氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

氮水添加对放牧背景下荒漠草原生产力的影响

水分与氮素作为干旱和半干旱草原生产力的共同限制性因子在退化草原的生态快速修复过程中备受关注。以不同放牧强度背景下的短花针茅荒漠草原为研究对象,开展围封模拟放牧利用实验,同时添加氮素和水分。通过分析历史放牧强度与年份对生产力的影响,以及添加氮素和水分对不同功能群植物生物量的作用,探讨放牧强度对短花针茅草原生产力的内在作用机制,以及如何实现荒漠草原资源合理开发和可持续利用。研究结果显示,降雨量与放牧强度决定着短花针茅草原的植物群落结构。氮素和水分添加可分别提升11%-29%和12%-32%的群落地上生物量,且二者存在显著的交互作用。不同功能群植物的地上生物量对氮素与水分添加的响应存在差异,多年生丛生禾草对氮素和水分添加响应最敏感。氮素与水分添加可显著提高多年生丛生禾草的地上生物量,但与自然降水量相关。氮素添加对地上生物量的影响在正常降雨和稍旱年份作用显著,而水分添加在干旱年份作用显著。在正常降雨年份,以半灌木植物为优势种的轻度放牧背景以添加水分对提升生产力最宜,以多年生丛生禾草和半灌木为共优种的中度放牧背景和以多年生丛生禾草为优势种的重度放牧以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜;在干旱年份不同放牧强度背景下均以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜。我们的结果表明了养分与资源的改善有利于退化短花针茅草原的快速恢复和可持续生产。     

内生真菌感染对干旱胁迫下黑麦草生长的影响

 内生真菌是生活在健康植物的茎叶内,形成不明显感染的一类真菌。以黑麦草（Lolium perenne L.）为实验材料,研究在不同强度的干旱胁迫下内生真菌（Neotyphodium lolii）侵染对其叶片延伸生长、分蘖数和生物量的影响。结果表明,与非感染种群相比,内生真菌感染对黑麦草叶片延伸速率无明显促进作用;内生真菌感染种群具有明显较多的分蘖数;在重度胁迫并经过恢复期后,内生真菌感染种群具有较高的根冠比。因而内生真菌可能通过提高植物的分蘖能力和促进有机物向根系的分配来促进宿主植物的营养生长并提高其抗旱性     

内蒙古锡林河流域不同植物群落中羊草和糙隐子草水分利用效率的变异

用稳定性同位素技术,研究了锡林河流域不同群落和生境下羊草(Leymus chinensis ( Trin.) Tzvel.)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa (Trin.) Keng.)叶片δ13C值及其水分利用效率的变化.结果表明,在不同生境下,羊草和糙隐子草叶片δ13C 值随土壤水分含量的降低而增大,并与不同土层土壤水分含量均表现出极显著的线性负相关关系;而二者的叶片水分含量与土壤水分含量无显著的相关关系.这一结果说明,羊草和糙隐子草的水分利用效率均随土壤水分含量的降低而提高,而叶片水分含量保持相对稳定.这两种植物可能通过调节气孔导度、提高水分利用效率和增强渗透调节能力等生理生态机制适应水分状况不同的生境,从而使它们能够在锡林河流域不同植物群落中广泛分布并成为建群种或优势种.     

干旱胁迫下内生真菌感染对黑麦草实验种群光合、蒸腾和水分利用的影响

 以黑麦草(Lolium perenne L．)为实验材料,研究在不同强度的干旱胁迫下内生真菌(Neotyphodium lolii (原 Acremonium lolii))感染对其净同化速率、蒸腾速率和水分利用效率的影响。结果显示：1)在干旱胁迫前期,内生真菌感染(EI)种群和非感染(EF)种群之间的群体净同化速率无显著差异;到胁迫后期,在重度胁迫下EI种群的净同化速率高于EF种群;复水后,各个胁迫强度EI和EF种群的净同化速率均迅速恢复,差异消失;2)在群体蒸腾速率上,干旱胁迫对其影响大于内生真菌的影响;3)在群体水分利用效率上,只是在重度胁迫后期,EI种群才高于EF种群。     

中国草地生态系统固碳现状、速率和潜力研究

正中国草地面积约4亿hm~2,占国土总面积的41.7%。作为中国面积最大的陆地生态系统类型,草地不仅每年为畜牧业生产提供了3–4亿t优质饲草,而且在防风固沙、水土保持、水源涵养、生物多样性保育和生态系统碳固持等方面具有极其重要的生态功能(白永飞等,2014;沈海花等,2016)。草地是个巨大的碳库,全球草地总碳储量约为308 Pg,其中约92%储存在土壤中(Schuman et al.,2002)。中国草     

内蒙古半干旱草原土壤水分对降水格局变化的响应

在全球气候变化背景下, 未来我国北方半干旱地区的降水格局将呈现出季节与年际间降水波动增强和极端降水事件增加的趋势。水分是半干旱草原的主要限制因子, 降水格局变化导致的土壤水分状况的改变必然对生态系统的结构和功能产生显著的影响。该研究选取内蒙古多伦和锡林浩特两个典型半干旱草原群落, 通过分析2006-2013年的降水和多层次土壤(0-10 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm和50 cm)含水量连续观测数据, 研究降水格局变化对土壤水分状况及其垂直分布的影响, 特别是土壤水分对降水事件的脉冲响应过程。结果表明: 两个站点的土壤含水量均呈现显著的季节及年际间波动, 其中土壤表层 0-10 cm水分波动更剧烈。锡林浩特50 cm处土壤含水量波动较大, 主要由于春季融雪的影响。年际间多伦和锡林浩特生长季土壤表层0-10 cm土壤含水量与降水量存在显著的正相关关系, 下层(10-50 cm)土壤含水量与降水量相关性不显著。研究发现小至2 mm的降水事件就能够引起两个站点表层0-10 cm土壤含水量的升高, 即该地区有效降水为日降水量> 2 mm。表层0-10 cm土壤含水量对独立降水事件的脉冲响应可通过指数方程很好地拟合。降水事件的大小决定了降水后表层0-10 cm土壤含水量的最大增量和持续时间, 同时这个脉冲响应过程还受到降水前土壤含水量的影响, 但该过程中并未发现植被因子(叶面积指数)的显著影响。降水后水分下渗深度及该深度的土壤含水量增量主要由降水事件的大小主导, 同时受到降水前土壤含水量的影响。在多伦和锡林浩特, 平均每增加1 mm降水, 下渗深度分别增加1.06和0.79 cm。由此作者认为, 在内蒙古半干旱草原, 降水事件大小和降水前土壤干湿状况是影响土壤水分对降水响应的主要因素, 而植被因子的影响较小。     

内蒙古锡林河流域植物功能群组成及其水分利用效率的变化——依水分生态类群划分

依照植物水分生态类群,将锡林河流域主要植物种划分为6个植物功能群:旱生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物。沿土壤水分梯度,我们调查了8个植物群落的功能群组成及其d13C值。结果表明:1)在水分状况不同的8个群落中,植物功能群的组成有很大差异。在较湿润生境中(沼泽化草甸和盐化草甸),湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主要部分;在干旱生境中(草甸草原、典型草原和退化草原),旱生和中旱生植物占绝对优势并构成群落生物量的90%以上;2)不同功能群d13C值表现为:旱生植物(-26.38) = 中旱生植物(-26.51) > 旱中生植物(-27.02) > 中生植物(-27.56) = 湿中生和湿生植物(-27.80),表明随着不同水分生态类群所适应生境从干旱到湿润逐渐转变,植物的水分利用效率显著降低;3)在土壤水分状况不同的生境下,旱生植物始终维持相对较高的d13C值和水分利用效率;而中旱生植物的d13C值表现出较大的变化幅度,表明其对土壤水分的改变更敏感;4)旱生植物叶片脯氨酸含量最高;旱中生、中旱生和中生植物次之;湿中生和湿生植物脯氨酸含量最低。不同水分生态类群脯氨酸含量与其d13C值和地上生物量呈显著正相关关系。     

开垦对克氏针茅草地生态系统碳通量的影响

 植被–大气间CO₂净交换及其对环境变化的响应是目前全球变化研究的热点问题。该研究通过同化箱式法, 在内蒙古农牧交错带对比研究生长季草地生态系统和耕种多年的小麦田生态系统碳通量的变化, 以探讨该地区碳通量的变化规律及影响碳通量主要因子, 并揭示农田开垦对草原碳通量的影响。结果显示: 两个生态系统的群落净气体交换(Net ecosystem exchange, NEE)有明显的季节变化。整个测定期间, 草地生态系统的净气体交换NEE的最高值为–11.26 µmol CO₂•m^–2•s^–1, 平均群落净气体交换为–5.33 µmol CO₂•m^–2•s^–1; 小麦田群落NEE最大值为–12.29 µmol CO₂•m^–2•s^–1, 平均群落净气体交换为–7.66 µmol CO₂•m^–2•s^–1。分析发现, 叶面积指数LAI是影响该地区生态系统NEE的主要因子, 相对贫瘠的土壤也是限制该地区生态系统碳固定的一个重要因子。因小麦的生长特性, 在生长中后期, 小麦田生态系统NEE随LAI的变化没有草地生态系统的敏感。此外, 较低的土壤含水量限制了小麦田群落呼吸, 使得小麦田群落呼吸对温度的敏感性降低。     

半干旱草原土壤呼吸组分区分与菌根呼吸的贡献

土壤呼吸组分的区分对于理解地下碳循环过程非常重要。而菌根真菌在地下碳循环过程中扮演着重要的角色, 但是有关菌根呼吸在草原生态系统中的研究相对较少。该研究在内蒙古半干旱草原应用深浅环网孔法, 结合浅环、深环(排除根系)和一个带有40 μm孔径窗口的土壤环(排除根系但是有菌根菌丝体)将根和菌丝物理分离, 来区分不同的呼吸组分。结果表明: 异养呼吸对总呼吸的贡献比例为51%, 根呼吸的贡献比例为26%, 菌根呼吸的贡献比例为23%, 菌根呼吸的比例3年变化范围为21%-26%。与国内外研究相比, 此方法提供了一个相对稳定的菌根呼吸测量精度范围, 在草原生态系统中切实可行。对菌根呼吸的准确定量将有助于预测草原生态系统土壤碳释放过程对未来气候变化的响应。