科尔沁沙地丘间低地樟子松人工林水分利用来源的稳定同位素解析

20世纪50年代以来,樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica在中国北方干旱半干旱地区沙地广泛引种.近年来一些早期引种的樟子松人工林出现了早衰现象.分析生境水分条件变化、判断樟子松采取何种水分利用策略对于认识其早衰现象很有裨益.因此,本研究利用稳定同位素示踪技术,研究了科尔沁沙地东南缘固定沙丘丘间低地30年生樟子松人工林的水分来源及其利用的季节动态,分析了降水和土壤水分变化对樟子松水分利用的影响,阐明了樟子松与伴生植物(黄柳Salix gordeieril)在水分来源方面的异同.结果表明,樟子松及其主要伴生植物黄柳枝条水的稳定18O同位素组成(δ18O)存在明显的季节变化;樟子松的水分来源主要来自20～ 40 cm或更深土层;樟子松和主要伴生植物黄柳之间存在明显的水分竞争,后者比樟子松先行利用最近较强降水(如降水量＞10 mm),从而影响樟子松水源的补给.本研究对于揭示沙地樟子松衰退与水分利用策略的关系具有重要意义.     

科尔沁沙地樟子松人工林不同年龄针叶生理生态性状

 樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)又称蒙古松, 是我国“三北”防护林建设的主要造林树种。人工林建立初期, 在水分、养分匮乏的干旱、半干旱沙地, 樟子松仍表现出较强的适应性; 近年来, 各地樟子松人工林均出现衰退迹象。在沙地这种特殊生境下, 樟子松针叶的光合作用、水分利用效率、氮利用效率等主要性状的研究对于理解樟子松的沙地适应性具有非常重要的意义。该文以位于科尔沁沙地南缘的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所奈曼沙漠化研究站(42°55′ N, 120°43′ E) 30龄樟子松人工林为研究对象, 对不同年龄针叶的光合作用、蒸腾作用、针叶碳氮含量、针叶形态(叶长、宽、厚)等主要生理生态属性进行测定, 计算出针叶的蒸腾系数(K_c)、光合氮利用效率(PNUE), 阐明了这些性状与樟子松叶龄的关系, 进而探讨了叶片性状在樟子松适应沙地生境中的意义。结果表明, 1)不同年龄针叶的光合速率(P_n)、K_c和PNUE存在显著差异, 四龄针叶的P_n、K_c和PNUE显著低于其他龄针叶。氮含量减少是导致P_n差异的根本原因, P_n随着氮含量的减小而降低。2)各龄针叶的长、宽等形态参数及碳含量受其形成前一年的降水量影响显著。3)从水分及养分利用(K_c、PNUE)角度来看, 一至三年生针叶的利用效率更高, 四龄针叶较低。合理的叶龄结构既能增强针叶对氮素的利用又能增大植株的光合叶面积, 有利于提高个体乃至冠层的光合能力。此外, 遇到严重干旱时, 老叶脱落可以增强樟子松个体的适应性。     

氮添加对湿地松林土壤水解酶和氧化酶活性的影响

通过3个水平野外氮添加控制试验(0、40、120 kg N·hm^-2·a^-1),研究氮添加对亚热带湿地松林土壤水解酶和氧化酶活性的影响.结果表明: 氮添加显著抑制了土壤有机质中碳、氮、磷水解酶和氧化酶的活性,导致β-1,4-葡糖苷酶(BG)、纤维素二糖水解酶(CBH)、β-1,4-乙酰基-葡糖胺糖苷酶(NAG)、过氧化物酶(PER)活性下降16.5%～51.1%,并且高水平氮添加对酶活性抑制效果更明显;氮添加导致α-1,4-葡糖苷酶(aG)、β-1,4-木糖苷酶(BX)、酸性磷酸酶(AP)、多酚氧化酶(PPO)活性降低14.5%～38.6%,不同水平氮添加处理间差异不显著.土壤酶活性存在明显的季节性差异,BG、NAG、BX、CBH、AP、PPO活性表现为3月>6月>10月,aG、PER活性表现为10月>3月>6月.多数土壤水解酶和氧化酶与pH呈显著正相关,与NO₃^--N含量呈显著负相关,表明氮添加导致pH降低和土壤中硝化作用增强,抑制了土壤水解酶和氧化酶活性.氮添加不利于亚热带土壤有机质的矿化和周转,并且随着氮添加量的增加,效果更明显.     

内蒙古科尔沁沙地两种沙生植物冷蒿和差不嘎蒿竞争策略的生理生态学依据

研究了中国内蒙古科尔沁沙地两种优势灌木冷蒿(Artemisiafrigida Willd)和差不嘎蒿(Artemisia halodendronTurcz.ex Bess)在不同土壤水分状况条件下的气体交换、水分关系和叶片的化学特性.测定设置了5个土壤水分梯度:土壤最大含水量(体积含水量,30%)、田间持水量(对照,20%)、轻度水分胁迫(10%)、极端干旱(＜4%)和旱后复水(20%).冷蒿的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(TR)和水势(ψw低于差不嘎蒿,相对水分亏缺(RWD)、束缚水含量(BWC)、束缚水与自由水的比值(BWC/FWC)和综合抗旱性指数(DI)高于差不嘎蒿.两种灌木对不同土壤含水量的响应不同,随着土壤含水量的逐渐下降,差不嘎蒿的ψw、BWC和BWC/FWC出现大幅度的波动,波动幅度远远的大于冷蒿,冷蒿则显示了一个较差不嘎蒿高的持水能力和抗旱能力.冷蒿和差不嘎蒿的脯氨酸和总可溶性糖含量随土壤含水量的降低均呈增加的趋势,冷蒿增加的幅度大于差不嘎蒿,说明冷蒿的渗透调节能力在干旱过程中有较大提高.在长期极端干旱条件下,两种灌木的ψw,RWD,BWC和BWC/FWC的终极值相近;有机物、脯氨酸和总可溶性糖含量大量累积;冷蒿的脯氨酸和总可溶性糖含量增加的幅度和可溶性蛋白质降解的幅度远远超过差不嘎蒿;我们认为此时累积的物质主要作为营养物质,以供植物的旱后恢复,此时冷蒿的恢复能力超过差不嘎蒿,这是极端干旱条件下差不嘎蒿死亡而冷蒿存活的主要原因之一.我们的研究结果显示,相对于差不嘎蒿而言,冷蒿在水分胁迫条件下的生理生态学特性更有利于其在固定沙地的生长,差不嘎蒿则由于对水资源微弱的竞争丧失了生存优势,是引起科尔沁沙地植被演替过程中冷蒿替代差不嘎蒿的主要原因.     

蒙古克氏针茅草原生物量围栏封育效应研究

以自由放牧为对照,采用收获法和土芯法研究了围栏禁牧对蒙古国退化克氏针茅草原地上、地下部生长的影响,结果表明:(1)与自由放牧相比,围栏禁牧提高了退化草原地上生物量,以及地带性草原群落优势种克氏针茅的地上生物量比例和重要值,促进了退化克氏针茅的正向恢复演替;(2)围栏禁牧区与自由放牧区草地地下生物量都随土层深度增加而降低、符合指数函数或幂函数减小规律,围栏禁牧区0~10 cm土层的根系生物量占地下生物量比例高于自由放牧区,10~20 cm土层的低于自由放牧区,根系有向上层土壤聚集的趋势,有利于在干旱地区对有限降水的有效利用;(3)围栏1~3 a禁牧区地下部累计生产力显著高于同期自由放牧区。围栏禁牧是蒙古国退化克氏针茅草原改良的一种措施,但其提高地下生产力和生物量的效应也不是无限制的。     

降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响

全球气候变化下降水时间的改变将深刻影响草原生态系统地上净初级生产力(ANPP),而草原生态系统ANPP是区域碳循环的重要过程.利用1998-2007年的SPOT-VEG NDVI数据并结合111个样点的ANPP地面样方调查数据,获得了内蒙古温带草原1998-2007年的ANPP区域数据,依此分析了中国内蒙古温带草原以及区域内的3种植被类型(荒漠草原、典型草原、草甸草原)降水时间对ANPP的影响.研究结果表明,对于整个内蒙古温带草原来说,一个水分年内(从上一年9月份到当年地上生物量达最大值时的8月份)影响ANPP较为重要的降水月份为2-7月份,其中,5-7月份降水尤为重要.具体到每个月降水的影响,研究发现,7月份降水最重要,而仍处于生长季的8月份降水相对于其他生长季降水作用最小;影响不同草地类型最重要的降水时期存在一定差异,对荒漠草原和典型草原地区来说,ANPP达最大值前3个月(5-7月份)的生长季降水最重要,而8月份降水影响较小,而草甸草原地区8月份和非生长季的3、4月份降水最重要,但各个降水时期降水对ANPP的影响都较荒漠草原和典型草原小,大部分地区降水对ANPP的影响不显著.     

内蒙古森林碳汇特征研究进展

内蒙古森林以其面积大、活立木总蓄积高成为全国森林的重要组成部分.本文以文献为基础,分析了近年来内蒙古森林及其组成部分的碳储量、碳密度、固碳速率和潜力.大部分研究以第六次森林清查数据为基础,利用材积与生物量之间的线性关系,得出内蒙古森林碳储量约为920 Tg C,占同期国家森林资源总碳储量的12%,年均增长率约为1.5%,平均碳密度约为43 t·hm^-2.森林碳储量和碳密度呈逐年增加趋势,其中,针阔叶混交林、樟子松林和白桦林固碳能力最高.间伐和皆伐等人类活动使森林碳储量明显降低.已有的碳汇特征研究很少涉及土壤部分,仅有少数研究指出土壤碳密度随林龄的增加而增加.关于森林生态系统固碳潜力的研究不够深入.建议今后在计算内蒙古森林生态系统碳储量时,加入土壤碳储量部分;利用异速生长方程计算碳储量时,将树种器官碳含量设为45%;建立更多优势树种的、包含根系生物量的异速生长方程;加强气候变化与生态系统固碳速率和潜力关系的研究.     

呼伦贝尔草甸草原优势种贝加尔针茅根系组织和地上部分凋落物的分解

 采用凋落物分解袋法, 研究了呼伦贝尔草甸草原主要优势种贝加尔针茅(Stipa baicalensis)根系组织和地上部分凋落物分解的季节动态以及凋落物的放置位置(置于地表和15 cm土壤表层)对分解的影响。结果表明, 置于表层土壤中的根系组织和地上部分凋落物的分解速率比置于地表的快, 但是根系组织在两个放置位置分解的差异不显著。无论置于地表还是置于表层土壤中, 地上部分凋落物的分解均快于根系组织的凋落物分解。在分解过程中, 凋落物碳(C)损失的季节变化模式与重量损
失相似; 而氮(N)变化模式明显不同, 地上部分凋落物表现为释放—累积—释放, 根系则表现为释放—累积, 并且地上部分或者根系在不同放置位置中N含量变化的差异较小。地上部分和根系组织凋落物的初始化学组成的差异可能是导致其分解过程差异显著的主要原因, 其次的原因才是土壤含水量。因此, 该地区未来环境温度、湿度因子的变化将会显著影响贝加尔针茅地上部分凋落物的分解过程, 而对根系组织凋落物的分解作用较小。     

氮添加对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

生态系统碳交换(NEE)是评估碳循环及平衡的重要指标,由生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)共同决定。以往研究表明,N添加能显著促进草地生态系统植物的生长进而提高生态系统的生产力,但N添加如何影响生态系统碳交换的结论仍不明确。同时,对于不同剂量的N添加对生态系统碳交换影响有何差异也不清楚。于2012和2013年在内蒙古草原开展N添加控制实验,设置中等剂量(10 g N m~(-2)a~(-1),N10)和高等剂量(40 g N m~(-2)a~(-1),N40)两个N添加处理,并采用生态系统原位观测箱系统监测不同N处理条件下的NEE动态。结果表明:2年中等剂量N添加处理(N10)下GPP较对照分别增加了15.6%和20%,而ER的变化不显著,该处理下NEE较对照显著降低了230%和337%(即固碳能力增强)。与中等剂量N添加处理结果不同,高等剂量N添加处理下GPP和ER均有不显著的降低趋势,同时,尽管该处理下NEE有升高的趋势(即固碳能力降低),但并不显著。土壤水分改善、土壤温度下降以及叶片N浓度增加可能是中等剂量氮添加促进该生态系统固碳能力的重要机制,而土壤酸化和物种组成改变可能是导致高等剂量N添加下生态系统固碳能力低于中等剂量的重要原因。研究结果表明,不同剂量N添加对生态系统生产力与呼吸的作用机制存在差异,导致生态系统固碳能力有着明显区别。     

不同降水梯度下草地生态系统地表能量交换

通过对不同降水梯度下的蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个草地生态系统的能量通量连续4-5 a的测定,分析了影响青藏高原和蒙古高原草地生态系统生长季中地表能量交换的主要因素。研究表明:相对于KBU、NM和DX,HB高寒灌丛草甸NDVI(0.58)和土壤含水量(28.3%)最大,因而地表短波反射率(αk)最低(0.12),从而获得了最大的净辐射(Rn)。KBU、NM和DX 3个草地生态系统生长季中αk随着植被的生长而降低,在生长季末期,随着植被的凋落而增加;HB的αk季节变化趋势与其它生态系统相反。从蒙古高原(KBU和NM)到青藏高原(HB和DX),随着降水量的增加,波文比(β)逐渐减小(2.25-0.53),即生态系统与大气的能量交换从显热(H)占主导转变为潜热(LE)占主导。植被状况对草地生态系统与大气之间能量交换的季节动态有重要的调控作用,在NDVI较低的时候,4个生态系统H/Rn都大于LE/Rn,LE/Rn随着NDVI的增加而增加,而H/Rn呈现出与LE/Rn相反的季节变化趋势。