全球变化联网控制实验的创新性设计:以我国草地生态系统水热要素联网控制实验为例

全球变化已对陆地生态系统结构和功能产生深远影响,明确生态系统对全球变化的响应和适应机制是实现人类对生态系统服务可持续利用的前提.联网实验是理解区域乃至全球尺度生态系统结构功能对全球变化要素响应和适应的重要手段.科学的顶层设计有利于实现联网数据间融合、比对以及分析,进而支撑普适性生态学理论的发展.本文从全球变化联网控制实...     

昆仑山北坡前山带塔里木沙拐枣对不同海拔生境的生理生态响应

在全面调查昆仑山北坡前山带塔里木沙拐枣(Calligonumroborovskii A.Los.)分布的基础上,设置3个海拔梯度:A1(2190m)、A2(2355m)、A3(2495m),对不同海拔梯度塔里木沙拐枣的生理生态特性进行研究。结果显示:叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和总叶绿素(chl(a+b))含量均随着海拔的上升而增大,高海拔A3与低海拔A1相比,Chla、Chlb和Chl(a+b)含量分别增大了48.30%、40.10%和43.71%,差异均达显著水平(P0.05)。SLA和Nmass随着海拔的升高都增大,A3与A1相比分别增大了33.99%和20.97%,差异达到显著水平(P0.05)。LMA随着海拔升高而减小,A3与A1相比减小了30.15%,差异达到显著水平(P0.05)。丙二醛(MDA)含量和质膜透性(MP)变化较为一致,随着海拔上升而减小,A3与A1相比分别减小了184.06%和58.33%,差异均达显著水平(P0.05),说明在A1受到的伤害更大。类胡萝卜素(Car)、脯氨酸(Pro)和抗坏血酸(AsA)含量随着海拔的上升呈下降趋势,A3与A1相比分别下降了65.88%、290.21%和38.97%,差异均达显著水平(P0.05),说明A1处非酶类保护物质含量最高。酶保护系统中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX),只有CAT活性随海拔上升而升高,其余3种酶的活性均随着海拔的升高而降低,A3与A1相比分别降低了18.75%、122.37%、23.03%%,差异均达到显著水平(P0.05)。与此同时,随着海拔的升高,超氧阴离子自由基(O2-)和过氧化氢(H2O2)含量也呈下降趋势,A3与A1相比分别下降了54.48%、9.69%,差异达显著水平(P0.05)。在整个研究区域,AOS维持在低浓度范围,而低浓度AOS正好诱导防御基因表达,及时清除活性氧,另外非酶类保护物质含量的增加也有利于清除细胞内的活性氧,维持细胞膜的稳定性,从而保证塔里木沙拐枣正常的生理功能。     

实验增温对藏北高寒草甸植物繁殖物候的影响

全球气候变暖对高寒和极地地区的植物物候产生强烈的影响。该研究主要关注增温条件下藏北高寒草甸不同功能型植物繁殖时间(生殖物候)的改变。实验采用开顶箱式增温方法, 对3个主要功能群浅根-早花、浅根-中花和深根-晚花植物的现蕾、开花、结实时间进行观测。研究结果表明: (1)增温导致了土壤水分胁迫, 显著推迟了浅根-早花植物高山嵩草(Kobresia pygmaea)的繁殖时间; (2)增温显著提前了浅根-中花植物钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)和深根晚花植物紫花针茅(Stipa purpurea)和矮羊茅(Festuca coelestis)的繁殖时间; (3)增温没有显著影响浅根-中花植物楔叶委陵菜(Potentilla cuneata)和深根-晚花植物无茎黄鹌菜(Youngia simulatrix)的繁殖时间; (4)增温缩短了3种类型植物的开花持续时间。这些结果显示增温改变了藏北高寒草甸群落中多数物种的繁殖时间, 这预示着在未来更热更干的生长季, 青藏高原高寒草甸系统的植物物候格局可能会被重塑。     

遮阴对疏叶骆驼刺叶形态和光合参数的影响

通过设置自然光与遮阴(60%自然光)两种光环境, 观测了遮阴60天后疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)叶形态、光合生理参数和脯氨酸(Pro)含量的变化。结果表明: 与自然光照下的叶片相比, 遮阴叶的比叶面积显著增大(p < 0.01), 比叶干重、比叶鲜重和叶片厚度明显降低(p < 0.01); 叶绿素(a + b)和类胡萝卜素含量有所增加, 其中叶绿素a含量增加显著(p < 0.01); 光补偿点、光饱和点和暗呼吸速率降低, 表观量子效率提高, 最大净光合速率明显增大, 光能利用效率高于自然光叶; 强光照下遮阴叶的净光合速率明显降低, 易发生光合光抑制现象。上述结果说明: 遮阴处理后, 疏叶骆驼刺在叶形态和光合生理上表现出对遮阴弱光条件的一定程度的驯化适应。另外, 遮阴叶片Pro的大量积累, 说明Pro在疏叶骆驼刺驯化适应弱光环境中起着重要作用。遮蔽环境下疏叶骆驼刺植株死亡率明显偏高, 表明塔克拉玛干沙漠南缘荒漠区的疏叶骆驼刺属于专性阳生植物不耐阴品种。     

额济纳荒漠绿洲植物群落的数量分类及其与地下水环境的关系分析

为了科学地评价和预测生态输水对额济纳荒漠绿洲天然植被的影响, 亟需掌握额济纳荒漠绿洲的植物群落类型, 建立植被-环境因子的响应关系。该研究对额济纳荒漠绿洲的植物群落展开调查, 获取植物群落特征、分布状况及地下水环境数据, 应用双向指示种分析方法(TWINSPAN)对群落进行分类, 采用无偏对应分析(DCA)、无偏典范对应分析(DCCA)方法对群落进行排序, 得出额济纳荒漠绿洲主要植物群落类型, 以及影响植被类型变化和分布的地下水环境因子。研究结果表明: (1)采用TWINSPAN数量分类方法, 将植被划分为芦苇+杂类草(Ass. Phragmites australis + herbs)、胡杨-红柳+杂类草(Ass. Populus euphratica-Tamarix ramosissima + herbs)、沙枣-红柳+杂类草(Ass. Elaeagnus angustifolia-Tamarix ramosissima + herbs)、红柳-杂类草(Ass. Tamarix ramosissima-herbs)、花花柴-白刺+沙蒿+沙拐枣(Ass. Karelinia caspica-Nitraria tangutorum + Artemisia sp. + Calligonum sp.)、麻黄-红砂+白刺+骆驼刺(Ephedra przewalskii-Reaumuria soongorica + Nitraria tangutorum + Alhagi sparsifolia)等6个主要植物群丛; (2)对于额济纳荒漠绿洲这一特定的研究区域, 制约群落类型、植被分布格局的主要地下水因子为地下水埋深; (3)对群落产生显著影响的地下水环境因子主要有地下水埋深、pH、盐分、矿化度、电导率、HCO₃^-等6个变量。DCCA排序图明显反映出排序轴的生态意义, 第1轴突出反映了群落所在环境的地下水埋深, 沿第1轴从右到左, 地下水埋深逐渐增大, 群落的盐分及矿化度亦呈明显的增加趋势, 群丛依次从类型I到VI逐渐演变。额济纳三角洲作为干旱区的荒漠绿洲, 有着明显的特点: 植物群落组成的生物多样性趋于贫乏化和单一化, 生态结构简单, 植被稀疏, 种类单一, 群落覆盖度较低, 群落格局分异明显。地下水埋深变化是群落物种及类型变化的主要原因。     

高寒草甸退化过程中群落生产力和物种多样性的非线性响应机制研究

为了阐释青藏高原高寒草甸退化的关键生态过程, 该研究依托藏北高原草地生态系统研究站(那曲站), 设置不同退化梯度实验, 即对照、轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化5个梯度, 探究群落生产力和物种多样性对不同退化强度的响应机制。结果表明: 1)随着退化程度不断加剧, 地上生物量呈现线性或非线性增加趋势, 在重度退化处理下, 地上生物量显著高于对照32.3%, 其中高山嵩草(Kobresia pygmaea)地上生物量呈非线性下降趋势, 而矮火绒草(Leontopodium nanum)地上生物量呈非线性增加趋势; 2)与地上生物量的响应模式相反, 随着退化程度加剧, 地下生物量与总生物量均呈现非线性降低趋势; 3)高寒草甸退化过程中, 物种辛普森指数、丰富度指数、香农多样性指数和均匀度指数均呈现非线性上升趋势。结构等式方程结果表明, 土壤碳含量和体积含水量与地下生物量均呈现显著的正相关关系。土壤碳含量、体积含水量和砾石质量比对地上生物量无显著影响, 土壤碳、氮含量与物种多样性指数呈现显著的负相关关系。研究认为地上生产力的变化不能很好地指示草地的退化程度, 建议今后研究应以可食性牧草和毒杂草等植物功能群的变化来衡量草地退化。     

藏北高寒草地植物群落C、N化学计量特征及其影响因素

碳(C)、氮(N)作为植物必需的养分元素,其二者间的相互作用以及其与生境的关系影响着植物生长发育和营养状况,反映了植物的生长速率。研究藏北高寒草地58个样点植物C、N化学计量特征及植物C、N含量和C∶N与环境因子的关系。结果表明:(1)高寒草地植物的C、N耦合关系存在差异,可分为高碳氮比植物(lg(C)/lg(N)=0.926)和低碳氮比植物(lg(C)/(lg(N)=0.105);(2)藏北地区高寒草地植物C含量为382.24 mg·g-1、N含量为17.76 mg·g-1,植物C∶N平均值为22.24,且N的变异系数C∶N的变异系数C的变异系数;(3)高碳氮比情况下,主要环境因子对植物碳、氮及碳比氮分布变化的解释量:土壤有机碳(SOC)(48.91%)土壤全氮(STN)(30.50%)温度(27.47%)降水(16.66%);低碳氮比情况下,环境因子对植物碳、氮及碳氮比分布变化的解释变量:降水(18.78%)经度(16.32%)干旱指数(14.35%)植物物种丰富度(12.58%);(4)对于高碳氮比的植物,植物C、N含量随着SOC含量的增加而降低(P0.05),植物C∶N受环境因素影响不显著;而对于低碳氮比的植物,植物C含量和C∶N值与降雨、经度、干燥度和植物物种丰富度均呈负相关关系。研究结果对于高寒草地的可持续利用及生态保育与恢复提供了理论依据。     

青藏高原那曲高山嵩草草甸植物物候对增温的异步响应

植物物候对气候变暖的响应是全球气候变化研究的重要内容。目前,高海拔生态系统植物物候对气候变暖响应的研究仍然较少。该研究依托西藏那曲高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站布设的梯度增温实验,分别于2015、2017、2018和2021年对模拟增温下优势物种高山嵩草(Kobresia pygmaea)和钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)返青期、现蕾期和开花期等表征植物物候的指标进行了观测,以期揭示增温下藏北高寒草甸植物物候变化机制。结果表明:随着温度升高,高寒草甸中优势植物物候具有不同的变化趋势。高山嵩草返青、现蕾和开花物候期的推迟幅度与温度升高幅度呈正相关关系;钉柱委陵菜返青、现蕾和开花时间随着温度上升表现为先提前后推迟;这表明高寒草甸植物物候对增温产生异步响应。此外,长期增温下的藏北高寒草甸优势种的物候变化均显示出了延迟效应。结构方程归因分析发现,空气温度升高促使高山嵩草返青时间推迟;低水平增温可以促进钉柱委陵菜物候提前,而随着温度继续升高其物候响应发生逆转,土壤水分在决定物候对气候变暖响应的幅度和方向上具有关键作用。该研究结果揭示了藏北高寒草甸优势植物物候响...     

昆仑山北坡不同海拔塔里木沙拐枣的光合生理生态特性

在2008年7月25日-8月6日的连续晴天中,选择昆仑山北坡塔里木沙拐枣自然分布区3个海拔高度(2100,2300,2500m),利用便携式光合测定仪LI-6400测定塔里木沙拐枣的光合生理生态特性。结果表明:2100m处塔里木沙拐枣的光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)与2300m,2500m处差异分别达到显著,而3者间的最大净光合速率(P_max)差异均达显著。表观量子效率(AQY)在3个海拔之间差异均不显著,但在2100m处的羧化效率(CE)分别与2300m和2500m处的差异显著。相同海拔下塔里木沙拐枣的暗呼吸速率值(R_day)要高于光呼吸速率值(R_p),且2500m处的暗呼吸速率分别与2100m和2300m处的有显著的差异,2100m处的光呼吸速率分别与2300m和2500m差异显著。3个海拔塔里木沙拐枣的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)和气孔导度(G_s)的日变化均为单峰曲线。随着海拔的升高,塔里木沙拐枣P_n,T_r,G_s和L_s的日均值降低,但光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)却显著增加。塔里木沙拐枣的P_n与叶温(T_l)、大气温度(T_a)和光照强度(PPFD)具有极显著的正相关关系,与海拔呈显著负相关,与空气相对湿度(RH)和大气CO₂浓度(C_a)之间均不具有显著相关性。T_r与T_a,T_l和PPFD具有极显著的正相关性,与RH之间存在显著的负相关。G_s只与C_a之间呈极显著的负相关。P_n与T_r,L_s,G_s,WUE和V_pdl分别具有极显著的正相关性,与C_i呈极显著的负相关。通过对不同海拔高度塔里木沙拐枣光合生理参数与光、温等生态因子关系的对比分析表明:塔里木沙拐枣对山地荒漠草地自然环境变化的温度和光照有很好的生态适应性。     

昆仑山前山带植物群落调查及相似性初步研究

对塔克拉玛干沙漠南缘,昆仑山北坡前山带的荒漠植物群落进行调查.结果显示:(1)在调查区域内发现21种植物,参与建群种15种,其他6种为偶见种.21种植物分属于10科20属,其中菊科(Compositae)和藜科(Chenopodiaceae)植物13种;研究区5种植物群落的优势种分别为塔里木沙拐枣(Calligonum roborovskii)、琵琶柴(Reaumuria songarica)、河西苣(Hexinia polydichotoma)、蒿类植物(昆仑蒿Artemisia nanschanica+昆仑绢蒿Seriphidium korovinii)与驼绒藜(Ceratoides latens).(2)植物群落沿海拔高度变化地带性更替明显,低山砾质壤土母质上为塔里木沙拐枣和琵琶柴群落,集中分布范围分别为2 200～2 300 m和2 250～2 400 m,中部沙质土壤母质上为蒿类植物和河西苣群落,蒿类植物群落分布于海拔2 400～2 500 m,河西苣群落集中于2 500 m高大沙丘丘间低地;驼绒藜群落在砾质土壤和沙质土壤母质上均有分布,海拔范围在2 380～2 800 m.(3)群落结构简单,整体盖度小于10%,物种密度为4～13株(丛)/m2,灌木层优势种单一,密度很小(1.2株(丛)/m2),草本层冠幅水平低,盖度小(小于5%);群落间高度、盖度、密度存在不同程度差异,物种丰富度指数(dMA)和生物多样性指数(D、H′、Jsw、Jgi)差异并不明显,总体处于较低水平.(4)群落盖度、密度、高度和物种数随海拔高度变化趋势不同,生物多样性指数随着海拔高度增加呈增加趋势;群落相似性比较显示,低海拔地区植物群落间的相似性高于高海拔地区.