气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

青藏高原草地生态系统对气候变化的响应

青藏高原高寒草地生态系统对气候变化高度敏感,其如何响应和反馈气候变化一直以来受到极大关注.本文系统综述了近5年来有关青藏高原草地生态系统在物候、生产力、碳循环等方面对气候变化的响应过程以及应对气候变化的适应性管理的最新研究成果,发现气候变化对高寒草地生态系统的诸多影响还存在很大的不确定性.多数研究结果表明,增温使高寒草甸的植被物候提前和初级生产力水平提高,而高寒草原有相反的影响趋势,说明不同地域、不同群落类型对不同季节温度变化的响应模式不同.而气候变化对物种多样性和碳循环有关过程的影响结果尚没有一致的结论,时空尺度和方法上的差异可能是导致不同结果的主要原因.因此,建议在增强时空异质性的响应与反馈研究的同时,更需要加强生态过程和机理的研究.     

模拟增温对青藏高原高寒草甸根系生物量的影响

在青藏高原高寒草甸布设模拟增温实验样地,采用土钻法于2012—2013年植被生长季获取5个土层的根系生物量,探讨增温处理下根系生物量在生长季不同月份、不同土壤深度的变化趋势及其与相应土层土壤水分、温度的关系。结果表明:(1)根系生物量在2012年随月份呈增加趋势,其中7—9月较大,其平均值在对照、增温处理下分别为3810.88 g/m~2和4468.08 g/m~2;在2013年随月份呈减小趋势,其中5—6月较大,其平均值在对照、增温处理下分别为4175.39 g/m~2和4141.6 g/m~2。增温处理下的总根系生物量高出对照处理293.97 g/m~2,而各月份总根系生物量在处理间的差值均未达到显著水平。表明在增温处理下根系生物量略有增加,但在生长季不同月份其增加的程度不同,致使年际间的增幅出现差异。(2)根系生物量主要分布在0—10 cm深度,所占百分比为50.61%。在增温处理下,0—10 cm深度的根系生物量减少,减幅为8.38%;10—50 cm深度的根系生物量增加,增幅为2.1%。相对于对照处理,增温处理下0—30 cm深度的根系生物量向深层增加,30—50 cm深度的根系生物量增加趋势略有减缓。可见,在增温处理下根系生物量的增幅趋向于土壤深层。(3)根系生物量与土壤水分呈极显著的递减关系,在增温处理下线性关系减弱;与土壤温度呈极显著的递增关系,在增温处理下线性关系增强。表明土壤水分、温度都可极显著影响根系生物量,但在增温处理下土壤温度对根系生物量的影响较土壤水分更为敏感而迅速。     

模拟增温对羊草生态系统土壤呼吸速率的影响

草地是陆地生态系统的重要组成部分,研究草地系统土壤呼吸速率对全球气候变暖的响应,对预测全球碳循环具有重要作用。采用高度分别为0.5 m（T1）和1.85 m（T2）的开顶式增温箱（OTCs）对羊草生态系统进行模拟增温,仔细观察羊草的生育期,在每个生育期的同一天的晨间t₁时段（9：00-11：00）、午间t₂时段（13：30-15：30）和晚间t₃时段（17：00-19：00）监测土壤呼吸速率。分析不同增温幅度下土壤呼吸速率的变化规律,明确影响土壤碳排放的主要因素,探讨土壤呼吸速率与影响因素间存在的关系。结果显示：1）相对于空白对照C,模拟增温T1和T2导致0-10 cm土壤温度分别显著提高1.18和2.37℃;导致0-10 cm土壤湿度降低2.27%和4.57%;2）在羊草生长阶段,土壤呼吸速率呈现明显的季节性变化特征,同一天的t₁时段、t₂时段和t₃时段土壤呼吸速率峰值分别出现在结实期、抽穗期和开花期。非生长阶段土壤呼吸速率无显著差异;3）不同处理下土壤呼吸速率与近地表气温、0-10 cm土壤温度和地下生物量呈指数正相关关系,与0-10 cm的土壤湿度呈显著二次项负相关关系,与地上生物量表现为二次项正相关关系。研究结果明确了羊草生态系统中土壤碳排放对增温的响应,可为草原生态系统应对气候变化及可持续发展提供理论依据。     

围栏对青藏高原不同类型草地土壤原核微生物多样性的影响

草地退化是草地植被的倒退演替,导致生物多样性丧失和生态系统功能退化,围栏是恢复退化草地生态系统功能的有效管理措施。微生物是土壤中的重要组成部分,在维持草地生态系统稳定性和功能方面发挥着重要作用。然而,目前尚不清楚围栏如何影响不同类型草地土壤微生物群落。以青藏高原草甸、草原和荒漠草地三种草地类型的退化草地为研究对象,设置围栏和放牧两种处理,采用Illumina HiSeq高通量测序技术研究了围栏对土壤原核微生物群落多样性和群落结构的影响。结果表明：围栏未显著影响草甸土壤原核微生物的丰富度、Shannon多样性和均匀度,但显著增加了草原土壤的原核微生物的丰富度、Shannon多样性和均匀度（P<0.05）,稍降低了荒漠草地土壤原核微生物的丰富度、Shannon多样性和均匀度（P=0.086、0.072和0.099）。在围栏处理的草地中,土壤原核微生物丰富度、Shannon多样性和均匀度与年均温、干旱度和pH显著负相关（P<0.01）,与年平均降水量、溶解性有机碳、地上生物量和植物多样性显著正相关（P<0.01）。在放牧处理的草地中,土壤原核微生物丰富度、Shannon多样性和均匀度与年均温和干旱度显著负相关（P<0.05）,但原核微生物丰富度和Shannon多样性与所有土壤理化和植被因素均无显著相关性。冗余分析（RDA）表明,不同类型草地土壤原核微生物群落结构发生了显著的变化,并沿草甸、草原和荒漠草地的过渡逐渐转变（P<0.001）。方差分解分析（VPA）进一步表明,原核微生物群落结构变化主要受年均温、年平均降水量、干旱度和pH的驱动。围栏显著改变了不同类型草地中部分样点土壤原核微生物群落结构。三种草地类型的主要原核微生物优势门均为放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）。放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度在荒漠草地土壤中最高,而变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰度在草甸土壤中最高。此外,不同类型围栏和放牧草地土壤原核微生物类群的相对丰度均无显著差异。研究表明不同类型草地土壤原核微生物群落对围栏的响应不同,这为因地制宜制定草地管理措施提供了数据支持,为草地退化的防治提供了理论支持。     

川西亚高山采伐迹地草坡群落对模拟增温的短期响应

采用开顶式生长室(open-top chamber, OTC),研究了川西亚高山采伐迹地草坡群落物候、群落结构和地上生物量对模拟增温的初期响应.生长季中OTC内日平均气温较对照(CK)增加2.2 ℃,5 cm土壤温度增加0.8 ℃.和CK相比,建群种牛尾蒿和糙野青茅萌动期、花蕾期和花期均显著提前,而枯黄期显著推迟.群落各种群高度、密度和重要值增加、减少或无影响,生物多样性指数有所下降,群落结构发生一定变化.OTC内糙野青茅和牛尾蒿地上生物量较CK分别增加46.3%和42.0%.中华羊茅和其它草类植物地上生物量有所下降,但差异不显著.地上总生物量增加34.0%.     

增温对青藏高原高寒草甸呼吸作用的影响

生态系统呼吸(ER)和土壤呼吸(SR)是草地生态系统碳排放的关键环节,其对气候变化极为敏感。高寒草甸是青藏高原典型的草地生态系统,其呼吸作用对气候变化的响应对区域碳排放具有重要的影响。以高寒草甸生态系统为对象,于2012—2016年采用模拟增温的方法研究呼吸作用对增温的响应。结果表明:增温对高寒草甸ER的影响存在年际差异,2013年和2014年增温对ER无显著影响,其他年份显著增加ER(P<0.05),综合5年结果,平均增幅达22.3%。增温显著促进了高寒草甸SR(P<0.05),较对照处理5年平均增幅高达67.1%;增温总体上提高了SR在ER中的比例(P<0.05),最高增幅达到59.9%。ER和SR与土壤温度有显著的正相关关系(P<0.05),与土壤水分没有显著的相关关系(P>0.05)。对照样地中,土壤温度分别能解释33.0%和18.5%的ER和SR变化。在增温条件下,土壤温度可以解释20.5%和13.0%的ER和SR变化。在增温条件下,SR的温度敏感性显著增加,而ER的温度敏感性变化较小,导致SR的比重进一步增加。因此,在未来气候变暖条件下,青藏高...     

不同强度牦牛放牧对青藏高原高寒草地土壤和植物生物量的影响

放牧作为家畜饲养方式之一,是草地最简单、有效的利用方式,放牧中的家畜对草地生态系统的影响是全球畜牧生态学研究的焦点。过度放牧导致草地退化严重,虽然在青藏高原地区已有较多放牧对草地影响的研究,但探究连续4年放牧对高寒草地生态系统影响的定位实验却鲜见报道。本研究在青藏高原东缘选取典型高寒草地,使用高原特有且分布最广的牦牛作为大型草食放牧家畜,设置了4个牦牛放牧强度（禁牧：无放牧、轻牧：1头/hm²、中牧：2头/hm²和重牧：3头/hm²）以研究其对高寒草地土壤和植物功能的影响。开展4年试验后的结果表明：放牧条件下土壤含水率显著增加;而土壤容重、全磷和有机质含量对放牧强度均无显著性响应;土壤全氮和pH的响应主要在表层0-20 cm,其中全氮为轻牧和重牧处理分别显著高于中牧,中牧处理下的土壤pH为显著高于轻牧;土壤全钾含量在禁牧处理中显著高于放牧处理;而土壤有效氮和速效钾均为中牧处理显著高于禁牧;放牧可以显著降低植物地上生物量。牦牛放牧强度显著影响土壤含水率、有效养分和植物地上生物量,而对其它土壤理化性质影响较弱。本研究结果揭示放牧对高寒草地土壤理化性质和植物地上生物量的影响,为青藏高原高寒草甸生态系统保护、可持续管理和合理放牧率提供理论依据。     

气候因子通过土壤微生物生物量氮促进青藏高原高寒草地地上生态系统功能

近年来, 在人类活动和气候变化的影响下, 物种多样性丧失趋势不断加剧, 对生态系统功能带来严重后果。目前, 关于生态系统功能的研究, 忽略了土壤和微生物碳氮养分循环过程对地上生态系统功能(AEF)的重要驱动作用, 而土壤碳氮要素和微生物的任何变化都有可能改变地下群落对生态系统功能的维持作用。该研究旨在探究高寒草地AEF的主要控制因子, 以及其关键要素对AEF的作用机理。2015年7-8月, 对青藏高原地区115个样点进行了草地群落和土壤属性等要素样带调查; 综合植物地上生物量, 叶片碳、氮和磷含量等参数计算AEF值, 分析地下土壤有机碳含量、全氮含量、生物量等关键要素对AEF值的影响。结合取样点年降水量和年平均气温, 深入探讨影响AEF的主要控制因子和作用机理。结果表明降水对AEF有较大影响, 而气温影响相对较低。年降水量、土壤微生物生物量碳含量和干旱指数对AEF值的相对重要性贡献较高(重要值分别为21.1%、10.9%和10.1%), 控制青藏高原高寒草地AEF值的关键是土壤因子。在气候因子对土壤养分和微生物的作用下, 土壤微生物生物量氮含量在调控高寒草地AEF值方面发挥重要作用。     

青藏高原气候变化与高寒草地

综述了近五十年来青藏高原气候和高寒草地的变化趋势,阐述了气候变化对高寒草地的可能影响。气候变化主要通过水、热过程及其诱导的环境变化对青藏高原高寒草地产生显著的影响。主要过程包括：气候变化对气候带、植被带、植物、植物群落、农业生产以及生态系统固碳潜力等的影响。从目前的观测和研究结果来看,有关青藏高原气候变化及其对高寒草地的可能影响都还很难得出一致的结论。因此,如何科学评价气候变化及其预测和评价对高寒草地结构和功能的潜在影响,以及如何将已经发生的变化纳入到全球变化模型或评价体系中,以便更加精确地评估气候变化的长期影响,将成为必须要回答的关键科学问题。     

青藏高原高寒草原碳排放及其迁移过程研究

采用箱式法通过对青海省五道梁地区高寒草原生态系统表层土壤含碳温室气体的研究发现 ,该地区高寒草原系统表层土壤 CO2 和 CH4 在 7～ 8月份的平均排放通量分别为 0 .46μmol· m- 2 · s- 1和 - 0 .43× 1 0 - 3μmol·m- 2 ·s- 1,此两种气体的排放通量随时间都有明显的变化特征 ,它们的日变化均为明显的单峰型 ,而且其中 CO2 排放通量的变化明显受大气温度变化的影响。地下土壤中 CO2 和 CH4 气体浓度随深度的增加呈递减趋势 ,进一步的分析表明这两种气体浓度在土壤中与相邻层次的气体浓度有很明显的相关关系 ,尤以永久冻土上层边界附近最为显著。     

Different responses of ecosystem carbon exchange to warming in three types of alpine grassland on the central Qinghai–Tibetan Plateau

Climate is a driver of terrestrial ecosystem carbon exchange, which is an important product of ecosystem function. The Qinghai–Tibetan Plateau has recently been subjected to a marked increase in temperature as a consequence of global warming. To explore the effects of warming on carbon exchange in grassland ecosystems, we conducted a whole‐year warming experiment between 2012 and 2014 using open‐top chambers placed in an alpine meadow, an alpine steppe, and a cultivated grassland on the central Qinghai–Tibetan Plateau. We measured the gross primary productivity, net ecosystem CO₂ exchange (NEE), ecosystem respiration, and soil respiration using a chamber‐based method during the growing season. The results show that after 3 years of warming, there was significant stimulation of carbon assimilation and emission in the alpine meadow, but both these processes declined in the alpine steppe and the cultivated grassland. Under warming conditions, the soil water content was more important in stimulating ecosystem carbon exchange in the meadow and cultivated grassland than was soil temperature. In the steppe, the soil temperature was negatively correlated with ecosystem carbon exchange. We found that the ambient soil water content was significantly correlated with the magnitude of warming‐induced change in NEE. Under high soil moisture condition, warming has a significant positive effect on NEE, while it has a negative effect under low soil moisture condition. Our results highlight that the NEE in steppe and cultivated grassland have negative responses to warming; after reclamation, the natural meadow would subject to loose more C in warmer condition. Therefore, under future warmer condition, the overextension of cultivated grassland should be avoided and scientific planning of cultivated grassland should be achieved.     

Field evidence for earlier leaf-out dates in alpine grassland on the eastern Tibetan Plateau from 1990 to 2006

Worldwide, many plant species are experiencing an earlier onset of spring phenophases due to climate warming. Rapid recent temperature increases on the Tibetan Plateau (TP) have triggered changes in the spring phenology of the local vegetation. However, remote sensing studies of the land surface phenology have reached conflicting interpretations about green-up patterns observed on the TP since the mid-1990s. We investigated this issue using field phenological observations from 1990 to 2006, for 11 dominant plants on the TP at the levels of species, families (Gramineae—grasses and Cyperaceae—sedges) and vegetation communities (alpine meadow and alpine steppe). We found a significant trend of earlier leaf-out dates for one species (Koeleria cristata). The leaf-out dates of both Gramineae and Cyperaceae had advanced (the latter significantly, starting an average of 9 days later per year than the former), but the correlation between them was significant. The leaf-out dates of both vegetation communities also advanced, but the pattern was only significant in the alpine meadow. This study provides the first field evidence of advancement in spring leaf phenology on the TP and suggests that the phenology of the alpine steppe can differ from that of the alpine meadow. These findings will be useful for understanding ecosystem responses to climate change and for grassland management on the TP.     

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。     

青藏高原高寒草地不同植物功能群与土壤碳同位素特征及影响因素

青藏高原海拔高、面积广,是全球范围内最典型的高寒地区之一,探究青藏高原高寒草地植物和土壤碳稳定同位素组成(δ¹³C)特征及其控制要素,对深刻理解高寒生态系统碳循环过程具有重要意义。研究采集并测定了青藏高原不同区域135个草地样点中的植物和土壤碳稳定同位素自然丰度,探讨了不同植物功能群和表层(0-10 cm)土壤δ¹³C特征及其与气候、土壤因素的关系。结果表明:(1)杂类草δ¹³C显著低于禾本科、莎草科和豆科植物δ¹³C(P ＜ 0.05)。表层土壤δ¹³C与禾本科、莎草科、豆科植物δ¹³C呈显著正相关(P ＜ 0.05),与杂类草δ¹³C无显著相关关系,且表层土壤δ¹³C对三种植物功能群δ¹³C的敏感性为禾本科>豆科>莎草科。(2)在影响禾本科、莎草科、豆科植物和表层土壤δ¹³C的环境因子中,气候因子的相对贡献率均大于土壤因子,气候因子中太阳辐射相对贡献率最大,杂类草δ¹³C与气候和土壤因子均不存在显著相关关系。研究表明,太阳辐射是决定高寒草地生态系统植物和表层土壤δ¹³C的主要因子。研究可为青藏高原高寒草地植物和土壤δ¹³C特征与有机碳动态循环提供数据支撑和理论参考。     

Water sources of dominant species in three alpine ecosystems on the Tibetan Plateau, China

Plant water sources were estimated by two or three compartment linear mixing models using hydrogen and oxygen isotope （δD and δ^18O） values of different components such as plant xylem water, precipitation and river water as well as soil water on the Tibetan Plateau in the summer of 2005. Four dominant species （Quercus aquifolioides, Pinus tabulaeformis, Salix rehderiana and Nitraria tangutorum） in three typical ecosystems （forest, shrub and desert） were investigated in this study. Stable isotope ratios of the summer precipitations and the soil water presented variations in spatial and temporal scales. δ^18O values of N. tangutorum xylem water were constant in the whole growth season and very similar to those of deep soil water. Water sources for all of the plants came from both precipitations and soil water. Plants switched rapidly among different water sources when environmental water conditions changed. Rainwater had different contributions to the plants, which was influenced by amounts of precipitation. The percentage of plant xylem water derived from rainwater rose with an increase in precipitation. Water sources for broad-leaved and coniferous species were different although they grew in the same environmental conditions. For example, the broad-leaved species Q. aquifolioides used mainly the water from deep soil, while 92.5% of xylem water of the coniferous species P. tabulaeformis was derived from rainwater during the growth season. The study will be helpful for us to fully understand responses of species on the Tibetan Plateau to changes in precipitation patterns, and to assess accurately changes of vegetation distribution in the future.