不同土壤水分含量下高寒草地CH4释放的比较研究

2003年6月30日～9月4日,利用密闭箱-气相色谱法,对发育于不同水分状况下的灌丛草甸(GC)、矮嵩草草甸(AC)、藏嵩草草甸(ZC)和季节性湿地(SD)的CH4释放速率进行了比较研究.结果表明,观测期间,季节性湿地处于淹水状态,其它三种土壤平均水分含量分别为39.6%(GC)、38.4%(AC)、65.9%(ZC),而CH4平均释放速率分别为-0.031±0.030(GC)、-0.026±0.018(AC)、1.103±0.240(ZC)和6.922±4.598 mg·m-2·h-1(SD),随着土壤水分含量的增加,高寒草地土壤CH4释放由吸收转为排放,表现出与土壤湿度很好的一致性.矮嵩草草甸不同处理CH4吸收强度AC＜AJ＜AL,它们之间的差异除与土壤水分有关,还可能与处理引起的CH4传输途径不同有关.实验期间,矮嵩草草甸和灌丛草甸土壤-植物系统分别吸收CH438.69和46.13 mg·m-2,是大气温室气体CH4的弱汇,藏嵩草草甸和季节性湿地则是大气温室气体CH4的源,分别排放CH4 1.641和10.30 g·m-2.     

基于机器学习估算青藏高原多年冻土区草地净初级生产力

净初级生产力(NPP)的估算还存在很大的不确定性。本文利用机器学习算法(RF和RBF-ANN)估算了2002—2018年青藏高原多年冻土区草地NPP,分析了青藏高原多年冻土区草地NPP的时空格局、变化特征及其对气候因子的响应。结果表明:(1)机器学习估算结果可靠,简单易行。(2)青藏高原多年冻土区草地NPP表现为东南向西北逐渐递减的趋势;NPP总量为175.39 Tg C·a^-1,单位面积均值为164.10 g C·m^-2·a^-1,呈波动上升的趋势。(3)青藏高原多年冻土区草地NPP增加的面积占20.49%;各草地类型的NPP增长幅度不一致表现为高寒沼泽草甸>高寒草甸>高寒草原>高寒荒漠草原。(4)温度是青藏高原多年冻土区草地NPP变化的主导因子,降水的影响沿东南向西北逐渐减弱。     

增氮对青藏高原东缘高寒草甸土壤甲烷吸收的早期影响

研究大气氮沉降对青藏高原高寒草甸土壤CH4吸收的影响,对于揭示氮素调节土壤CH4吸收的机制和评价氮沉降增加背景下大气CH4收支平衡至关重要.通过构建多形态、低剂量的增氮控制试验,测定土壤CH4净交换通量和相关土壤理化性质,分析高寒草甸土壤CH4通量变化特征及其主要驱动因子.研究结果表明:自然状态下高寒草甸土壤是大气CH4汇,CH4平均吸收量为(35.40±1.92) μg· m-2· h-1.土壤CH4吸收主要受水分驱动,其次为土壤NH4+-N和NO3-N含量.NH4+-N抑制CH4吸收,NO3--N促进CH4吸收;不同剂量氮素输入对土壤CH4吸收影响也不尽相同,低氮处理促进土壤CH4吸收,而中氮和高氮处理抑制土壤CH4吸收.结果显示青藏高原高寒草甸土壤是重要的大气CH4汇,在未来大气氮沉降加倍的情景下CH4汇功能增强,但当氮沉降量增加两倍以上时CH4汇功能将会减弱.     

青藏高原高寒草甸非生长季温室气体排放特征及其年度贡献

高寒草甸是青藏高原地区的主要植被类型,目前对其温室气体研究多集中于生长季.本文利用静态箱-气相色谱法,对非生长季高寒草甸温室气体排放特征及其与主要环境因子的关系进行了研究.结果表明:非生长季高寒草甸表现为CO2和N2O的源、CH4的汇.其中非生长季CO2通量平均值为89.33 mg·m-2·h-1,累积排放通量为280.01g· m-2;CH4通量平均值为-11.35 μg·m-2·h-1,累积吸收通量为124.74 mg·m-2;N2O通量平均值为8.02 μg·m-2·h-1,累积排放通量为39.51 mg·m-2.非生长季CO2、CH4和N2O累积排放通量分别占全年的13.33％、53.47％和62.67％.冻融期(2012年4月)CH4累积吸收通量较小,只占非生长季的4.5％;而CO2和N2O累积排放通量较大,分别占非生长季的25.8％和20.8％.非生长季CO2通量与温度(气温、5和10 cm土壤温度)和5 cm土壤湿度均存在显著正相关关系,而CH4和N2O通量仅与5 cm土壤湿度存在显著正相关.研究表明,虽然冻融期CH4累积吸收通量在非生长季累积量中比重较小,但非生长季CH4和N2O累积排放量却占全年累积排放量的1/2以上,在温室气体累积通量评估中不容忽视.     

青藏高原多年冻土区积雪对沼泽、草甸浅层土壤水热过程的影响

有无积雪覆盖下浅层土壤水热过程是青藏高原多年冻土区水能循环中的一个重要不确定因素.为了研究积雪覆盖对高寒沼泽、草甸浅层土壤水热过程的影响,在青藏高原多年冻土区选择了典型的有无积雪覆盖的沼泽、草甸建立观测场,观测浅层土壤的温度和水分状况.通过分别研究积雪对高寒沼泽、草甸浅层土壤温度和水分的影响,结果表明:高寒沼泽、草甸在有积雪覆盖下浅层土壤开始冻结和消融的时间都有所滞后,且冻结持续时间相应有所增加.由于积雪覆盖,浅层土壤温度变化速率略有减小而水分变化速率略有增加,积雪起到了抑制土壤温度变化速率和促进土壤水分变化速率的作用.积雪覆盖对秋季冻结过程和夏季融化过程浅层土壤的温度和水分的影响明显大于冬季冻结降温过程和春季升温过程,且对融化过程的影响较冻结过程明显.通过对比分析有无雪盖沼泽和草甸土壤,说明积雪的覆盖对沼泽土壤温度的影响要大于草甸土壤,对土壤水分融升过程的影响大于冻降过程,且对沼泽浅层土壤的影响大于草甸浅层土壤.     

青海湖流域典型草地物种丰富度与生产力的关系

通过2009-2010年青海湖流域的样地实测数据,研究了不同尺度物种丰富度与生产力的关系,并初步探讨了其形成机制.结果表明:青海湖流域典型草地物种丰富度与生产力的关系在小尺度上(群落内和群落间)表现为线性正相关、负相关,在大尺度上(区域)则以单峰相关为主.沼泽草甸和高寒草甸的物种丰富度随生产力的增加而降低,高寒草原和温性草原的物种丰富度随生产力的增加而增加.在整个研究区内则表现为单峰型相关.研究还表明,研究区群落生产力的变化范围为65～585 g·m-2·a-1,物种丰富度为2～9种;生产力从高到低的顺序为沼泽草甸＞高寒草甸＞高寒草原＞温性草原.     

青藏高原多年冻土区不同高寒草地类型地表形变特征

作为气候变化"指示器"的青藏高原多年冻土,近几十年来受到越来越多学者关注。但是已有冻土区地表形变的研究,多单纯针对地表抬升和沉降量进行分析,鲜有针对不同高寒草地类型进行深入挖掘的。在位于青藏高原多年冻土区腹地的五道梁地区,利用ASAR数据和SBAS-InSAR方法反演了区域内2005年4月到2010年7月的地表形变状况。结果显示研究区地表形变速率基本位于±8 mm/a之间。其中,变形率为正、地表呈现抬升的区域占57.70%,地表形变为负、地表沉降的区域占42.30%。此外,高寒草地整体表现地表下沉的现象,而且高寒草原的地表沉降现象明显强于高寒草甸地区。计算获得3种生态遥感指数后,分析地表形变与生态遥感指数的相关性,发现针对不同草地类型,其地表形变的主导因子存在差异。高寒草甸的地表形变有可能更多的受限于温度变化,而高寒草原的地表形变则可能更多的由水分条件所影响。以上研究说明青藏高原多年冻土区植被类型条件越好,地表沉降量越小。因此今后的相关研究需要对植被类型条件差的区域增加更多的关注,因为这些地区易发生地表沉降,导致其生态系统稳定性较差。     

长江源区高寒草原和高寒草甸土壤粒径分布特征

为探究长江源区主要下垫面土壤空间异质性与粒径分布(PSD)非均匀性,运用分形理论描述高寒草原和高寒草甸2种下垫面土壤粒径分布特征,分析了 2种下垫面土壤的分形维数特征差异及其与土壤颗粒组成的关系.结果表明:研究区土壤颗粒粒径主要分布于100-800 μm,高寒草原土壤单重分形维数(Dv)为2.429～2.508,高寒草...     

青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系

以广布于青藏高原的高寒草甸为研究对象,进行模拟增温实验,探讨高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系,并试图论证高寒草甸植被是否符合生物多样性代谢理论.结果表明:①高寒草甸植被物种多样性的对数与绝对温度的倒数呈显著线性递减关系,空气-地表-浅层土壤(0-20 cm)温度(R2 ＞0.6,P＜0.01)较深层土壤(40-100 cm)温度(R2＜0.5,P＜0.05)对物种多样性影响大;其植被新陈代谢平均活化能为0.998-1.85 eV,高于生物多样性代谢理论预测值0.6-0.7 eV,这是高寒草甸植被对长期低温环境适应进化的结果.②除趋势对应分析和冗余分析显示,温度对植被地上部分影响较大,而土壤水分对全株影响均较大,适当的增温与降水均可极显著促进高寒草甸植被生长.③逐步回归和通径分析显示,40 cm、60 cm深度土壤水分对植被地上部分产生直接影响,20 cm高度空气相对湿度和40 cm深度土壤温度对其产生间接影响;40 cm深度土壤温度和60 cm深度土壤水分对植被地下部分产生直接影响,红外地表温度对其产生间接影响.深层土壤温度和水分对高寒草甸植被具有影响作用,这可能与增温后冻土的融化有关,但其机理尚待进一步研究.     

冻融作用对我国东北湿地土壤碳排放与土壤微生物的影响

通过室内模拟冻融实验,探讨了冻融强度(-5和-15℃)和循环次数(0、1、5、10和15次)对我国东北连续多年冻土和季节性冻土湿地二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)产生以及土壤微生物生物量碳(MBC)的影响。结果表明,不同冻融条件下,2种冻土中CO2、CH4排放速率及MBC均表现为:在第1次冻融循环后有所降低,随后随着循环次数的增加,呈现先增高后降低并趋于稳定的趋势。总体上,循环次数显著影响2种冻土CO2、CH4排放和MBC。与对照和小幅度冻融循环相比,大幅温度波动显著促进2种冻土土壤碳排放,但冻融强度对MBC影响不大。实验期间,FTC(-15℃)处理中,连续多年冻土CO2累积排放量(679.99 mg·kg-1)高于季节性冻土(454.32 mg·kg-1),而对CH4累积排放量来说,在FTC(-5℃)处理时,连续多年冻土达到334.49μg·kg-1,略高于其他处理;而在FTC(-15℃)处理时,季节性冻土则最高(600.07μg·kg-1),可能意味着冻融过程中2种冻土产甲烷菌的温度敏感性具有一定差异。本研究为科学评估全球气候变化对我国东北主要冻土区的土壤碳周转提供了数据支持。     

藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应

植被物候作为陆地生态系统对气候变化的响应和反馈的重要指示,已成为区域或全球生态环境领域研究的热点。基于非对称高斯拟合方法重建了2001—2010年MODIS EVI时间序列影像,利用动态阈值法提取藏北高原植被覆盖2001—2010年每年关键物候参数。选取研究区内东部高寒灌丛草甸、中部高寒草甸及西部高寒草原和高寒荒漠4种典型植被类型,并结合附近的4个气象台站气候资料,分析典型植被物候在近10a对关键气候因子的响应特征。研究结果表明:(1)4种不同典型植被的物候特征(EVImax降低、返青期延后和生长季长度缩短)均表现出高寒灌丛草甸→高寒草甸→高寒草原→高寒荒漠草原的过渡;(2)藏北高原近10a的年平均气温及春、夏、冬三个季度的平均气温均呈显著升高的趋势,升温幅度在0.8—3.9℃/10a,降水减少趋势不显著,在这种水热条件下典型植被均表现出返青提前(7.2—15.5d/10a)、生长季延长(8.4—19.2d/10a)的趋势,而枯黄出现时间为年际间自然波动;(3)高寒灌丛草甸EVImax主要受春季降水量和气温影响,且降水的影响程度大于气温;对高寒草甸植被而言,春、夏季的气温和降水均有较大的影响;而高寒草原和高寒荒漠草原主要受夏季平均气温和降水量影响;(4)高寒灌丛草甸的返青时间主要受前一年秋季降水量的影响,相关系数达-0.579;而高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠草原主要受春季平均气温影响,高寒荒漠草原的特征最为明显(r=-0.559)。     

Effects of the hummock–depression microhabitat on plant communities of alpine marshy meadows in the Yellow River Source Zone,China

黄河源区丘-洼微生境对高寒沼泽草甸植物群落的影响 黄河源区高寒沼泽草甸中有许多不均匀的小丘和洼地,形成了独特的微生境,深刻影响着植物特性和土壤养分含量。通过研究高寒湿地冻融丘和洼地空间异质性对植物群落和土壤性质的影响,可以深入了解微地形水文条件对丘-洼微生境空间波动的影响。本研究在黄河源区高寒沼泽湿地的冻融丘 (淹水和无淹水)和洼地(蓄水和无蓄水)共设置36个样地(1 m × 1 m),采集了45个植物样和225个土壤样, 并采用比较法评价高寒沼泽湿地是否存在“肥岛效应”。研究结果显示,冻融丘的存在增加了微生境的 空间异质性,促进了藏嵩草群落的物种多样性和土壤肥力。淹水和无淹水的冻融丘生境下的植物高度、 盖度、地上生物量、物种丰富度和多样性均显著高于湿地外围的高寒草甸。与高寒草甸相比,高寒沼泽 湿地丘-洼复合体为莎草科植物的生长提供了有利的微生境。另外,湿地丘-洼微生境与周围高寒草甸 在0–50 cm土层之间的比较表明,土壤有机碳和全氮距离地表越近含量越高。在深层次土壤中,丘洼微生 境与高寒草甸土壤养分之间的差距变小。因此,湿地丘-洼微生境形成了一个富饶的“肥沃岛”格局。这些研究结果有助于加深对高寒沼泽草甸生态系统恢复的认识。     

高寒草甸草原景观格局动态演变及其驱动机制

高寒草甸是高寒地区重要的生态屏障和畜牧业基地,脆弱的生态环境极易受到自然和人类活动的影响。为了探究高寒草甸景观格局变化及其驱动力,以多期遥感影像和统计数据为基础数据,在遥感和GIS技术支持下,在利用景观格局指数模型来分析研究区景观格局动态演变的基础上,运用Logistic回归模型从空间角度分析了研究区重要景观演变的驱动力。结果表明：（1）研究区植被覆盖面积所占比例始终维持在80%以上,各景观类型结构变化较为明显;（2）2000-2016年高寒草甸景观类型面积变化较大,其他草甸、旱地和建设用地的面积持续增加,并且年变化速率加快,灌木林地、灌丛草甸和水域面积持续减少;各类景观面积年变化率增大,2000-2009年高寒草甸景观面积年变化率为1.118%,2009-2016年景观面积年变化率为2.067%,每年发生类型转化的景观面积约为0.691×10⁴ hm²,5大类景观转移变化面积不大,但各小类景观的转换现象很明显。（3）景观水平上的景观指数变化反映出2000-2009年景观破碎化程度较强,2009-2016年景观状态得到优化,整体趋向于整合;斑块水平上的景观指数变化反映出不同斑块类型格局差异性较大,变化特征明显。（4）海拔与坡度因子对一级分类草地景观及其二级分类灌丛草甸和其他草甸演变的影响较为显著,植被覆盖度因子对草地景观演变存在显著影响,而距离因子对灌丛草甸和其他草甸演变的影响较为显著。人文驱动因素对草原生态及景观演替起到了加速推动作用,其中,政策因素在保护和修复高寒草甸生态系统上起到了至关重要作用。     

青藏高原多年冻土区高寒植被物种多样性和地上生物量

基于样方调查统计了青藏高原多年冻土区高寒草地生态系统植物的科属组成,计算了多样性指数和均匀度指数,探讨了多年冻土退化对高寒草地物种多样性的影响。结果表明:多年冻土退化过程中物种组成在属和物种丰富度上呈现降低趋势,湿、中生植物逐渐被旱中生和旱生植物替代;青藏高原多年冻土退化会导致高寒草地生态系统的物种多样性和初级生产力的降低,影响高寒草地生态系统的稳定性;物种多样性与初级生产力具有密切的抛物线型关系。     

不同海拔梯度高寒草地地下生物量与环境因子的关系

以新疆天山南坡的巴音布鲁克高寒草地为对象, 研究了不同海拔梯度高寒草地地下生物量的变化及其与环境因子的关系.结果表明: 随着海拔的升高, 高寒草原、高寒草原化草甸和高寒草甸的地下生物量逐渐增大, 二者呈极显著正相关( P<0.01 ).地下生物量从表层至底层逐渐递减,呈“T”形分布.高寒草原、高寒草原化草甸和高寒草甸0～10 cm土层的地下生物量分别占总地下生物量的68.1%、84.1%和86.7%.地下生物量与大气温度呈极显著负相关, 与相对湿度和土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01 ), 而与有机质、速效氮和pH等无显著相关.     

青藏高原两种高寒草地植被变化及其水温驱动因素分析

高寒草甸和高寒草原作为青藏高原两种重要植被类型,研究其植被变化与气候变化相关性,有助于为青藏高原两种高寒草地生态系统应对全球气候变化管理提供参考。以位于同纬度的三江源高寒草甸和阿里高寒草原为研究对象,基于植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)变化表征植被变化,利用NPP数据和气象数据,分别分析两地2000—2017年植被NPP、降水和气温时空变化差异;利用Sen+Mann-Kendall趋势检验,研究两种高寒草地气候与植被净初级生产力变化趋势;以县域统计年鉴牛羊肉产量表征放牧强度,研究放牧活动对高寒草地植被变化的影响;通过Pearson相关和偏相关分析方法,分别研究降水和气温对两种高寒草地植被NPP变化影响差异。研究结果表明:(1)2000—2017年三江源高寒草甸和阿里高寒草原区年平均气温以0.085℃/a和0.084℃/a的趋势上升,降水以平均每年3.87 mm和2.23 mm的趋势增加,高寒草甸区变暖变湿速率较高寒草原区快。(2)三江源高寒草甸和阿里高寒草原植被NPP均呈现由东南向西北逐渐降低空间格局;2000—2017年高寒草甸区57.7...     

稻田CH4和N2O排放关系及其微生物学机理和一些影响因子

用静态箱法原位观测和分析了我国北方稻田 3～ 1 2月CH4和N2 O的排放及其关系 ,并研究了这一关系发生的微生物学机理 .同时 ,监测了土壤湿度、pH、水分及Eh的变化 .结果表明 ,稻田CH4和N2 O排放之间存在着互为消长的关系 (R2 =0 0 4 94) .土壤湿度、pH及Eh变化范围分别在 0～ 2 4℃、6 87～ 7 0 2和 41 5～ 30 0mv之间 ,水分从非淹水期的 38～ 72 ?至 5～ 1 0cm浅水淹灌 .土壤Eh对CH4和N2 O的释放起重要的调控作用 .在整个观测期内 ,与CH4和N2 O释放密切相关的 6种菌群 (发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌、甲烷氧化菌、硝化细菌、反硝化细菌 )各有其数量消长及酶活性变化规律 ,稻田CH4和N2 O排放之间互为消长的关系受这些相关微生物数量及酶活性变化的共同调控 .     

高寒草甸土壤呼吸及其组分对氮添加的响应

本研究比较了青藏高原高寒草甸土壤呼吸速率(Rs)、自养呼吸速率(Ra)和异养呼吸速率(Rh)随施氮梯度的变化,揭示土壤呼吸及其组分变化的主要影响因素,为评价未来氮沉降背景下高寒草甸土壤碳释放提供科学依据。于2014年在四川红原青藏高原高寒草甸建立长期氮素添加平台,采取完全随机区组试验设计,设置0(N0,对照)、2(N2)、4(N4)、8(N8)、16(N16)和32 g N·m^-2·a^-1(N32)6个水平氮素添加控制实验。于2020年生长季对Rs、Ra和Rh进行监测。结果表明：施氮显著降低了土壤呼吸及其组分(P<0.05),且Ra的下降幅度大于Rh,导致Rh/Rs随施氮水平逐渐上升;不同施氮处理下Ra和Rh与土壤温度均呈显著的指数正相关(P<0.05);施氮降低了Ra的温度敏感性(Q₁₀),但提高了Rh的Q₁₀值;土壤呼吸各组分与土壤湿度的关系均不显著,但土壤温度和土壤湿度双因子模型对Ra和Rh的解释度高于单因素模型。本研究揭示了高寒草甸土壤呼吸及其组分对氮添加的响应特征及机制,可为评...     

模拟氮沉降对藏北高寒草甸温室气体排放的影响

目前,高寒草甸对全球温室效应的贡献仍具有不确定性,而随着N沉降的增加,该系统温室体气排放也必将发生变化。为揭示高寒草甸对N沉降的响应机制,探讨其对全球变化的反馈作用,利用人工添加氮素的方法,于2014年生长季(6-9月)在那曲地区那曲县设置不同水平N添加梯度(0、7、20kg hm~(-2)a~(-1)和40 kg hm~(-2)a~(-1)),模拟氮沉降增加对藏北高寒草甸温室气体排放的影响。经过1a的研究结果表明:1)施氮显著促进了CO_2排放但对CH_4的吸收和N_2O的排放无显著影响。总体而言,添加氮素明显增加了温室气体排放总量,其中N2O处理下高寒草甸温室气体排放总量最高。2)回归分析结果表明,CO_2与NPP(总生物量)和TOC(土壤有机碳)线性相关(P0.05),而与TN(总氮)、NH_4~+-N和NO_3~--N均无显著相关关系(P0.05),CH_4与TN/NPP/TOC/NH_4~+-N/NO_3~--N均不相关(P0.05),N_2O与NPP/TOC/NO_3~--N均显著线性相关(P0.05),而与TN/NH_4~+-N不相关。综合初步研究结果,未来氮沉降增加条件下,藏北高寒草甸温室气体排放通量将有可能明显增加,从而对气候变化产生重要的反馈作用。     

三江源区高寒草甸退化对土壤水源涵养功能的影响

三江源区是我国重要的水源涵养区,研究草地退化对土壤水源涵养功能的影响,可为三江源区水源涵养功能的科学评估与合理监测提供科学依据。以实地采样与室内测试分析相结合的方法研究了三江源区内不同土壤类型高寒草甸生物量特征、土壤水文物理性质及土壤水源涵养量。结果表明:高寒草甸在重度退化阶段地上生物量、地下生物量、毛管孔隙度、总孔隙度、自然含水量、最大持水量、土壤水源涵养量显著低于未退化和中度退化阶段(P<0.05)。随着高寒草甸退化程度加剧,土壤容重逐渐增大,且非毛管孔隙度规律不显著。未退化、中度退化、重度退化草甸的土壤水源涵养量范围分别为1884.32—1897.44t/hm2、1360.04—1707.79t/hm2、1082.38—1550.10t/hm2。中度退化草甸土壤水源涵养量比未退化草甸低9.37%—10.35%,重度退化草甸低18.31%—27.82%。草甸退化进程中土壤总孔隙度与毛管孔隙度的降低是影响土壤水源涵养量下降的直接原因,而草甸退化进程中地上生物量与地下生物量的减少则是间接原因。度量三江源区高寒草甸土壤水源涵养功能时应着重考虑毛管孔隙度的蓄水作用。研究表明高寒草甸地上生物量与土壤水源涵养量之间存在显著的正相关关系(P<0.05),该结果能够推动水源涵养功能评估向空间化、精细化发展,为探索利用遥感技术监测三江源区水源涵养功能提供参考依据。