降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响

全球气候变化下降水时间的改变将深刻影响草原生态系统地上净初级生产力(ANPP),而草原生态系统ANPP是区域碳循环的重要过程.利用1998-2007年的SPOT-VEG NDVI数据并结合111个样点的ANPP地面样方调查数据,获得了内蒙古温带草原1998-2007年的ANPP区域数据,依此分析了中国内蒙古温带草原以及区域内的3种植被类型(荒漠草原、典型草原、草甸草原)降水时间对ANPP的影响.研究结果表明,对于整个内蒙古温带草原来说,一个水分年内(从上一年9月份到当年地上生物量达最大值时的8月份)影响ANPP较为重要的降水月份为2-7月份,其中,5-7月份降水尤为重要.具体到每个月降水的影响,研究发现,7月份降水最重要,而仍处于生长季的8月份降水相对于其他生长季降水作用最小;影响不同草地类型最重要的降水时期存在一定差异,对荒漠草原和典型草原地区来说,ANPP达最大值前3个月(5-7月份)的生长季降水最重要,而8月份降水影响较小,而草甸草原地区8月份和非生长季的3、4月份降水最重要,但各个降水时期降水对ANPP的影响都较荒漠草原和典型草原小,大部分地区降水对ANPP的影响不显著.     

内蒙古地区羊草草原植被对温度变化的动态响应

 1981～1994年连续14年内蒙古羊草草原温度随时间变化结果显示,该区域温度变化具有不对称性,冬季最低均温升高明显,而最高温及平均温度无明显增加趋势。羊草草原气候的变化主要表现在冬季最低温的增加,而不是平均温度的增加。羊草群落的结构和功能对冬季最低均温变化的响应研究表明,随着冬季最低均温的升高,阿尔泰狗哇花(Heteropappus altaicus)和冰草(Agropyron michnoi)的重要值及地上初级生产力将明显增加,而寸草苔(Cares duriuscula)则呈下降趋势,作为群落主要优势种的羊草(Leymus chinensis)和大针茅(Stipa grandis)及其它优势植物对冬季最低均温变化反应不明显。同时,群落的生物多样性指数(Simpson指数、Shannon-Wiener指数)、物种饱和度及地上初级生产力对冬季最低均温也均无显著相关,14年间冬季最低均温的变化并没有对群落的结构和功能产生明显影响。然而,因寸草苔和冰草等少数优势植物对冬季最低均温变化反应的敏感,温度变化的幅度增加或时间延续很可能造成少数优势种在群落中地位的改变,进而可能导致羊草群落结构和功能的变化。这表明在进行气候变化的模拟和模型研究时,不能仅简单地考虑平均温度增加的情况,而应确定主导影响因子,从而了解草原生态系统对全球变化的响应,选取适宜的模型参数。     

内蒙古典型草原地上净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台1994～2009年牧草生长季逐月实测资料,对CENTURY模型进行检验,模拟内蒙古典型草原1953～2010年间地上净初级生产力(ANPP)动态,并与26个气象因子进行相关性分析。模型检验结果显示,模拟值与观测值之间的相关系数为R2=0.66,斜率b=0.95,误差平方根值为50.51g.m-2,平均绝对百分比误差为44.19%。结果表明:(1)CENTURY模型能比较准确地模拟这类草原的季节动态和年际变化;在过去的58年中,内蒙古典型草原温度增加,降水减少,ANPP下降;ANPP变化趋势与降水量相似。(2)用实际气象观测资料模拟获得的ANPP随气温和降水的变化呈现出明显的变化规律,生长季内地上生物量对降水和温度的季节性分布也非常敏感;相关分析进一步表明,ANPP对生长季内降水量和极端高温非常敏感,而与年极端最低气温、平均地面温度、日照时数、平均风速和最大积雪深度无显著相关关系;过去58年研究区ANPP下降是降水减少、温度升高以及干旱事件频发共同作用的结果。(3)根据预测,在SRES B2情景下,未来50～100年内蒙古典型草原生长季平均最高气温和最低气温都将呈升高趋势,2080s分别升高4.01℃、4.35℃,每10年增加速率分别为0.35℃和0.38℃;降水量略呈增加,2020s、2050s和2080s研究区生长季将分别增加3.17%、5.13%和7.03%,每10年增加速率为0.09mm;ANPP呈下降趋势年际间波动较大,2020s、2050s和2080s研究区将分别下降5.76%、7.52%和11.42%,每10年下降速率为0.76g.m-2。     

降水变化对内蒙古典型草原地上生物量的影响

降水格局的变化是气候变化影响干旱和半干旱区草原植物群落结构和功能的关键过程。作为植物群落结构和功能的基本组成单位——植物功能群——对气候变化的响应差异明显。有关不同植物功能群如何响应降水格局的研究, 有助于揭示气候变化对干旱与半干旱区生态系统关键功能与过程稳定性的变异机制。该文利用1982-2015年的典型草原群落地上生物量长期动态监测数据及其所对应的气候数据, 系统揭示降水变化对干旱与半干旱区生态系统生产力的影响。主要研究结果如下: 1) 1982-2015年内蒙古典型草原区降水变化特征明显, 主要表现在降水集中度呈显著的降低趋势; 小降水事件(≤5 mm)明显增多。2)降水变化导致群落生物量呈下降趋势。其中, 多年生丛生禾草的生物量呈上升趋势; 一二年生植物、多年生杂类草、多年生根茎禾类草的生物量均呈下降趋势。3)群落生物量与生长季降水量、降水集中度呈显著的正相关关系。各功能群中, 多年生杂类草、半灌木和生长季降水量呈显著正相关关系, 灌木与降水集中度呈显著负相关关系。4)群落生物量与各等级降水的频率相关性均不显著, 但与I-II类(0.1-10 mm)降水贡献率显著负相关。各功能群中, 多年生杂类草与I类降水(0.1-5.0 mm)的发生频率和降水贡献率均呈显著的负相关关系, 与VI类降水(20-25 mm)的发生频率和贡献率均呈显著的正相关关系。多年生根茎禾类草和VIII类降水(>35 mm)的发生频率和贡献率均呈显著的正相关关系。说明小降水事件的增加将显著降低群落的地上生物量, 小降水事件对干旱、半干旱区植被生长具有重要的生态学意义。     

草原生态系统生产力对降水格局响应的研究进展

全球变化背景下降水格局发生了显著改变,主要表现在年降水量、降水季节分配以及降水事件特征(单次降水事件雨量大小、两次降水之间的间隔时长和一年中降水事件的次数等)等几个方面,降水格局的改变将显著影响陆地生态系统功能,尤其是对生产力的影响.草原生态系统是对降水格局改变最敏感的生态系统之一,因此有必要了解草原生态系统生产力对降水格局响应的研究现状及存在的问题.本文首先综述了草原生态系统生产力对降水格局各个特征响应的国内外研究进展,进而从长期观测、控制试验、模型模拟3方面综述了目前降水格局对生产力影响的研究方法,最后从理论研究、研究方法两个方面提出了目前研究存在的问题以及未来的研究方向.本文将为预测草原生态系统如何响应未来气候变化以及在气候变化情景下进行草原生态系统管理提供重要科学依据.     

羊草草原地上生物量的预测

采用数量化理论对羊草草原地上生物量进行了预测 ,建立了 2个数学预测模型。检验结果表明 ,地上生物量预测值与实测值的相关性显著 ,地上生物量的鲜重和干重的复相关系数分别达到了 0 97和 0 95。在影响羊草草原地上生物量的生态因素和植被特征因素中 ,按其对生物量形成的贡献大小 (以得分范围衡量 ) ,贡献最大的为测定生物量时前一个月的降雨量 ,其次为土壤全氮含量 ,再次为测定生物量时前一个月≥ 1 0℃的积温 ,小于这三个生态因子影响大小的因素依次为草群总盖度、草群平均高度和羊草种群生长状况。所建模型不但包含了生态因素对地上生物量的影响 ,而且也包含了植被特征因素对地上生物量的影响 ,为准确预测草地生物量提供了一条新途径     

天山北坡不同海拔梯度山地草原生态系统地上净初级生产力对气候变化及放牧的响应

以天山北坡三工河流域为例,利用改进后的Biome-BGC模型分别模拟了仅气候变化（Clm）、气候变化与放牧联合作用（ClmGra）下研究区不同海拔梯度3种山地草原生态系统（低山干旱草原,LAG;森林草甸草原,FMG;高寒草甸草原,AMG）1959—2009年地上净初级生产力（Aboveground Net Primary Production,ANPP）的动态,并通过假设27种放牧强度情景（0—8 羊/ha）模拟了其ANPP随放牧强度增加的变化趋势。近50年气候变化致使研究区各海拔梯度草原生态系统ANPP整体均呈上升趋势,但在放牧联合作用下,不同草原类型ANPP变化趋势差异显著;放牧导致FMG和AMG的ANPP呈下降态势,分别减少30.0%和33.2%,对比之下,由于1980前较低放牧强度促进了LAG的ANPP,放牧导致其ANPP整体增加1.3%。随着放牧强度增加,LAG的ANPP呈先增后减趋势,且在干旱年份最为显著;而FMG和AMG的ANPP呈显著非线性递减趋势。这些结果表明,近50年气候波动可能有利于中亚干旱区山地草原生态系统生产力的提高,但日益增强的放牧活动导致其净初级生产力显著降低;放牧对FMG与AMG生产力的负面效应随放牧强度增加而增强,但适度放牧可能促进LAG净初级生产力,尤其在干旱年份。     

基于CASA模型的内蒙古典型草原植被净初级生产力动态模拟

 植被净初级生产力及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。在利用内蒙古典型草原连续13年的地上生物量资料对基于遥感信息的生态系统碳循环过程CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型验证的基础上, 分析了内蒙古典型草原1982~2002年植被净初级生产力(Net primary productivity, NPP)的时间变异及其影响因子。结果表明: 1) 1982~2002年21年间内蒙古典型草原的平均年NPP为290.23 g C·m^–2·a^–1, 变化范围为 145.80~502.84 g C·m^–2·a^–1; 2)内蒙古典型草原NPP呈增加趋势, 但没有达到显著性水平, 其中1982~1999年的18年间NPP呈现非常显著的增加趋势(p<0.01), NPP增加的直接原因是由于生长旺季生长本身增强所致; 3)内蒙古典型草原NPP与年降水量呈极显著的相关关系, 年降水量显著影响NPP的变异, 而NPP与年均温无显著相关关系。     

典型草原建群种羊草对氮磷添加的生理生态响应

由于人类活动和气候变化的共同作用, 大气氮(N)沉降日益加剧, 使得陆地生态系统中的可利用性N显著增加, 生态系统更易受其他元素如磷(P)的限制。然而, 目前关于N、P养分添加对草原生态系统不同组织水平的影响研究较少, 相关机制尚不清楚。该文以内蒙古典型羊草(Leymus chinensis)草原为研究对象, 通过连续两年(2011-2012年)的N和P养分添加实验, 研究建群种羊草的生理生态性状、种群生物量和群落初级生产力对N、P添加的响应及其适应机制。结果表明: 羊草草原不同组织水平对N、P添加的响应不同。群落水平上, 地上净初级生产力在不同降水年份均受N和P元素的共同限制, N、P共同添加显著提高了地上净初级生产力; 物种水平上, N、P添加对羊草种群生物量和密度, 以及相对生物量均没有显著影响, 表明羊草能够维持种群的相对稳定; 个体水平上, 在正常降水年份(2011年), 羊草生长主要受N素限制, 而在湿润年份(2012年), 降水增加使得羊草生长没有受到明显的养分限制。羊草通过增加比叶面积、叶片大小和叶片N含量, 提高整体光合能力, 以促进个体生长。总之, 内蒙古典型草原群落净初级生产力受N、P元素共同限制, 作为建群种的羊草, 其对N、P添加的响应因组织水平而异, 也受年际间降水变化的影响。     

东北羊草天然草地的初级生产力

羊草天然草地位于欧亚草原带的东部,广泛分布于苏联的贝加尔地区,蒙古人民共和国的北部和东部以及中国的内蒙古高原和东北平原。根据地带性植被的观点,以旱中生草本植物为优势,同时混生一定的中生草本植物的中国东北羊草天然草地属于草甸草原,它是中国温带的重要放牧场之一。 中国东北羊草天然草地的结构比较单一,单草种群在草地中居绝对优势地位。本项研究测定了羊草天然草地现存量的季节变化,其地上部分现存量的峰值出现在8月24日,为4758.33KJ/m²;地下部分现存量的峰值也出现在8月24日,为35977.65KJ/m²。羊草天然草地地上部分的净生产量为6288.06KJ/m²·a,地下部分的净生产量为19913.18KJ/m²·a,总净生产量为26198.24KJ/m²·a。     

荒漠短命植物地上和地下生产力对极端干旱和降水的响应

在古尔班通古特沙漠南缘沙垄4个坡位和坡向,设置减少65%和增加65%生长季降水量以模拟极端干旱和极端降水事件,研究极端干旱和极端降水事件对沙垄不同坡位和坡向短命植物层片生产力的影响。结果表明: 极端干旱使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著降低48.8%和13.7%,极端降水使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著增加37.9%和23.2%。地上净初级生产力对极端干旱和极端降水的敏感性(0.26和0.21 g·m^-2·mm^-1)显著强于地下净初级生产力的敏感性(0.02和0.03 g·m^-2·mm^-1)。沙垄东坡地上净初级生产力(24.22 g·m^-2)和地下净初级生产力(5.77 g·m^-2)与西坡相比显著增大29.7%和71.7%,而地上净初级生产力和地下净初级生产力对降水变化的敏感性在不同坡位和坡向之间差异不显著。     

Analysis of spatial and temporal patterns of aboveground net primary productivity in the Eurasian steppe region from 1982 to 2013

To explore the importance of the Eurasian steppe region (EASR) in global carbon cycling, we analyzed the spatiotemporal dynamics of the aboveground net primary productivity (ANPP) of the entire EASR from 1982 to 2013. The ANPP in the EASR was estimated from the Integrated ANPP_NDVI model, which is an empirical model developed based on field‐observed ANPP and long‐term normalized difference vegetation index (NDVI) data. The optimal composite period of NDVI data was identified by considering spatial heterogeneities across the study area in the Integrated ANPP_NDVI model. EASR's ANPP had apparent zonal patterns along hydrothermal gradients, and the mean annual value was 43.78 g C m^?2 yr^?1, which was lower than the global grasslands average. Compared to other important natural grasslands, EASR's ANPP was lower than the North American, South American, and African grasslands. The total aboveground net primary productivity (TANPP) was found to be 378.97 Tg C yr^?1, which accounted for 8.18%–36.03% of the TANPP for all grasslands. In addition, EASR's TANPP was higher than that of the grasslands in North America, South America, and Africa. The EASR's TANPP increased in a fluctuating manner throughout the entire period of 1982–2013. The increasing trend was greater than that for North American and South American and was lower than that for African grasslands over the same period. The years 1995 and 2007 were two turning points at which trends in EASR's TANPP significantly changed. Our analysis demonstrated that the EASR has been playing a substantial and progressively more important role in global carbon sequestration. In addition, in the development of empirical NDVI‐based ANPP models, the early–middle growing season averaged NDVI, the middle–late growing season averaged NDVI and the annual maximum NDVI are recommended for use for semi‐humid regions, semi‐arid regions, and desert vegetation in semi‐arid regions, respectively.     

Spatial variations in aboveground net primary productivity along a climate gradient in Eurasian temperate grassland: effects of mean annual precipitation and its seasonal distribution

Concomitant changes of annual precipitation and its seasonal distribution within the context of global climate change have dramatic impacts on aboveground net primary productivity (ANPP) of grassland ecosystems. In this study, combining remote sensing products with in situ measurements of ANPP, we quantified the effects of mean annual precipitation (MAP) and precipitation seasonal distribution (PSD) on the spatial variations in ANPP along a climate gradient in Eurasian temperate grassland. Our results indicated that ANPP increased exponentially with MAP for the entire temperate grassland, but linearly for a specific grassland type, i.e. the desert steppe, typical steppe, and meadow steppe from arid to humid regions. The slope of the linear relationship appeared to be steeper in the more humid meadow steppe than that in the drier typical and desert steppes. PSD also had significant effect on the spatial variations in ANPP. It explained 39.4% of the spatial ANPP for the entire grassland investigated, being comparable with the explanatory power of MAP (40.0%). On the other hand, the relative contribution of PSD and MAP is grassland type specific. MAP exhibited a much stronger explanatory power than PSD for the desert steppe and the meadow steppe at the dry and wet end, respectively. However, PSD was the dominant factor affecting the spatial variation in ANPP for the median typical steppe. Our results imply that altered pattern of PSD due to climate change may be as important as the total amount in terms of effects on ANPP in Eurasian temperate grassland.     

内蒙古羊草草原群落主要植物的热值动态

对内蒙古羊草草原主要植物种群的干重热值动态研究表明,热值随植物种类,植物部位,取样时植物所处物候期及气候条件的不同而变化,羊草草原主要植物种群地上部分热值的变动范围在15703－18141J／g之间,其中灌木小叶锦鸡儿（Caragang microphylla)的热值最高,禾草类植物的热值多数较高,而大多数杂类草的热值相对较低,主要植物种群地下部分热值的分布范围为15051－16410J/g。其中根茎型草地下部分热值较高。不同种类植物地下部分热值差异并不与地上部分一致,根茎型禾草地上、地下部分热值差异较小,而须根型植物差异较在,不同种群的植物地上部分热值随植物候期的不同而波动,其变化规律是与植物种群本身的生物学特性相联系的,不同植物种群热值的年际小 规律有所不同,羊草（Leymus chinensis)、大针茅（Stipa grandis)和洽草（Koeloria cristata)的年际热值波动相关显著。但与生长季降水量和生长季累积日照时数之间无明显相关性,在某种程度上,植物热值的 种内变化反映了植物生长状况的差异。     

干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积

采用涡度相关法, 分析了2004年(平水年)和2005-2006年(干旱年)生长季内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原的净生态系统碳交换(net ecosystem exchange, NEE)、总初级生产力(gross primary productivity, GPP)和生态系统呼吸(ecosystem respiration, R_e)的季节和年度变化。结果表明: 平水年羊草草原的日最大GPP和R_e分别为4.89和1.99 g C·m^-2·d^-1, 而干旱年GPP和R_e分别为1.53-3.01和1.38-1.77 g C·m^-2·d^-1。与平水年相比, 干旱年日最大GPP、R_e分别下降了38%-68%和11%-12%。平水年羊草草原累积的GPP、R_e分别为294和180 g C·m^-2, 而在干旱年分别为102-123 g C·m^-2和132-158 g C·m^-2。和平水年相比, 干旱年的GPP、R_e分别下降了58%-65%和12%-27%。用Van’t Hoff模型模拟的8个窄土壤含水量(θ)跨度生态系统呼吸(R_e)对土壤温度(T_s)的敏感程度表明: 曲线斜率在θ = 0.16-0.17 m³·m^-3范围内达到最大, 高于或者低于这个阈值, R_e对T_s的敏感度降低。干旱胁迫降低了生态系统生产力和生态系统呼吸量。与平水年相比, 干旱年的GPP比R_e下降的幅度更大, 干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积, 使生态系统由碳汇变为碳源。     

内蒙古羊草草原17年刈割演替过程中功能群组成动态及其对群落净初级生产力稳定性的影响

基于17 yr的野外实验数据,研究了内蒙古羊草草原群落刈割演替过程中的功能群组成动态,探索了功能群组成变化与群落净初级生产力(ANPP)之间的关系,分析了结构参数怎样影响功能参数.结果显示:在17 yr的割草演替过程中,群落的结构与功能均发生了变化.随着羊草群落刈割演替的进行,群落的功能群组成发生了显著变化,根茎禾草在群落中的优势地位相继被一、二年生植物、高丛生禾草和矮丛生禾草所取代.到17 yr末,群落变成根茎禾草、矮丛生禾草、高丛生禾草共同建群的群落.在对照群落中ANPP与年降水量显著相关,但在刈割群落中二者则不相关.年降水量解释对照群落ANPP变异的62%,而连年的刈割干扰则是刈割群落中ANPP动态的主要驱动因子.群落净初级生产则显出对刈割干扰的抵抗能力,在刈割干扰的前几年,依靠群落内功能群组成的不断调节,保持相对稳定的水平,当刈割进行5 yr之后,群落结构的变化积累到一定程度,净初级生产迅速下降到一个较低的水平,此后依靠群落结构的不断调节来维持这一功能水平.因此,群落结构是以渐变的方式改变的,而群落功能的下降则是以跃变的形式完成的.群落依赖于结构的不断调整来保持功能的相对稳定,但结构变化到一定程度也会导致功能的衰退.     

内蒙古羊草草原17年刈割演替过程中功能群组成动态及其对群落净初级生产力稳定性的影响(英文)

基于17 yr的野外实验数据,研究了内蒙古羊草草原群落刈割演替过程中的功能群组成动态,探索了功能群组成变化与群落净初级生产力(ANPP)之间的关系,分析了结构参数怎样影响功能参数。结果显示:在17 yr的割草演替过程中,群落的结构与功能均发生了变化。随着羊草群落刈割演替的进行,群落的功能群组成发生了显著变化,根茎禾草在群落中的优势地位相继被一、二年生植物、高丛生禾草和矮丛生禾草所取代。到17 yr末,群落变成根茎禾草、矮丛生禾草、高丛生禾草共同建群的群落。在对照群落中ANPP与年降水量显著相关,但在刈割群落中二者则不相关。年降水量解释对照群落ANPP变异的62％,而连年的刈割干扰则是刈割群落中ANPP动态的主要驱动因子。群落净初级生产则显出对刈割干扰的抵抗能力,在刈割干扰的前几年,依靠群落内功能群组成的不断调节,保持相对稳定的水平,当刈割进行5 yr之后,群落结构的变化积累到一定程度,净初级生产迅速下降到一个较低的水平,此后依靠群落结构的不断调节来维持这一功能水平。因此,群落结构是以渐变的方式改变的,而群落功能的下降则是以跃变的形式完成的。群落依赖于结构的不断调整来保持功能的相对稳定,但结构变化到一定程度也会导致功能的衰退。     

内蒙古典型草原羊草种群遗传分化的RAPD分析

运用 RAPD技术对内蒙古典型草原不同生境 8个羊草种群进行分析。采用 2 4个随机引物 (10 nt)在 8个种群中共检测到2 2 4个扩增片断 ,其中多态性片断 173个 ,总的多态位点百分率达 77.2 % ,特异性片断 2 2个 ,占 9.82 % ,平均每个引物扩增的DNA带数为 9.3 3条。利用 Nei指数和 Shannon指数估算了 8个种群的遗传多样性 ,并计算种群相似系数和遗传距离 ,运用UPGMA法进行聚类分析。结果表明 :羊草大部分的遗传变异存在于种群内 ,只有少部分的遗传变异存在于种群间 ,Nei指数和Shannon指数计算结果分别为 85.4%和 66.8% ;羊草不同种群的遗传多样性存在差异 ;8个羊草种群平均遗传距离为 0 .2 3 16,变异范围为 0 .1587～ 0 .2 70 0 ,说明 8个羊草种群间的遗传变异不大 ,即 :在较小地理范围内羊草的遗传分化程度较小 ;8个种群可聚为 3个类群 ,聚类结果显示生境相似的种群能够聚在一起 ,而地理距离最近的种群不一定归为一类 ,说明小范围内羊草种群间的遗传分化与地理距离不存在相关性 ,而与其生境间的相似度相关。影响遗传相似性的不是单一因子而是各种因子的综合作用 ,较小地理范围内羊草种群间的遗传分化主要是由环境的异质性所引起的