Responses of growth and litterfall production to nitrogen addition treatments from common shrublands in Mt. Dongling,Beijing, China

Aims The shrublands of northern China have poor soil and nitrogen (N) deposition has greatly increased the local soil available N for decades. Shrub growth is one of important components of C sequestration in shrublands and litterfall acts as a vital link between plants and soil. Both are key factors in nutrient and energy cycling of terrestrial ecosystems, which greatly affected by nitrogen (N) addition (adding N fertilizer to the surface soil directly). However, the effects and significance of N addition on C sequestration and litterfall in shrublands remain unclear. Thus, a study was designed to investigate how N deposition and related treatments affected shrublands growth related to C sequestration and litterfall production of Vitex negundo var. heterophylla and Spiraea salicifolia in Mt. Dongling region of China.
Methods A N enrichment experiment has been conducted for V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia shrublands in Mt. Dongling, Beijing, including four N addition treatment levels (control (N₀, 0 kg N·hm^-2·a^-1), low N (N₁, 20 kg N·hm^-2·a^-1), medium N (N₂, 50 kg N·hm^-2·a^-1) and high N (N₃, 100 kg N·hm^-2·a^-1)). Basal diameter and plant height of shrub were measured from 2012-2013 within all treatments, and allometric models for different species of shrub’s live branch, leaf and root biomass were developed based on independent variables of basal diameter and plant height, which will be used to calculate biomass increment of shrub layer. Litterfall (litterfall sometimes is named litter, referring to the collective name for all organic matter produced by the aboveground part of plants and returned to the surface, and mainly includes leaves, bark, dead twigs, flowers and fruits.) also was investigated from 2012-2013 within all treatments.
Important findings The results showed 1) mean basal diameter of shrubs in the V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia shrublands were increased by 1.69%, 2.78%, 2.51%, 1.80% and 1.38%, 1.37%, 1.59%, 2.05% every year; 2) The height growth rate (the shrub height relative growth rate is defined with the percentage increase of plant height) of shrubs in the V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia shrublands were 8.36%, 8.48%, 9.49%, 9.83% and 2.12%, 2.86%, 2.36%, 2.52% every year, respectively. Thee results indicated that N deposition stimulated growth of shrub layer both in V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia shrublands, but did not reach statistical significance among all nitrogen treatments. The above-ground biomass increment of shrub layer in the V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia shrublands were 0.19, 0.23, 0.14, 0.15 and 0.027, 0.025, 0.032, 0.041 t C·hm^-2·a^-1 respectively, which demonstrated that short-term N addition had no significant effects on the accumulation of C storage of the two shrublands. The litter production of the V. negundo var. heterophylla and S. salicifolia communities in 2013 were 135.7 and 129.6 g·m^-2 under natural conditions, respectively. Nitrogen addition promoted annual production of total litterfall and different components of litterfall to a certain extent, but did not reach statistical significance among all nitrogen treatments. Above results indicated that short-term fertilization, together with extremely low soil moisture content and other related factors, lead to inefficient use of soil available nitrogen and slow response of shrublands to N addition treatments.     

祁连山中段高寒草甸草毡表层发育程度的空间分异及环境影响因子

高寒草甸植被下的草毡表层能够发挥水土保持、水源涵养等生态环境效益,是高寒草甸植被生态功能发挥的核心,认识草毡表层发育程度的空间分异及环境影响因子有利于深入理解高寒草甸在高原生态系统中的作用。本研究以祁连山中段高寒草甸分布区为研究区,依据根系体积并结合草毡层厚度以及土壤容重,将草毡表层划分为弱发育、中等发育以及强发育草毡。分析了不同发育程度草毡的地形、植被、气候等环境特征,并采用支持向量机模型对其分布进行了空间制图。结果表明:祁连山中段发育程度较高的草毡表层趋向于分布在水分条件较好的低海拔、缓坡,低坡位以及北向坡的位置,以嵩草属植物为主,中等以上发育程度的草毡地表植被及水分条件都较好;发育程度较高的草毡表层年均温较高,各发育程度草毡表层降水量差异不显著。空间分布结果整体与现有的高寒草甸植被类型分布具有高度的一致性,但空间分辨率更为详细,并且实现了不同发育程度草毡表层的空间细分。     

不同修复措施对黄河源退化高寒草甸植物群落与土壤养分的影响

为了揭示退化高寒草甸逆向转变的驱动因子，通过野外调查和室内分析相结合的方法探究了黄河源不同修复措施（施有机肥F、免耕补播N、施有机肥+免耕补播FN）处理高寒草甸植物群落特征、土壤理化性质和两者相关性的变化规律，阐明不同修复措施对黄河源退化高寒草甸植物群落与土壤养分的影响。结果表明：免耕补播显著增加草甸物种丰富度指数（P<0.05）；施有机肥+免耕补播显著增加草甸植物盖度、总生物量、Shannon Wiener多样性指数和Pielous均匀度指数（P<0.05）。不同人工修复后草甸植物功能群地上、地下生物量变化趋势基本一致（除豆科）。和对照相比，莎草科，杂类草地上和地下生物量含量在N、FN处理分别降低83.04%、73.86%、30.43%、92.37%和96.51%、84.09%、85.68%、95.36%；禾本科地上和地下生物量含量在F、N和FN处理分别增加7.29%、23.45%、17.93%和6.04%、4.03%、10.52%；豆科地上生物量含量基本保持不变，地下生物量含量在F、N和FN处理分别降低24.43%、82.19%和42.61%。F显著增加土壤有机碳含量（P=0.033）；N显著降低土壤NO₃^--N含量（P=0.009）；FN显著降低土壤pH和增加土壤速效磷含量（P=0.024）；F和FN显著增加土壤含水量（P=0.000），N则显著降低土壤含水量（P=0.000）；F显著降低土壤容重（P=0.018）。相关性分析表明植物Shannon Wiener多样性和Pielous均匀度与土壤速效磷含量呈显著正相关（P=0.037；P=0.033），土壤有机碳和含水量与总生物量呈显著正相关（P=0.027；P=0.032），pH与盖度呈显著负相关（P=0.049）。冗余度分析结果表明土壤有机碳含量和含水量显著影响了植物群落结构特征，解释率分别为30.3%和19.7%。研究结果表明，因地制宜进行退化高寒草甸施有机肥+免耕补播修复措施，能够明显提高草地生产力，改善草甸植物群落及其土壤养分和水分环境。     

气候变暖对高寒阴湿地区春小麦生长发育和产量的影响水

利用甘肃省岷县农业气象观测站1987--2004年的观测资料，探讨了气候变暖对高寒阴湿雨养农业区春小麦生长发育和产量的影响。结果表明：近18年来该地区气候变化呈明显的暖干化趋势，并且变暖的幅度和速率远远大于全国近50年的平均值，春小麦对气候变暖的响应表现在生长期缩短、产量增加；春小麦整个生长过程中，温度升高对各发育阶段的影响不完全一致，各阶段变暖对产量及产量构成要素的影响也存在差异，开花．乳熟期的温度增加和产量的相关性最大，达到极显著水平（P〈0．01）；出苗-拔节期、开花．成熟期的温度增加以及拔节-孕穗期的温度降低，是引起每穗籽粒数增加而不孕小穗率减少，最终导致产量增加的直接原因；春小麦生长期间日平均气温每升高1℃，生长期缩短约9．2d，产量增加约26．2％；预计随着未来气候进一步变暖该地区的春小麦生长发育和产量将会继续受到影响。     

两类植物型沙丘上植物群落的异同及其对沙丘形态的响应

为探究相同环境条件下发育的两类植物型沙丘上植物群落的异同点,以及相异点与沙丘形态的关系,对毛乌素沙地南缘盐碱地上相间分布的抛物线形沙丘和白刺灌丛沙丘分别进行形态学、植物群落学及土壤理化性质的调查分析。结果显示:抛物线形沙丘的水平尺度虽为白刺灌丛沙丘的12-23倍,但两类沙丘上物种数相当,其植物分属12科31属39种和12科30属33种,均以菊科、藜科、禾本科、豆科植物为主(占70%以上),其中共有植物17种,群落相似度0.66;两类沙丘上的群落建群种不同,优势种的重叠度较低,抛物线形沙丘的不同部位共统计到7个植物群丛,可分为沙生植物群落和喜湿耐盐碱群落,白刺灌丛沙丘上均以白刺为建群种,油蒿、冰草、雾冰藜、沙蓬、狗尾草为主要优势种;沙丘形态造成其不同部位风沙活动及土壤水分、PH值和全盐含量的差异是两类沙丘上植物群落相异的重要影响因素。     

小叶锦鸡儿灌丛化对典型草原群落结构与生态系统功能的影响

草原灌丛化是全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题。灌丛化对草原生态系统结构与功能的影响较为复杂, 有待于在更广泛的区域开展研究。该研究在内蒙古锡林郭勒典型草原选择轻度、中度和重度灌丛化草地, 通过群落调查, 结合植物功能性状和土壤理化性质观测, 研究了小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化对草原群落结构(物种多样性、功能多样性和功能群组成)和生态系统功能(初级生产力、植被和土壤养分库)的影响。结果表明: 1)不同程度灌丛化草地的物种丰富度、功能性状多样性和群落加权性状平均值差异显著, 其中, 中度灌丛化草地的物种多样性和功能多样性较高, 表明一定程度的灌丛化有利于生物多样性维持。2)重度灌丛化草地的地上净初级生产力(ANPP)显著高于轻度和中度灌丛化草地, 其原因主要是随着灌丛化程度加剧, 群落内一/二年生草本植物显著增加, 而多年生禾草和多年生杂类草显著减少。三个灌丛化草地的植被叶片和土壤碳、氮库差异均不显著。3)灌丛化对草原生态系统功能包括ANPP、植被和土壤养分库均没有直接的影响, 而是通过影响功能群组成、土壤理化性质和功能多样性, 间接地影响生态系统功能; 灌丛化导致功能群发生替代和土壤旱碱化是最重要的生物和非生物因素。     

高寒草甸地下根系生长动态对积雪变化的响应

2013年11月至2014年8月在青藏高原东缘红原县高寒草甸通过人工堆积的方法,进行了积雪量野外控制试验。以自然降雪的积雪量为对照(CK),设置了S1、S2和S3(积雪量分别为自然对照的2倍、3倍和4倍)3个处理,运用微根窗法追踪研究了积雪量改变后高寒草甸植被根系生长动态,并测定了积雪变化对土壤温度的影响。结果表明:高寒草甸植被根系生长存在明显的季节性变化,随着时间的推移,根系表面积、根尖数量及现存量逐渐增加并在8—9月达到最大值;当冬季积雪量达到143.4mm(S1),对根系生长最为有利(根系表面积、根尖数量、现存量及生产量最大),根系生长旺盛期(净生产速率较高)有所提前和延长,但随着积雪量进一步增加,积雪对根系生长的正效应逐渐降低,根系生长旺盛期逐渐推迟甚至消失;研究还发现,随着积雪量增加,0—10 cm土层土壤温度逐渐降低,相似的变化规律也出现在10—20 cm土层,但在时间上有所延迟;相关性分析表明,在不同土层中,根系生长与土壤温度均呈正相关。因此,积雪变化通过改变土壤温度影响高寒草甸植物根系的生长发育,最终可能会影响高寒草甸生态系统的碳分配与碳循环过程。     

模拟根系分泌物输入对高寒退化草地土壤微生物残体的影响

微生物残体是稳定土壤碳库的重要来源，对退化生境碳的固持和积累具有重要意义。植物根系分泌物作为植物-土壤-微生物"交流"的媒介，是调控土壤微生物残体迁移转化的关键。因此，以极度退化草地土壤为对象，以氨基糖为标志物，模拟研究了不同氮浓度（低氮-LN：0.1 gN/kg；高氮-HN：0.2 gN/kg）和多样性（3种化合物、9种化合物）根系分泌物输入对土壤微生物残体的影响。结果表明：（1）根系分泌物输入可显著增加高寒退化草地土壤微生物残体含量，且主要由真菌残体贡献。其中高氮和低多样性处理增加最明显，微生物残体和真菌残体分别增加了101.14%，125.16%，而低氮和高多样性处理微生物残体和真菌残体仅增加了35.79%，33.51%。（2）根系分泌物的输入可增加土壤β-葡萄糖苷酶、土壤磷酸酶和过氧化物酶活性，促进微生物的生长，而降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，减少微生物残体的分解。（3）回归分析结果显示，土壤微生物残体与土壤环境的C/N呈显著负相关，与微生物生物量C/N呈显著正相关。上述结果表明，在未来退化草地恢复中，可充分利用模拟根系分泌物输入的土壤固碳策略，即通过提高土壤氮的有效性，促进微生物的生长，加快代谢周转，进一步提高微生物残体含量。     

祁连山南麓高寒湿地生态系统呼吸季节、年际动态及影响因素

由于青藏高原高海拔、低温的特殊环境，使得生态系统呼吸(RE)对气候变化的响应极其敏感，然而对高寒湿地生态系统长时间尺度上的RE动态特征及驱动机制的研究相对薄弱。以青藏高原东北部高寒湿地为研究对象，分析了基于涡度相关系统观测的高寒湿地2004—2016年的CO₂通量排放动态及影响机制，对预测高寒湿地碳平衡对未来气候变化的响应具有重要意义。结果表明：高寒湿地在2004—2016年的月平均RE表现为单峰变化趋势，在8月达到峰值；年RE表现为逐年升高的趋势(P<0.05),年RE均值为(608.9±65.6) g C m^-2 a^-1;生长季RE约是非生长季RE的2.7倍，线性回归分析表明生长季RE(r~2=0.66,P=0.001)、非生长季RE(r~2=0.47,P=0.01)与全年RE呈极显著正相关。在月尺度上，分类回归树分析和线性回归分析表明土壤温度是月RE的最主要控制因素，暗示高寒湿地的土壤呼吸对整个生态系统的碳排放至关重要。在年际尺度上，生长季积温与生长季RE呈显著正相关(P<0.05),而生长季降水(PP...     

退化高寒草甸关键生态属性对多途径恢复措施的响应特征

高寒草甸是青藏高原的主体植被类型，但退化态势较为严峻，严重威胁青藏高原生态屏障的战略地位。退化高寒草甸的复健是世界性难题，治理效果也因退化状态、恢复措施及气候环境而异。以春季休牧、秋季休牧、畜群结构优化、减畜轮牧、围栏封育及翻耕改建等典型多途径恢复措施下的退化高寒草甸为对象，系统探讨主要生态要素和生态功能的响应特征及潜在过程。结果表明，典型恢复措施下退化高寒草甸的植被生产力、土壤有机碳密度及土壤饱和持水量等生态要素都得到一定程度的提升，而恢复效果与实施年限及恢复措施密切相关。围栏封育和翻耕改建下土壤有机碳密度及饱和持水量随恢复年限均表现为对数饱和型的响应特征，退化高寒草甸固碳持水功能的基本恢复年限约为6—10年。春季休牧、秋季休牧、畜群结构优化、减畜轮牧、围栏封育等放牧管理恢复措施应适用于轻度退化至重度退化的高寒草甸，而翻耕改建则是极度退化高寒草甸的适宜治理措施。由于多途径恢复措施的关注目标不同，今后研究应集中在恢复措施的组合优化和综合评价等方面。