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...     

降水量变化对藏北高寒草地养分限制的影响

生态系统净初级生产养分限制的模式是现代生态学关注的重要问题。养分的可利用性是草原生态系统生产力动态变化的关键决定因素, 但土壤养分可利用性与整个生态系统中养分限制之间的关系尚不清楚。该研究通过在藏北降水梯度上4种类型高寒草地(从东到西依次是高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠草原)设置氮磷养分添加试验, 系统研究氮磷养分添加对不同类型高寒草地的影响, 并探讨降水梯度上高寒草地的氮磷限制模式。结果表明: (1)氮磷添加对不同高寒草地的影响存在差异: 氮添加显著提高了高寒草甸和高寒草甸草原地上生产力, 而对高寒草原和高寒荒漠草原无影响; 单独磷添加对4种高寒草地均无显著影响, 而氮磷添加对4种高寒草地地上生产力均有促进作用。(2)通过计算氮磷共同限制指数发现: 随着降水量减少, 高寒草地氮限制指数从1.18逐渐降低到0.52-0.64, 养分限制模式从氮限制过渡到氮磷共同限制; 磷限制指数在高寒草甸草原和高寒草原为负值, 说明单独磷添加对高寒草甸的生产力有负向作用, 高寒草甸主要受氮限制; 高寒草甸草原介于氮限制与氮磷限制之间, 受到氮磷共同限制, 单独磷添加有负向作用; 高寒荒漠草原受到氮磷共同限制。研究表明, 高寒草地氮磷限制模式存在环境梯度上的递变规律, 随着降水量减少, 高寒草地养分限制模式从氮限制逐渐过渡到氮磷共同限制。由此推断, 未来气候变化条件下氮沉降增加对不同类型高寒草地的影响可能存在差异。同时, 利用养分添加恢复不同类型退化高寒草地时也应将氮磷限制模式的差异考虑进去。     

藏北高寒草甸群落结构与物种组成对增温与施氮的响应

气候变暖和氮沉降增加作为全球环境问题,将严重影响陆地生态系统的结构与功能.研究发现,近几十年来青藏高原增温显著,其中冬季升温最明显.而已有的研究更多关注全年增温,对冬季增温研究较少.本文基于高寒草甸地区增温和氮素添加影响研究的不足,在青藏高原高寒草甸区开展模拟增温和氮添加试验,研究长期增温与氮添加对高寒草甸群落结构与物种组成的影响.试验布设于2010年7月,地点在西藏当雄高寒草甸区,共有3种增温方式:对照、全年增温、冬季增温;每种增温处理下设置5个氮素添加梯度:0、10、20、40、80 kg N·hm^-2·a^-1,系统研究气候变暖与氮添加对高寒草甸生态系统群落结构与物种组成的影响.结果表明: 2012—2014年,增温与施氮处理均显著影响群落总盖度:全年增温处理降低了群落总盖度;在不施氮处理下,冬季增温降低了群落盖度,但在施氮处理下,随着氮剂量的提高群落盖度逐渐升高.增温与施氮对不同功能群植物的影响不同,增温处理降低了禾草与莎草植物盖度,而施氮提高了禾草植物盖度.相关分析表明,植被群落总盖度与生长旺盛期土壤含水量呈正相关关系,推测在降雨较少的季节增温导致的土壤含水量降低是群落盖度降低的主要原因.半干旱区高寒草甸土壤水分主要受降雨的调控,未来气候变化情景下,降雨时空格局的改变会显著影响植被群落盖度及组成,且大气氮沉降的增加对植被群落的影响也依赖于降雨条件的变化.     

2000—2015年青藏高原草地归一化植被指数对降水变化的响应

降水变化是造成青藏高原草地植被生长年际变异的重要因素,降水量、分配方式及发生时间是降水变化的重要特征.利用2000—2015年青藏高原及附近区域145个气象站点的降水资料,以年降水量表征降水整体状况,以改进的降水集度(PCI)表征年内降水的分配状况,以定义的降水重心(PC)表征降水的集中时期,分析青藏高原降水变化的时空特征;并进一步以归一化植被指数最大值(NDVI_max)表征植被生长状况,探讨了青藏高原草地对降水年际变化的响应.结果表明: 青藏高原年降水量和PCI存在明显的梯度特征,PC在西藏南部形成中心.青藏高原灌丛草地NDVI_max年际变化对PCI变化响应敏感,降水越均匀越有利于NDVI_max的增加,但受到降水量的限制;高寒草甸对降水特征没有表现出显著的相关关系;草原植被NDVI_max的年际变化同时受PCI和PC的控制;高寒荒漠植被NDVI_max的年际变化主要受降水量的控制.在研究降水变化对青藏高原不同类型植被的影响时,除降水量之外,还需进一步考虑降水的分配格局等特征.     

氮磷配施对藏北退化高寒草甸群落结构和生产力的影响

Fertilization is an effective management measure for recovery of degraded grasslands. To better understand the effects of fertilization on community structure and productivity of lightly and severely degraded alpine meadows, we conducted a fertilization experiment in northern Tibet since 2008. The treatments were addition of nitrogen (N) alone (50 kg N·hm^-2·a^-1, LN; 100 kg N·hm^-2·a^-1, HN) or addition of both phosphorus (P) and N (50 kg N·hm^-2·a^-1+50 kg P·hm^-2·a^-1, LN+P; 100 kg N·hm^-2·a^-1+50 kg P·hm^-2·a ^-1, HN+P) in each of the two types of degraded alpine meadows. N addition alone significantly affected plant community co-verage or productivity in neither the slightly nor the severely degraded alpine meadow, while addition of both N and P significantly increased plant community coverage, aboveground and belowground biomass of the alpine meadows. This suggested that productivity of this alpine meadow is co-limited by N and P. HN and HN+P significantly decreased species richness and evenness in the lightly degraded grassland, indicating that HN was not beneficial for the lightly degraded grassland to maintain species diversity and community stability. N addition significantly reduced the root to shoot ratio in the severely degraded meadow. In the lightly degraded meadow, N addition alone, especially with a high amount (HN), enhanced the importance values (IV) and biomass of grasses, while fertilization with both N and P increased those of sedges. In the severely degraded meadow, fertilization had little effect on IV of grasses or sedges, but improved biomass of forbs. The results suggested that LN+P could be employed in recovery of lightly degraded alpine meadows, but other management measures such as fencing and reseeding may be needed for recovery of severely degraded alpine meadows.     

陕南寒武系底部宽川铺组微体化石人工智能识别

我国陕南寒武纪初期的宽川铺组(距今大约535百万年)以盛产磷酸盐化的微体小壳化石和球状动物胚胎化石而闻名于世,是探索早期动物门类起源和寒武纪生命大爆发研究中的一个非常重要的窗口。在宽川铺组中寻找微体化石新类型主要依赖显微镜下人工挑选的传统方法日趋低效,迫切需要新的技术手段来解决这些问题。而微体化石数量庞大,大小接近,形态简单,非常适合于采用机器学习的手段进行人工智能分类。我们在宽川铺组微体化石中尝试使用机器学习的手段来进行化石图像识别和机器分拣。采用方向梯度直方图来提取化石图像的主要向量特征,并设计了二叉树型多分类识别器进行化石数字分类。目前处理了5 000多张微体化石照片的人工智能识别,已经取得了较高的准确率。     

降水变化对藏北高寒草原化草甸降水利用效率及地上生产力的影响

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同期遥感EVI植被指数建立线性模型,反演了2000-2016年地上净初级生产力(ANPP),结合同时期气象数据,以生长季降水量(GSP)表征降水总体状况,改进的降水集度指标(PCI)表征生长季降水分配,降水重心(PC)表征降水集中时间,并结合生长季均温(GST),利用结构方程分析了气候因子对当雄草地降水利用效率和地上生产力的影响.结果表明: 当雄草地ANPP主要受生长季降水影响,GSP与ANPP呈显著正相关,而GST与PUE、ANPP无显著相关关系;PCI与PUE呈显著正相关,表明降水集中分布有利于PUE增加;PCI与ANPP相关的间接系数大于直接系数,表明PCI通过PUE影响ANPP;降水集中时间(PC)变化则对PUE和ANPP没有显著影响.在青藏高原显著的气候变暖背景下,降水量和降水集度的变化都将会对藏北高寒草地的地上生产力产生重要影响.     

青藏高原三江源区人工草地能量平衡的变化特征

为揭示建植人工草地对青藏高原三江源区能量平衡的影响,利用涡度相关和微气象系统的观测数据定量分析了该区域人工草地能量收支及其各分量的变化特征。结果表明:太阳总辐射(R_s)和净辐射(R_n)的日最高值分别为33.6和19.1 MJ m~(-2)d~(-1),年累计值分别为6789.4和2773.3 MJ/m~2;全年R_n与R_s的比值(R_n/R_s)为0.41,但生长季的R_n/R_s(0.54)明显高于年均值;显热(H)与潜热(LE)通量呈明显的季节变化,H最低值出现在12月,之后随R_s的增强而增加,但进入生长季后呈下降趋势,7月中旬出现次低值;而LE在冬季维持较低值,3月以后迅速增加,最高值出现在生长旺季的7月。在能量分配上,可利用能量主要消耗于LE和H,年均LE/R_n,H/R_n,G/R_n分别为0.46,0.45和-0.13。但能量分配的季节变化差异明显,波文比(β=H/LE)在冬季、春季、夏季和秋季的平均值分别为3.33、0.68、0.42和1.29。受植被叶面积指数(LAI)等生物因素以及土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)等环境因素的共同影响,冠层导度(g_c)和解耦系数(Ω)的年最大值均出现在夏季,其平均值分别为16.22mm/s和0.70,表明在植被生长盛期LE仍受R_n的控制,其它季节Ω均值低于0.5,说明LE更多的是受VPD调控。本研究说明,虽然三江源区接收的太阳总辐射较强,但R_n/R_s相对较低,生态系统能量平衡中各分项的变化主要受植被、土壤含水量以及净辐射的控制,在退化草地恢复过程中,由于建植人工草地增加了植被覆盖度,进而改变了能量收支过程及能量平衡各分项。     

以绢蝶为代表的甘肃南部蝶类多样性

在甘肃南部地区的蝶类调查中,共记录到蝴蝶339种,分属于12科,157属,区系组成以广布种为主,占总种数的56.6%;古北种次之,占26.9%;东洋种最少,占16.5%;共采集到绢蝶15种,占分布于中国绢蝶总种数41种的36.6%。样线调查结果显示绢蝶在甘肃南部地区有比较明显的垂直性分布,高山亚冰雪稀疏植被带、亚高山灌丛草甸带、山地森林草原带及山地草原带均有绢蝶分布。各生境中绢蝶多样性与蝶类群落多样性进行比对得出变化趋势不一致,随着海拔升高,绢蝶物种丰富度S及Shannon-Wiener多样性指数呈逐渐上升趋势,而蝶类群落物种丰富度S及Shannon-Wiener多样性指数总体呈下降趋势。绢蝶是高原地区的特有珍稀物种,君主绢蝶(P.imperator)、依帕绢蝶(P.epaphus)、小红珠绢蝶(P.nomion)等3种绢蝶为甘肃南部地区常见种,元首绢蝶(P.cephalus)等8种绢蝶为甘肃南部地区偶见种,数量极少,其种群及生存状态需予以关注。     

采用复合诱变方法选育高产β-半乳糖苷酶菌株

目的:研究复合诱变方法选育高产β-半乳糖苷酶菌株.方法:以马克斯克鲁维酵母为出发菌株,经过紫外线诱变及硫酸二乙酯、亚硝基胍复合诱变,从大量突变株中进行筛选.结果:成功地选育出一株高产、稳定的菌株15D,其产酶活力由出发菌的124.5U/mg提高到172.4U/mg,酶活力提高了约1.4倍.结论:该方法选育β-半乳糖苷酶菌株是有效的.