退化高寒草原土壤有机碳时空变化及其与土壤物理性质的关系

利用网格采样法研究了藏北退化高寒草原土壤有机碳变化及与土壤物理性质的关系.结果表明：0～10和11～20 cm土层有机碳含量、有机碳密度及其土层差异均为：轻度退化草地＞正常草地＞中度退化草地＞严重退化草地;有机碳含量、有机碳密度年变化速率则呈相反趋势,且表层土壤有机碳变幅均明显高于其下层土壤.正常草地、轻度退化草地0～10 cm土层有机碳年累积量为0.018和0.003 g·kg.^-1,分别为11～20 cm土层年累积量的6.0和2.0倍;中度、严重退化草地0～10 cm土层年损失量达0.150和0.231 g·kg^-1,分别为11～20 cm土层年损失量的2.3和2.2倍.中度、严重退化草地有机碳年损失总量为正常草地和轻度退化草地年累积总量的38倍,有机碳年损失总量达7.87×10⁵ t C,且具有较大的潜在退化态势.土壤有机碳与5.0～1.0、1.0～0.5和0.5～0.25 mm团聚体含量,土壤有机碳与土壤容重、土壤含水量间均呈极显著或显著正相关.     

高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化

高寒草原对高寒生态系统的稳定具有重大意义。为探明高寒草原土壤有机碳（SOC）、土壤活性有机碳（ASOC）变化,以及草地退化对土壤碳库稳定性的影响,对藏北高原正常、轻度和严重退化高寒草原表层（0-10 cm）、亚表层（10-20 cm）土壤进行了初步研究。结果表明：（1）轻度、严重退化草地各土层SOC、ASOC均呈不同程度的下降。其中,退化草地SOC的降幅均以表层最大,且各土层降幅均随草地退化加剧而下降;退化草地ASOC的降幅则均以亚表层最大,但各土层ASOC的降幅随草地退化加剧而提高。（2）正常草地、轻度和严重退化草地表层ASOC比率分别为16.8%、21.3%、16.6%,亚表层分别为21.8%、18.1%和16.0%;土壤碳库活度与ASOC比率的变化趋势完全一致。因此,轻度退化草地SOC的不稳定性主要体现在表层土壤。（3）退化草地表层、亚表层碳库管理指数（CMI）均呈显著下降,但表层降幅相对较低;与严重退化草地比,轻度退化草地不同土层CMI明显提高。（4）高寒草原环境中,正常草地、轻度和严重退化草地各土层SOC、ASOC间则均呈一定程度的负相关,表明土壤微生物对SOC、ASOC的影响和作用可能不同。     

藏北高寒草原针茅属植物AM真菌的物种多样性

基于AMF孢子形态学鉴定,对藏北高寒草原4种针茅菌根际土壤进行了研究,结果表明:(1)高原寒、旱环境下,Glomus属真菌在不同针茅菌根际AM真菌种群构成中的地位和作用非常突出,其孢子密度、种数、相对多度和重要值均显著(P≤0.05)大于Acaulospora、Scutellospora属。(2)针茅属植物种类对AM真菌物种多样性具有重要影响,广布种沙生针茅Shannon-Weiner指数、物种均匀度指数相对最高(分别为1.79和0.72),其次分别为羽柱针茅、紫花针茅和昆仑针茅;青藏高原特有针茅属植物菌根际AMF的繁殖能力相对较强,羽柱针茅、紫花针茅、昆仑针茅孢子密度分别较沙生针茅提高57.8%、48.7%\,62.4%。(3)不同针茅菌根际土壤中,同种AM真菌(共有种)和优势种(F>50%)较多、优势种种类差异很大的种群分布特征,体现了AM真菌种群构成的复杂性,以及AMF对高原寒旱环境的高度适应性、协同性。(4)不同针茅菌根际AMF优势种相对多度高达78.2%-92.4%(平均为85.7%),对AM真菌的群落构成具有重要作用。其中,G. claroideum孢子密度即占4类针茅AM真菌优势种的50.2%-71.9%。     

丛枝菌根真菌群落沿高寒草原海拔梯度的变化特征

基于丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)真菌孢子形态学的鉴定,对沿不同海拔(4584、4628、4744、4880、4956 m)梯度采集的高寒草原建群植物根际土壤样品进行了分析。结果表明,高寒草原AM真菌属、种构成均较简单,Acaulospora、Claroideoglomus、Funneliformis、Glomus属见于各海拔梯度,海拔4744 m地带未见Pacispora属,海拔4744、4956 m地带无Scutellospora属分布,Rhizophagus属仅见于海拔4584 m地带。随海拔上升,AM真菌种数、物种丰度均呈显著下降;海拔4584—4880 m范围Shannon-Weiner指数(H)无显著差异,但在最高海拔时显著下降;优势种种数及所占比例与海拔梯度则呈显著正相关(Funneliformis geosporum、Claroideoglomus claroideum为不同海拔梯度优势种);沿海拔梯度,孢子密度基本呈单峰分布格局,峰值出现在海拔4744 m地带;海拔梯度对菌根侵染效应影响显著,菌根侵染率、侵染强度和丛枝丰度随海拔上升均呈显著下降趋势;不同海拔梯度高寒草原AM真菌群落相似度(Sorensen相似性系数0.821—0.969)较高,并在总体上表现出随海拔梯度增大而降低的趋势。土壤pH值、有效磷、有机碳、海拔对AM真菌的群落分布均产生显著影响,尤以海拔的影响最为显著。研究结果对预测高寒草原微生物的作用与影响,以及高寒草原环境对全球变化的响应等提供了理论依据。     

藏北高原地表覆盖时空动态及其对气候变化的响应

利用2001—2008年逐年的MODIS地表覆盖类型产品,根据藏北高原地表覆被特征对原始数据进行合并处理,得到每年藏北高原地表覆盖类型图;运用分类统计、动态转移矩阵、景观格局指数方法分析藏北高原地表覆盖类型的变化,并结合研究区内气象台站观测数据分析地表覆盖类型转化对气候变化的响应特征.结果表明:研究期间,由于气候变暖速率的加快,研究区冰川雪被消融加速,冰川面积迅速萎缩,融化的雪水汇集到高原湖盆,使湖面水位上升,湖泊面积增加,部分被淹没的草地形成湿地;植被覆盖状况没有表现出明显的变好或退化趋势,2001—2004年为气候暖湿化阶段,荒漠裸地减少、稀疏草地和草地覆盖面积增加,2006—2007年为气候暖干化阶段,荒漠面积增加、稀疏草地面积减小;2001—2008年,藏北高原景观破碎度减小,地表覆盖异质性降低,且各类型所占比例的差异有所加大.     

不同退化程度高寒草原土壤肥力变化特征

就藏北退化高寒草原土壤肥力的变化等进行了研究.结果表明: (1)高寒草原土壤物理性质的变化对土壤化学、生物学性质具有重要的调控作用,土壤生物学性质对土壤肥力的演变则具有关键影响.(2)随草地退化程度的提高,2～10 cm土层土壤容重均呈不同程度的下降,土壤孔度、土壤含水量则分呈显著的增、减趋势,但草地退化对土壤含水量的影响更为显著;高寒草原土壤中,＞0.25 mm的水稳性团粒与土壤含水量呈极显著正相关,有机质对改善土壤结构、提高土壤含水量则具有极为显著的促进作用.(3)轻度退化草地土壤有机质、腐殖质与土壤全氮、磷、钾含量均呈不同程度的提高,中度、严重退化草地则呈相反趋势;土壤有效氮、磷、钾含量在总体上随草地退化的加剧而呈下降趋势;腐殖质碳占有机碳比重、HA-C占腐殖质碳比重、HA/FA则均随草地退化的加剧而呈明显上升;(4)不同程度退化草地2～10 cm土层微生物(细菌、真菌、放线菌)数量、微生物生物量(碳、氮)、土壤酶(纤维素酶、脲酶、碱性磷酸酶)活性等在总体上与有机质的变化趋势相一致;BC/BN与TC/TN间呈极显著正相关(r=0.937 0* *,p≤0.01),轻度、中度退化草地BC/TC、BN/TN均呈明显上升,仅严重退化草地呈下降趋势.5)高寒草原微生物量、土壤酶活性与土壤有机质、全氮、有效氮、有效钾含量间均呈极显著或显著正相关,与有效磷则均呈不同程度的负相关.     

藏北高山嵩草草甸群落特征及生产力对模拟增温幅度的响应

青藏高原气候严酷,陆地表层生态系统脆弱,其高寒植物群落特征及生态系统生产力对气候变化的响应极其敏感。利用开顶箱(OTCs,Open Top Chambers)式装置在藏北高山嵩草(Kobresia pygmaea)草甸设置不同增温梯度实验(W1、W2、W3、W4),探究增温对高寒草甸植物群落特征及地上生产力的影响。研究结果表明:1)与对照样地相比,增温减少了植物群落总盖度(2015年,W1、W2、W3、W4分别显著减少了28%、23%、59%、60%; 2016年,W4显著减少了83%)和高山嵩草盖度(2015年,W1、W2、W3、W4分别显著减少了26%、33%、681%、64%; 2016年,W4显著减少了85%),而低幅度增温(W1、W2)对委陵菜属植物盖度无显著影响,高幅度增温(W3、W4)显著减少了委陵菜属植物盖度(2015年,W3、W4分别显著减少了58%和60%;2016年,W4显著减少了71%); 2)对整个植物群落而言,增温幅度较低时,增温对群落的生长和生物量的积累有促进作用,当温度升高超过一定程度,这种促进作用会逐渐减弱甚至变成抑制作用(2015年,W4显著减少了地上生物量69%; 2016年,W4显著减少了地上生物量82%); 3)高山嵩草盖度和其他物种总盖度存在显著的年际差异,而委陵菜属植物盖度无明显的年际变化。研究结果预示着,一定程度的升温会促进高寒草甸植物群落的生长,但温度升高超过一定幅度时,会导致草地生产力下降,草地退化加剧,同时当地群落中委陵菜属植物在全球变化背景下相对稳定,这类物种在未来气候变暖的背景下可能具有更强的竞争力。     

基于MODIS植被指数的藏北高原植被物候空间分布特征

基于非对称高斯拟合算法重建了2001-2010年的MODIS EVI时间序列影像,利用动态阈值法提取2001-2010年各年藏北高原植被覆盖的关键物候参数(生长季峰值、返青期、枯黄期及生长季长度),并在此基础上分析了藏北高原植被覆盖的物候参数空间分布特征.结果表明:植被生长季EVImax、物候返青期及生长季长度均表现出从东南到西北过渡的水平地带性与东南高山峡谷区的垂直地带性相结合的空间格局;对于不同地表覆盖类型,EVImax、返青期、生长季长度均呈现农林混合区＞林灌区＞草甸＞草原＞荒漠草原的特征,枯黄期除农林混合区较迟外,其他4种地表覆盖类型时间接近;对于不同气候区划,植被生长季EVImax、返青期、生长季长度表现出半湿润区→半干旱区→干旱区的递变规律;研究区内植被物候受地形影响较大,随着海拔的升高,植被生长季EVImax降低、物候返青期推迟、生长季长度减小.     

藏北高原草地群落的数量分类与排序

采用TWINSPAN数量分类和DCA、CCA排序的方法,对藏北高原草地29个样点进行统计分析。结果显示:(1)TWINSPAN数量分类将藏北高寒草地群落划分成10种类型。(2)样点DCA排序第一轴基本反映了水分环境梯度,第二轴基本反映了热量梯度。(3)TWINSPAN分类所划分的各群落在DCA排序图上都有各自的分布范围和界限,说明DCA排序能较好的反应各优势群落与其环境资源之间的关系。(4)样点CCA排序表明,影响群落分布的首要环境因子是水分因子(年均降水量)和空间因子(经度),其次是热量因子(年均温度),CCA排序进一步阐明了群落分布决定于水分和温度等环境因子,并间接验证了TWINSPAN的分类结果。(5)物种CCA排序和TWINSPAN分类结果表明:植物群落中物种的分布格局与植物群落类型的分布格局存在一定的相似性。     

不同幅度的实验增温对藏北高寒草甸净生态系统碳交换的影响

全球气候变暖将对陆地生态系统(尤其是高寒草甸生态系统)碳循环产生深远影响。该研究依托中国科学院地理科学与资源研究所藏北高原草地生态系统研究站(那曲站), 设置不同增温幅度实验, 模拟未来2 ℃增温和4 ℃增温的情景, 探究不同增温幅度对青藏高原高寒草甸净生态系统碳交换(NEE)的影响。研究结果显示: 1)在2015年生长季(6-9月), 不增温和2 ℃增温处理下NEE小于0, 总体表现为碳汇, 而4 ℃增温处理下NEE大于0, 总体表现为碳源; 2)在生长季的6月、8月及整个生长季, 与不增温相比, 4 ℃增温处理显著提高了NEE, 而2 ℃增温处理没有显著改变NEE; 7月, 2 ℃和4 ℃增温处理均显著提高了NEE; 3)在半干旱的高寒草甸生态系统, 土壤水分是决定NEE的关键因素, 增温通过降低土壤水分而导致高寒草甸生态系统碳汇能力下降。该研究可为青藏高原高寒草甸生态系统应对未来气候变化提供基础数据和理论依据。