荒漠草原植物群落结构及其稳定性对增水和增氮的响应

通过在荒漠草原开展增水和增氮野外控制试验,研究增水和增氮对荒漠草原植物群落结构、物种多样性及群落稳定性的影响。结果表明：（1）增水和增氮处理显著影响了荒漠草原植物群落结构和地上生物量,而对植物群落稳定性影响不显著（P>0.05）。增水处理显著增加了豆科和禾本科植物地上生物量（101.3%和57.9%）（P<0.05）;增水+增氮处理显著增加了植物群落盖度（43.2%）和地上生物量（112.4%）及不同功能群（禾本科和杂类草）植物盖度（75.5%和47.3%）和地上生物量（139.3%和85.7%）（P<0.05）。与增氮处理相比,增水+增氮处理显著增加了植物群落和不同功能群（禾本科和杂类草）植物高度、盖度和地上生物量（P<0.05）。（2）增水、增氮和增水+增氮处理均显著降低了植物群落Pielou指数（11.7%、8.7%和10.2%）（P<0.05）。（3）增水和增水+增氮处理提高了荒漠草原植物群落稳定性,而增氮处理降低了荒漠草原植物群落稳定性。增水处理荒漠草原植物群落稳定性效应大于增水+增氮处理。研究表明,荒漠草原植物群落结构受到氮沉降和降水增加的共同影响。增加降水对荒漠草原植物群落稳定性的积极效应可能会抵消部分氮沉降的消极影响,荒漠草原植物群落地上生物量及群落稳定性可能有所增加。     

Aboveground net primary productivity and soil respiration display different responses to precipitation changes in desert grassland

荒漠草原区地上净初级生产力和土壤呼吸对降水变化的不同响应 降水变化既影响地上植被动态,也影响地下碳循环过程,尤其以干旱半干旱生态系统对降水的响应更为敏感。然而极端降水如何影响土壤碳固存潜力仍未得出明确结果。本研究在黄土高原西部荒漠草原样地实施了为期3年的降水控制实验,该实验包含5个降水梯度(即自然降水(对照),以及在自然降水基础上的减水40%、减水20%、增水20%、增水40%)。通过对不同降水处理下植物生长指标、地上净初级生产力(ANPP)、土壤水分和土壤呼吸(Rs)进行监测,采用双侧不对称模型揭示ANPP和Rs对降水变化的响应规律;采用结构方程模型,分析降水变化下影响ANPP和Rs的直接和间接因素。研究结果表明,ANPP对极端干旱的响应比极端湿润更敏感,在干旱和湿润年份均符合负向不对称模型。ANPP的变化主要受到降水的直接影响,同时,干旱年份植物密度的变化也对ANPP产生了影响。在湿润年份,Rs对降水变化的响应也呈负向不对称性。然而,干旱年份,Rs对降水变化表现出正向不对称响应,即对降水增加响应的敏感性高于降水减少,这可能与植物生长和ANPP对增水处理的正响应增加使自氧呼吸增强,及降水事件对异氧呼吸具有较强的‘Birch效应’有关。在干旱年份Rs对极端干旱(减水40%处理)表现出饱和响应。ANPP和Rs对降水格局改变的响应模式差异表明荒漠草原区极端湿润或干旱可能降低研究区土壤碳固存的潜力。     

模拟降雨量变化对黄河三角洲湿地植物群落特征的影响

气候变化背景下,降雨变化能够深刻影响河口湿地土壤水盐条件,而土壤水盐条件是影响植物群落特征的关键环境因子。本研究以黄河三角洲湿地植物群落为对象,依托野外降雨控制试验平台(减雨60%、减雨40%、自然对照、增雨40%、增雨60%),探讨了经过6年降雨处理后湿地植物群落特征对降雨量变化的响应及机制。结果表明: 随降雨量增加,土壤电导率显著降低,土壤湿度显著增大。降雨量变化影响了植物群落物种组成,增雨处理降低了碱蓬和盐地碱蓬的优势地位,提高了荻和白茅的优势地位。随降雨量增加,植物群落Shannon指数和Margalef丰富度指数显著提高。与对照相比,增减雨处理均降低了群落频度、多度和盖度,增雨60%处理群落频度显著降低54.9%,减雨60%、减雨40%、增雨40%、增雨60%处理群落多度分别显著降低38.9%、33.8%、35.8%和45.7%。随降雨量增加,植物群落地上生物量显著增加,但可能受淹水胁迫的影响,增雨60%处理地上生物量显著低于增雨40%。Margalef丰富度指数与地上生物量呈显著正相关;地上生物量、Shannon指数、Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数均与土壤电导率呈显著负相关;地上生物量与土壤湿度呈显著正相关。降雨量变化通过改变黄河三角洲湿地土壤水盐条件显著影响了植物群落生长特征、物种组成和多样性。     

高寒矮嵩草草甸植物类群对模拟降水和施氮的响应

 研究了青藏高原高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸植物类群对模拟夏季增减雨量、冬春增雪以及增施氮肥下的响应。结果表明：1999年模拟减少降雨20%～40%和增加雨量20%～40%下禾草类、杂类草和莎草类的综合优势比（SDR）和地上生物量变化均不显著。冬春增雪100%有利于禾草类夏季的生长,冬春增雪对植物类群的影响大于夏季雨量的增加。夏季增施氮150 kg·hm－2和增施氮300 kg·hm－2禾草类的盖度比、高度比、SDR和地上生物量明显增大,而杂类草的盖度比和高度比、SDR及地上生物量在施氮300 kg·hm－2下显著减低,在施氮150 kg·hm－2水平上禾草类的生物量的增加与杂类草生物量的降低存在相互补偿的作用机制。在水分资源不利的（如减少雨量）的干扰下,其敏感性表现为杂类草大于禾草类,莎草类最小。莎草类植物对各种处理下响应不敏感,也说明它对资源环境的波动有很强的适应性。缺水年（1999年）模拟增加雨量20%～40%的条件下,可缓解降水量减少的影响,相反模拟减少雨量20%～40%会增强干旱的影响程度。     

降水增加对古尔班通古特沙漠两种短命植物生长的影响

短命植物是荒漠生态系统中的重要组成部分,发挥着重要的生态功能,对其不同生长阶段形态特征及生物量积累与分配进行研究,有助于深入了解荒漠短命植物的功能特征及生存策略。本研究选取古尔班通古特沙漠2种短命植物——毛穗旱麦草和小花荆芥为对象,通过野外增水30%、50%,分析降水增加对二者不同生长阶段形态、生物量特征的影响。结果表明: 增水30%、50%均促进毛穗旱麦草植株生长,增水处理下叶面积增幅为14.2%～188.5%,繁殖器官生物量最大增幅为55.9%。增水对小花荆芥植株影响存在生长阶段的差异性,展叶期增水对小花荆芥植株生长均有促进作用,而果熟期增水50%小花荆芥叶面积、株高、繁殖器官生物量分别降低54.9%、20.5%、43.2%。两种短命植物对降水增加的响应具有物种特异性,未来降水增加可能会改变二者生存策略,进而对群落组成与结构产生影响。     

荒漠草原异质生境下猪毛蒿种群动态

以荒漠草原猪毛蒿种群为对象,设置风沙土、灰钙土和基岩风化沉积土3个生境下增水30%、减水30%和对照3个处理,编制猪毛蒿种群的动态生命表,绘制种群存活和死亡曲线,分析异质生境下猪毛蒿种群动态规律,研究猪毛蒿年内年际间种群动态特征.结果表明: 猪毛蒿种群存活曲线趋于Deevey-Ⅰ型,即生长前期存活率较高,趋于稳定状态,死亡率基本维持在较低的水平,生育期末种群死亡率则上升较快.各生境下猪毛蒿个体的存活数均呈前期波动后期下降的趋势,风沙土和灰钙土生境下死亡率的波动变幅较大,增减水处理对猪毛蒿种群死亡率的影响无显著差异.土壤类型对猪毛蒿株高、冠幅、密度、盖度和生物量均有显著影响,降水处理对猪毛蒿株高、冠幅和盖度影响显著,对密度和生物量无显著影响,而土壤类型和降水处理的交互作用仅对株高和冠幅有显著影响.基岩风化沉积土生境下猪毛蒿生物量的可塑性指数显著高于风沙土和灰钙土,灰钙土和基岩风化沉积土生境下盖度可塑性显著高于风沙土.增水处理的密度可塑性指数显著高于对照和减水处理.株高和冠幅的可塑性指数较高,说明在不同的生境压力下,猪毛蒿可以通过优先调节这两个参数来应对生境的变化.     

草原化荒漠草本植物对人工施加磷素的响应

荒漠地区因土壤水分和养分含量较低而限制了植被的生长,且磷素对于植物的生长具有重要的作用。利用人工施加磷素的控制实验研究了不同磷肥处理对荒漠区草本植物物种丰富度、多度、盖度、生物量、植物株高等群落学特征的影响。实验表明：物种丰富度和多度在施肥量分别为12.5,25和50 g?m-2的梯度下,施肥当年和第二年相较于对照均有所降低,且施肥梯度越高,降低越明显;植被盖度和地上部生物量则在两年的实验中表现出相似的规律,在不同的施肥梯度下均有所提高,高肥处理对其促进作用更大,且在降水充足的07年高于降水较少的08年,说明水肥耦合更有助于群落生产力的提高;优势种株高则对磷素的响应存在种间差异,年际间的差异也较大,这或许与荒漠植物本身特有的生物学特性有关。     

干旱荒漠区不同生活型植物生长对降雨量变化的响应

降水是荒漠生态系统过程和功能的最重要限制因子,荒漠生态系统中的植物物种对生长季降雨的变化极端敏感。根据生长季内每次降雨量,进行不同梯度的人工模拟降雨试验(减雨50%、减雨25%、增雨25%、增雨50%、增雨100%),以自然降雨为对照,研究植物生长对降雨量变化的响应。结果表明:生长季降雨量影响植物的生长和初级生产力,不同生活型植物对降雨量变化的响应显著不同;减雨处理减缓了柠条、油蒿新枝生长,但影响不显著;增雨25%未能显著促进柠条、油蒿新枝生长;50%增雨未能促进柠条新枝生长而能促进油蒿的新枝生长;5—7月,增雨100%能显著增加油蒿新枝生长量,仅能增加柠条6—7月生长量;1年生草本植物地上部分生物量随降雨量增加呈线性增加趋势,减雨50%显著降低了草本植物株高,而其他降雨处理对株高影响不显著。     

古尔班通古特沙漠南缘草本层对积雪变化的响应

草本层是古尔班通古特沙漠植物群落下层层片的构建者, 冬季积雪提供了其生长发育所需要的主要水分, 积雪的增加或减少对草本植物数量和生物量会产生显著的影响。该研究利用人工增减积雪的方法, 在古尔班通古特沙漠南缘设置了5个不同厚度的积雪处理: 0积雪、50%积雪、100%积雪、150%积雪和200%积雪, 其中100%积雪为自然积雪。采用1 m × 1 m的样方, 对草本层片的物种数、盖度、密度、高度进行了调查, 还采用收获法测定了草本层片的地上生物量和优势种小花荆芥(Nepeta micrantha)的单株地上生物量。对研究区内13个科29种草本植物的研究表明: 1)单位面积出土幼苗数量跟积雪厚度呈显著正相关关系, 草本层片的盖度、密度对积雪的变化响应显著, 随着积雪增加, 草本层片的密度和盖度呈递增趋势, 而草本层片的平均高度呈递减趋势, 但不同积雪处理间的物种数和总地上生物量没有显著差异; 2)积雪厚度与优势种的株高和地上生物量呈显著负相关关系, 积雪的增加导致优势种的单株生物量和株高显著降低; 3)积雪厚度的变化主要影响了草本层片植物种子萌发的数量, 但对物种数量没有显著影响。这表明: 虽然积雪是草本植物的主要水分来源之一, 但荒漠植物群落的草本植物对积雪的变化具有很强的缓冲能力, 即使积雪很少, 草本层片的物种构成也不会发生显著变化, 草本层片的净初级生产力也保持相对稳定。     

北疆一年生早春短命植物物种丰富度分布格局及其影响因素

理解植物多样性变化的影响因素一直是群落生态学和生物地理学研究的重要内容。大量研究显示, 植物多样性受到海拔、古气候、现代气候、土壤养分和地上生物量等一系列因素的影响。然而, 很少有研究综合考虑这些因素对植物多样性的影响和相对重要性。本研究以北疆一年生早春短命植物为研究对象, 以2017年和2018年对32个样地调查的物种丰富度为基础, 通过一般线性模型和偏最小二乘通径模型分析了海拔、气候因素(年平均温度、冬季降水、2‒5月降水以及末次冰期以来2‒5月降水变化距平)、土壤养分(pH、土壤有机碳、全氮、全磷、碳氮比、碳磷比和氮磷比)和地上生物量与该类植物物种丰富度平均值的关系及其相对重要性。结果显示: (1)一年生早春短命植物物种丰富度与海拔、年均温度、2‒5月降水、末次冰期以来2‒5月降水变化距平、土壤pH、土壤碳氮比和地上生物量均呈现显著的单峰型关系, 而与冬季降水之间表现为先降低后增加的变化趋势, 表明该类植物多样性同时受到多种因素的影响; (2)海拔、气候因素和土壤养分不仅对该类植物物种丰富度存在显著的直接影响, 也可通过改变地上生物量进而对其物种丰富度产生间接影响; (3)这些因素中, 气候因素是影响一年生早春短命植物物种丰富度的最主要影响因素, 其次分别为地上生物量、海拔和土壤养分。海拔、土壤养分、气候因素及地上生物量共同驱动了北疆地区一年生早春短命植物丰富度的变化。     

Impact of Precipitation Patterns on Biomass and Species Richness of Annuals in a Dry Steppe

Annuals are an important component part of plant communities in arid and semiarid grassland ecosystems. Although it is well known that precipitation has a significant impact on productivity and species richness of community or perennials, nevertheless, due to lack of measurements, especially long-term experiment data, there is little information on how quantity and patterns of precipitation affect similar attributes of annuals. This study addresses this knowledge gap by analyzing how quantity and temporal patterns of precipitation affect aboveground biomass, interannual variation aboveground biomass, relative aboveground biomass, and species richness of annuals using a 29-year dataset from a dry steppe site at the Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station. Results showed that aboveground biomass and relative aboveground biomass of annuals increased with increasing precipitation. The coefficient of variation in aboveground biomass of annuals decreased significantly with increasing annual and growing-season precipitation. Species richness of annuals increased significantly with increasing annual precipitation and growing-season precipitation. Overall, this study highlights the importance of precipitation for aboveground biomass and species richness of annuals.     

不同干扰方式对内蒙古典型草原植物种组成和功能群特征的影响

研究休牧、补播和自由放牧3种人为干扰方式对内蒙古典型草原群落植物种组成、功能群组成、群落物种多样性和地上生物量的影响.结果表明: 3种干扰方式对植物功能群结构及其多样性有显著影响,休牧方式下群落植物种数量、地上生物量、多样性指数和丰富度指数最大,分别为22种、171.32 g·m^-2、1.46和5.7,灌木半灌木和多年生禾草的重要值、物种所占比例、地上生物量、多样性指数、丰富度指数和均匀度指数显著高于其他干扰方式,多年生杂类草的重要值、物种所占比例、地上生物量、多样性指数和均匀度指数显著低于其他干扰方式,中生植物、C3和C4植物的地上生物量最大,分别为22.22、143.35和27.97 g·m^-2.补播方式下,中旱生植物地上生物量最大,为13.60 g·m^-2,旱生植物物种所占比例最小(48.5%),C4植物物种所占比例最大(28.8%).自由放牧方式下,一、二年生草本植物物种所占比例最大,达12.3%,中生植物和C4植物所占比例最小,分别为17.0%和20.9%.春季休牧措施有利于退化草原的恢复.     

Response of Alpine Plants to Nitrogen Addition on the Tibetan Plateau: A Meta-analysis

To identify the general effects of nitrogen addition on alpine plants, we used a meta-analysis approach to synthesize 599 observations from 51 studies on the Tibetan Plateau. Nitrogen addition significantly increased plant height by 19.0 %, plant biomass by 29.7 %, graminoid aboveground biomass by 89.8 %, and sedge aboveground biomass by 75.6 % but significantly decreased legume aboveground biomass by 34.5 %, forb aboveground biomass by 23.8 %, and species richness by 11.2 %. The effect of nitrogen addition on aboveground plant biomass and plant height increased with increasing the nitrogen addition rate. The effect of nitrogen addition on plant height increased with increasing mean annual precipitation but decreased with increasing mean annual temperature. Our findings suggested that the effect of nitrogen addition on alpine plants varied with plant functional types and nitrogen addition rate. In addition, climatic warming and precipitation changes may regulate the response of alpine plants to nitrogen addition on the Tibetan Plateau.     

黄土高原近10年植被覆盖的动态变化及驱动力

基于Timesat的非对称高斯函数(AG)拟合法重建MODIS-NDVI数据,利用像元二分模型估算了黄土高原近10年的植被覆盖度(VC),并分析了年植被覆盖度的变化趋势和其与降水温度的相关性。研究结果表明:黄土高原植被覆盖度总体上呈现东南高西北低、由东南向西北递减的特征。其中森林生态系统平均覆盖度最高,灌木、草地生态系统次之,荒漠生态系统最低,空间差异明显。2010年森林生态系统植被覆盖度达到81.6%,主要包括太行山、吕梁山和秦岭地区。暖温带森林区植被组成以落叶阔叶林为主,覆盖度常年较高,为80%以上。西北部温带草原区,植被覆盖度达到38.8%。温带草地主要依水分梯度,由东南到西北分布有以旱生性多年生草本植物为主的典型草原,植被覆盖度呈现相应的递减趋势。黄土高原总面积78.6%的地区年植被覆盖度呈增加趋势;而占总面积19.4%的地区年植被覆盖度呈下降趋势。在空间分布上,植被覆盖度显著增加的区域主要分布在榆林至延安周边地区和秦岭一带;植被覆盖度显著减少区域沿兰州至银川呈条带状分布。     

大兴安岭森林草原过渡带典型植物群落动态变化特征

大兴安岭森林草原过渡带是大兴安岭森林与呼伦贝尔草原接壤的关键区域。由于过渡带本身的脆弱性,气候变化和过度放牧等人为因素的干扰导致区域内植物群落结构和功能发生剧烈变化。然而,气候变化和放牧双重作用对森林草原过渡带草地植物群落动态影响的研究还鲜有报道。以内蒙古陈巴尔虎旗森林草原过渡带为研究对象,分别于2008、2009、2010和2019年沿着草甸草原—森林草原过渡区域—林间草地—森林的梯度进行野外调查,对比分析11年间受气候变化和过度放牧的双重干扰下,该区域植物物种丰富度、Raunkiear生活型功能群、牧草饲用价值以及群落生物量随时间的变化动态。结果表明：从总体上看,与2008—2010年均值相比,2019年植物物种数量明显下降,其中禾本科牧草减少10余种;植物Raunkiear生活型功能群组成发生显著变化,其中一、二年生植物物种数增加4%,地面芽植物降低8%;牧草饲用价值中优等牧草所占比例下降5%,劣等牧草比例增加7%;总地上生物量显著下降35%。在过渡带各区段中,草甸草原群落结构和功能受气候和过度放牧影响更加明显。与2008—2010年均值相比,2019年草甸草原群落物种丰富度降低...     

Effects of additional N on herbaceous species of desertified steppe in arid regions of China: a four-year field study

Human-induced nitrogen (N) enrichment is impacting the structure and function of grassland ecosystems, although few studies have been conducted in arid and semi-arid ecosystems under field conditions. Here, a 4-year multi-level N addition experiment under ambient precipitation in a typical temperate desert steppe in arid regions of China was designed to evaluate the impact of N enrichment on the herbaceous vegetation community in desert ecosystems. The results showed that species richness declined in response to N addition during all 4 years, while aboveground biomass increased in the relatively wet year (2007) and decreased in the relatively dry years (2008–2010) according to N addition level, as compared to the control. Plant community composition differed among plant functional groups (PFGs) based on added N. Perennial grasses (PG) benefited more compared with annuals and perennial forbs (PF) from N enrichment in terms of biomass production under conditions of high precipitation in 2007. In relatively dry years, biomass production of all PFGs was strictly dependent on inter- and intra-annual precipitation, which led PG to dominate in 2008 (with a dry spring) and PF to dominate in 2009 and 2010. Our results demonstrate that the impact of N enrichment on the herbaceous vegetation community in desert steppes may be strongly dependent on natural precipitation patterns characterized by shifts in plant community composition, particularly in terms of biomass production.     

Above- and belowground responses to nitrogen addition in a Chihuahuan Desert grassland

Increased available soil nitrogen can increase biomass, lower species richness, alter soil chemistry and modify community structure in herbaceous ecosystems worldwide. Although increased nitrogen availability typically increases aboveground production and decreases species richness in mesic systems, the impacts of nitrogen additions on semiarid ecosystems remain unclear. To determine how a semiarid grassland responds to increased nitrogen availability, we examined plant community structure and above- and belowground net primary production in response to long-term nitrogen addition in a desert grassland in central New Mexico, USA. Plots were fertilized annually (10 g N m⁻²) since 1995 and NPP measured from 2004 to 2009. Differences in aboveground NPP between fertilized and control treatments occurred in 2004 following a prescribed fire and in 2006 when precipitation was double the long-term average during the summer monsoon. Presumably, nitrogen only became limiting once drought stress was alleviated. Belowground NPP was also related to precipitation, and greatest root growth occurred the year following the wettest summer, decreasing gradually thereafter. Belowground production was unrelated to aboveground production within years and unrelated to nitrogen enrichment. Species richness changed between years in response to seasonal precipitation variability, but was not altered by nitrogen addition. Community structure did respond to nitrogen fertilization primarily through increased abundance of two dominant perennial grasses. These results were contrary to most nitrogen addition studies that find increased biomass and decreased species richness with nitrogen fertilization. Therefore, factors other than nitrogen deposition, such as fire or drought, may play a stronger role in shaping semiarid grassland communities than soil fertility.