木黄栌(Cotinus coggygria)叶片的光响应曲线,分析其水分利用效率(WUE=最大净光合速率[P_nmax]/气孔导度[g_s])和光能利用效率(LUE)的季节变化特征及影响因子。结果显示：黄栌叶片WUE在5—6月份呈下降趋势,7—10月份比较稳定;LUE在5—7月份呈上升趋势,8—10月份比较稳定。WUE和LUE的生长季平均值分别为98.25μmol/mol和0.06 mol/mol,变异系数分别为22%和17%,两者呈负相关(R²=0.86;P<0.01)。环境因子中,WUE和LUE主要受土壤含水量(SWC)影响,WUE随SWC增加呈线性降低趋势,而LUE随SWC增加呈线性增加趋势。SWC每增加0.1 m³/m³,P_nmax和g_s分别线性增加...     

北京市4种城市功能区森林植被涵养水源功能评价及价值估算

本研究对北京市首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区进行林分涵养水源功能评价及价值估算,旨在探究提升城市功能区森林水源涵养功能较优林分配置模式。结果表明：（1）北京市森林植被面积2009年为4.00×10⁵ hm²,2014年为4.59×10⁵ hm²,北京市NDVI平均值2009年为0.331,2014年为0.708,北京市森林植被面积总体呈增加趋势。北京市2014年林地绿化调节水量较2009年降低了近1/3,2014年水源涵养功能价值量较2009年分别减少了22.08%和8.24%。（2）生态涵养发展区水源涵养功能年平均能力最强（2.88×10⁸ m³/a）,城市发展新区水源涵养功能年平均能力次之（1.72×10⁸ m³/a）,而首都功能核心区水源涵养功能年平均能力相对最弱,仅1.05×10⁶ m³/a。在针叶林、阔叶林和混交林三种林分类型中,2014年混交林水源涵养功能价值量较2009年增加5.13%,而阔叶林和针叶林分别减少34.93%和55.55%。（3）培育纯林,提高森林覆盖率,对于调节水土资源和保护生态环境具有非常重要的生态意义,而从森林水源涵养功能实物量和价值量考虑,认为混交林比纯林具有更强的水源涵养功能和较优的经济价值。在城市特定的条件下,建立生态与景观相协调的人工植物群落使城市土地资源的利用达到生态、社会、经济三大效益的最佳结合,是提高城市绿地质量的关键所在。     

毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统蒸散组分分配及其影响因子

蒸散发(ET)是生态系统水分循环和能量流动的重要组成部分,准确估算ET及其各组分,对认识生态生理过程对水分平衡和植物水分利用策略的影响具有重要意义。本研究于2019年5月20日至9月15日,利用涡度相关技术和微型蒸渗仪对毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统ET、蒸发(E)和蒸腾(T)进行测定和估算,量化了油蒿-杨柴灌丛生态系统ET组分,并分析ET及其组分的季节特征及影响因素。结果表明: T为毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统生长季ET的主要组分,T/ET为53.1%。T/ET值随降水减少而升高,E/ET值随降水减少而减少,蒸散组分分配主要受降水调控。在季节尺度上,E与10 cm深处土壤含水量(SWC₁₀)和太阳净辐射(R_n)呈显著正相关,其中,SWC₁₀是E的主要影响因素;T随R_n和叶面积指数(LAI)的升高而升高,随30 cm处土壤含水量(SWC₃₀)的升高呈先升高后降低的单峰趋势,受到SWC₃₀、R_n和LAI的共同影响;水分是ET的主要影响因素。生长季蒸散/降水量(ET/P)为109.2%,5月ET/P为250.5%,表明生长季初期ET耗水部分来自非生长季降水。     

城市绿地冠层导度季节变化及其环境调控

冠层导度(canopy conductance,gc)是生态系统对环境响应的敏感性指标,探讨冠层导度对环境因素的响应模式对了解生态系统生产力的变化模式至关重要。城市绿地作为人为设计的复合生态系统,其冠层导度变化规律及其对环境因子的响应亟待明确。基于涡度相关方法,本研究调查了北京奥林匹克森林公园2012-2016年连续5年的冠层导度的季节动态变化及其对空气温度(Ta)、光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)以及土壤含水量(VWC)等环境因子的响应,利用统计回归方法分析了环境因子对冠层导度的影响,最后分析了冠层导度对总生态系统生产力(GEP)的影响。结果表明:2012-2016年的冠层导度依次为3.97、3.28、2.13、3.95和5.07 mm·s^-1,5年平均值为3.69±1.99 mm·s^-1;季节变化表现为从4月开始逐渐升高,在7、8月达到最大值后逐渐降低;在季节尺度上,VWC和Ta是影响冠层导度的主要环境因子,冠层导度随它们的增加而增大;而PAR和VPD对冠层导度的影响存在年际间的差异;5年间,GEP随着冠层导度的升高显著增大;城市绿地中,季节尺度上土壤水分的增加和气温的升高显著增加冠层导度,从而促进GEP。     

北京奥林匹克森林公园绿地碳交换动态及其环境控制因子

随着城市化进程的推进,城市公园绿地的面积也在不断地增加。在碳循环与气候变化研究中,以人工植被为主要存在形态的城市绿地生态系统,其潜在的碳汇功能亦不容忽视。基于涡度相关技术,于2011年12月1日至2012年11月30日对北京奥林匹克森林公园城市绿地生态系统进行了碳通量观测,以探讨城市绿地生态系统碳交换及其与环境因子的关系及其源/汇属性和强度。研究发现：奥林匹克森林公园绿地年总生态系统生产力（Gross ecosystem production, GEP）、生态系统呼吸（Ecosystem respiration, Re）、生态系统净生产力（Net ecosystem production, NEP）具有明显的季节变化,生长季（4月—11月）以吸收二氧化碳（CO2）为主,非生长季以释放CO2为主。Re随空气温度（Air temperature, Ta）呈指数增加,温度敏感性系数（Q10）为2.5;GEP也随Ta的升高而增加;GEP与Re对Ta的响应差异决定着NEP与Ta的关系：当Ta < 10.0 ℃时,NEP随Ta升高而下降;当Ta > 10.0 ℃时, NEP随Ta升高而增加。在生长季各月,日总GEP随日光合有效辐射（Photosynthetically active radiation, PAR）的升高而增加,生态系统光合作用表观光量子效率（α）和平均最大光合速率（Amax）也表现出明显的季节变化,最大值出现在7月,分别为0.083 μmol CO2/μmol PAR 和29.46 μmol/m2?s,最小值出现在11月,分别为0.017 μmol CO2/μmol PAR和4.16 μmol/m2?s。奥林匹克森林公园绿地全年GEP 、Re、NEP的年总量分别为1192、1028、164 g C/m2。该研究结果可用于估算、模拟预测相似城市生态系统在气候变化背景下生态系统净碳交换,可作为城市绿地生态系统管理与应对气候变化的重要理论基础。