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。     

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...     

油蒿资源利用效率在生长季的相对变化及对环境因子的响应

为了探明西北半干旱区典型沙生植物油蒿(Artemisia ordosica)叶水平资源利用效率的相对变化及对环境因子的响应机制, 该研究于2018年5-10月, 使用LI-6400XT便携式光合仪测定了毛乌素沙地油蒿叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(E)、叶表面光合有效辐射(PAR_l)、叶表面温度(T_l)、叶表面相对湿度(RH_l), 在实验室计算叶片单位面积氮含量(N_area), 分析了叶片氮利用效率(NUE)、水分利用效率(WUE)、光利用效率(LUE)与环境因子之间的关系及NUE、WUE、LUE之间的相对变化。研究结果表明, 在充足且稳定光强下油蒿的P_n主要受温度的影响, NUE、WUE与VPD_l、T_l之间具有显著负相关关系, NUE、WUE与LUE间为正相关关系, NUE、WUE和LUE最大值分别发生在5、7和9月, 分别为9.43 μmol CO₂·g^-1·s^-1、3.86 mmol·mol^-1、0.04 mol·mol^-1, 资源利用效率的变化主要受P_n的影响。温度通过影响植物N分配来改变P_n, 进而影响着资源利用效率, WUE与LUE显著正相关, 对构建荒漠区生态系统能量交换过程模型有重要意义。     

利用叶片荧光参数估算油蒿灌丛群落生态系统生产力

生态系统生产力（GEP）在全球碳循环中具有重要意义,但其准确估算仍然是一个挑战。近年来,叶绿素荧光和冠层GEP的关联成为生态学的研究热点,关系尚不清楚且存在广泛争议。于2015年对宁夏盐池毛乌素沙地荒漠灌木油蒿（Artemisia ordosica）灌丛生态系统碳交换（NEE）特征进行连续观测,使用多通道荧光监测仪对通量贡献区内油蒿叶片的实时荧光（F_s）和光下荧光（F_m''）进行原位连续监测,叶面积指数（LAI）、归一化植被指数（NDVI）以及环境因子同步观测。利用光合有效辐射（PAR）、LAI和实际光化学效率（Φ_PSII）等参数构建基于叶绿素荧光的生态系统生产力（GEP_ChlF）模型,探究叶片和冠层尺度不同参数对环境因子波动的响应,比较分析GEP_ChlF和基于涡度相关法监测生态系统生产力（GEP_EC）相关性及GEP_ChlF的适用性。研究发现,Φ_PSII和NEE日变化规律一致,Φ_PSII、GEP_ChlF和GEP_EC由PAR控制,受空气温度（T_a）和饱和水汽压差（VPD）调控,土壤含水量（SWC）和Φ_PSII呈显著正相关（P<0.01）。PAR处于400-800 μmol m^-2 s^-1时,GEP_ChlF与GEP_EC线性关系最优,斜率为0.627（R²=0.67,P<0.01）;弱光下GEP_ChlF的低估可能是由于冠层实际光能拦截率高造成;强光下GEP_ChlF显著高于GEP_EC,呈非线性关系,可能是GEP_EC基于夜间温度敏感性所拟合的生态系统呼吸（R_e）无法预测光呼吸部分所导致。GEP_ChlF具有荧光参数的特性,对环境波动更加敏感,和环境因子相关性优于GEP_EC。结果表明,高辐射、极端温度、高蒸腾和干旱是限制叶片和冠层尺度下油蒿光合过程的主要胁迫因素。本研究构建的荒漠生态系统光合过程模型GEP_ChlF能够替代GEP_EC作为一个良好的冠层尺度生态参数,所提出的空间尺度上推方法可为促进区域可持续发展提供数据支撑和决策参考。     

油蒿叶片资源利用效率变化及其影响因素

植物资源(光、氮、水分)利用效率是反映生态功能适应气候变化的关键指示,然而鲜有研究综合考虑植物资源利用效率间的相对变化及其调控机制。选取宁夏盐池毛乌素沙地优势物种油蒿(Artemisia ordosica)为研究对象,于2017-2019年生长季对油蒿光合生理参数和环境因子进行原位监测,实验室测定叶片比叶面积(SLA)和叶氮含量(LNC),分析叶片光利用效率(LUE)、水分利用效率(WUE)、氮利用效率(NUE)的相对变化特征及其生物和非生物影响因子,探讨油蒿叶片资源利用效率对环境的响应。结果显示:油蒿LUE和NUE的季节变化趋势基本一致,两者呈正相关(R²=0.17;P<0.01),且皆与WUE季节变化不同,无显著关系(P>0.05),WUE波动幅度最高(CV=48%),NUE最低(CV=39%);研究期间LUE、WUE和NUE月均值基本在夏季出现高峰值,分别为0.12 mol/mol,104.02 μmol/mol和11.49 μmol g^-1 s^-1。土壤含水量(SWC)>0.09 m³/m³,叶片资源利用效率不受其影响,而SWC<0.09 m³/m³,WUE和SWC关系为二次函数;SWC调节土壤氮含量(N_soil)和光合有效辐射(PAR)对叶片资源利用效率的影响。叶片资源利用效率与LNC无显著相关性;SLA与LUE显著负相关(P<0.01),与NUE显著正相关(P<0.01),与WUE相关性不显著(P>0.05)。LUE主要受SLA和N_soil影响,NUE主要受SLA和SWC影响,SWC和N_soil还可通过SLA和LNC间接影响LUE和NUE。结果表明水分和土壤氮含量是限制油蒿叶片资源利用效率的主要非生物因子,比叶面积则是调控其资源利用效率的关键生物因子,是深入探究荒漠植物群落对环境响应策略的重要补充。     

植被覆盖度和物候变化对典型黑沙蒿灌丛生态系统总初级生产力的影响

气候变化和人类活动是植被生产力年际尺度变化的重要驱动因素, 明晰二者对植被生产力的共同影响对于生态系统可持续管理至关重要。气候变化可能导致植被物候变化, 进而影响植被生产力。目前尚不清楚毛乌素沙地典型植被物候如何响应气候变化, 并因此影响生态系统总初级生产力(GPP)。此外, 植被恢复(覆盖度增加)和物候变化对GPP的共同影响有待明确。该研究选取典型黑沙蒿(Artemisia ordosica)灌丛生态系统, 结合MODIS遥感数据与涡度相关数据, 利用植被光合模型(VPM), 模拟并分析了2005-2018年间植被覆盖度和物候变化对GPP的影响。结果表明: (1) VPM模型能够较好地模拟涡度相关法观测的GPP动态(GPP_Flux), 而MODIS遥感产品(MOD17A2H)则显著低估GPP_Flux; (2)研究期内年均归一化差异植被指数(NDVI)、最大NDVI (NDVI_max)和年总GPP均显著增加, 表明植被恢复促进了植被生产力增加; (3)基于NDVI和GPP日序列估算的生长季开始日期显著提前(2.1 d·a^-1), 生长季结束日期显著推迟(1.5 d·a^-1), 二者共同促使生长季长度延长(3.6 d·a^-1); (4)物候期延长促进了GPP增加, 生长季长度每延长1天, 全年GPP显著增加6.44 g C·m^-2·a^-1; (5)植被覆盖度增加和生长季延长分别可以解释79%和57%的GPP增加; (6)尽管植被覆盖度和物候变化均促进GPP增加, 但前者是其增加的主要驱动因素。鉴于植被覆盖度增加和生长季延长也可能导致生态系统呼吸和蒸散发增加, 未来研究仍需探究生态系统碳汇能力、水分利用效率和水分承载力对气候变化和人类活动的响应。此外, 该研究主要探讨GPP在年际尺度的变化趋势及影响因素, 未来需要研究GPP的年际变异规律及驱动因素, 尤其是对降水年际变异和极端干旱事件的响应。     

北京松山天然落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其影响因子

森林生态系统在陆地碳循环过程中发挥着重要作用,关于温带落叶阔叶林生态系统碳平衡过程影响机制的讨论尚未统一。本研究于2019年对北京松山典型落叶阔叶林生态系统的净碳交换量(NEE)及空气温度(T_a)、土壤温度(T_s)、光合有效辐射(PAR)、饱和水气压差(VPD)、土壤含水量(SWC)、降雨量(P)等环境因子进行原位连续监测,分析松山落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其对环境因子的响应。结果表明: 在日尺度上,NEE生长季(5—10月)各月平均日变化均呈“U”字形变化,日间为碳汇,夜间为碳源。其他月份NEE均为正值,变化平缓,表现为碳源。在季节尺度上,NEE呈单峰曲线变化规律,全年NEE为-111 g C·m^-2·a^-1,生态系统呼吸总量(R_e)为555 g C·m^-2·a^-1,总生态系统生产力(GEP)为666 g C·m^-2·a^-1。碳吸收与释放量分别在6月与11月达到最大值。PAR是影响日间净碳交换量(NEE_d)的主导因子,二者关系符合Michaelis-Menten模型,VPD是间接影响NEE_d的主导因子,最适宜日间净碳交换的VPD范围为1～1.5 kPa。土壤温度是影响夜间净碳交换量(NEE_n)的主导因子,SWC是NEE_n的限制因子,SWC过高或过低均会对NEE_n产生抑制,最适值为0.28 m³·m^-3。