高寒草甸植物碳氮组成及其稳定同位素特征

采用稳定同位素质谱仪Isoprime100,对采自黄河源区典型高寒草甸和人工改良草地的主要植物进行了碳、氮组成及其稳定同位素丰富度测定,判断植物光合类型,探讨稳定碳氮同位素丰富度对草地植被演替的响应。结果表明:(1)研究区58种主要植物碳元素含量在28.64%~51.55%之间,氮元素含量介于0.89%~4.04%,δ13 C值变化范围介于-29.50‰~-24.69‰,δ15 N值介于-4.57‰~8.32‰。(2)不同样地植物碳含量的大小顺序为人工草地(45.54%)未退化草甸(43.18%)轻度退化草甸(42.18%)严重退化草甸(39.68%),氮元素含量顺序为未退化草甸(2.30%)人工草地(2.28%)轻度退化草甸(2.13%)严重退化草甸(2.10%),表明草甸退化会引起植物碳氮含量的降低。(3)未退化草甸、人工草地、轻度退化草甸和严重退化草甸的δ13 C值依次为-25.63‰、-26.57‰、-26.76‰和-27.91‰,δ15 N值依次为-0.63‰、0.32‰、2.76‰和0.26‰。研究认为,黄河源区高寒草甸和人工改良草地的58种主要植物均属C3植物,没有发现C4和景天酸代谢(CAM)植物,低的年均气温可能是制约该区C4植物分布的主要因素;植物δ13 C值随草地退化程度加剧而逐渐降低,但δ15 N值的变化无规律性趋势。     

青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力

为了揭示青藏高原高寒草甸生态系统植被变化对碳储量的影响,以原生矮嵩草草甸、退化草甸、人工草地以及农田为研究对象,对比分析了该4种不同土地格局下生态系统的有机碳现状.以原生矮嵩草草甸土壤碳储量为基准对不同类型高寒生态系统的碳增汇潜力进行了估算.结果表明:不同类型生态系统的碳储量和碳增汇潜力有很大差异,在0-40cm土层中,(1)原生草甸碳储量最高,达到17098 g C/m2,退化草甸、人工草地和农田的有机碳汇增加潜力分别为:5637、3823、1567 g C/m2.(2)对于退化草甸和人工草地,土壤有机碳含量和密度明显低于原生草甸和农田.(3)地下生物量碳储量主要集中在0-20cm,且原生草甸地下生物量的碳储量比其他3个植被类型高3.6-5倍.总体上,青藏高原草地生态系统存在巨大的碳增汇潜力.     

氮磷共限制青藏高原高寒草甸生态系统碳吸收

随着人类活动加剧,青藏高原高寒草地面临外来资源输入的威胁,而外源资源输入如氮、磷、钾(N、P、K)及其交互作用如何影响高寒草地生态系统碳循环尚不明确.本研究在藏北高寒草甸进行了连续3年N、P、K元素交互的添加试验,测定群落盖度和生态系统碳交换等数据,旨在阐明资源添加对高寒草甸生态系统碳交换过程的影响.结果 表明:在植物...     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中, 氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史, 综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例, 包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率, 利用¹⁵N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题, 以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中,氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史,综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例,包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率,利用~(15)N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题,以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

青藏高原海北高寒湿地和草甸生态系统碳库对比

青藏高原高寒湿地和草甸生态系统碳库对我国陆地生态系统碳循环具有极为重要的作用。本研究以青藏高原海北高寒湿地塔头、塔间以及高寒草甸3种生境为对象,分析了3种生境下植被碳库、土壤碳库(0~30 cm)以及生态系统总碳库的差异。结果表明:湿地塔头和塔间的植被碳库分别为1.54±0.11和1.57±0.20 kg·m~(-2),显著高于草甸植被碳库(0.83±0.05 kg·m~(-2)),尤其是植被地下碳库;湿地塔间的土壤有机碳(SOC)库为21.99±1.18 kg·m~(-2),显著高于湿地塔头和草甸的SOC库,湿地塔头与草甸的SOC库没有显著差异;湿地塔间的总碳库最大,为23.53±1.18 kg·m~(-2),湿地塔头总碳库为19.53±1.43kg·m~(-2),草甸总碳库为18.70±0.81 kg·m~(-2),湿地塔头与草甸的总碳库没有显著差异。因此,建议在未来的高寒湿地碳库估算中将湿地塔头和塔间碳库予以区分,有助于精确估算高寒湿地碳库。     

高寒草甸消费者种群稳定碳、氮同位素组成的海拔分异

通过测定青藏高原东部高寒区不同海拔主要植物和消费者种群（雀形目鸟类和小型哺乳类）的稳定碳、氮同位素比值,研究了高寒草甸消费者种群同位素组成特征及其影响因素。结果表明：植物平均稳定碳同位素随海拔升高表现出明显的增加趋势;消费者种群稳定碳、氮同位素随海拔的升高有明显的富集效应。雀形目鸟类种群稳定碳、氮同位素随海拔的升高均呈明显增加趋势;小型哺乳类稳定碳同位素随海拔上升不明显,而稳定氮同位素具有明显的增大趋势。消费者种群稳定碳、氮同位素沿海拔梯度的富集效应,一方面与植物稳定同位素在海拔梯度上的富集密切相关;另一方面与海拔和纬度变化所引起一系列环境因子的变化在一定程度上影响到动物的稳定同位素分布模式。另外,在高寒草甸地区,与雀形目鸟类相比,小型哺乳类在动物稳定同位素组成的代谢过程中更容易受到环境改变的影响。     

青藏高原高寒草甸生态系统碳通量特征及其控制因子

青藏高原特殊的气候变化特征,在区域生态系统碳动态平衡起着重要作用。本文就青藏高原不同生态系统CO2通量的时空变化及其影响因子和控制途径进行综述,以明确青藏高原植草地生态系统的碳源汇状况及时空变化特征,为全球变化的研究提供依据。     

稳定同位素技术在水域生态系统研究中的应用

稳定同位素作为一种天然的示踪物,应用十分广泛,其在水域生态学中的应用也日益受到重视。生物同位素组成总是与其食物同位素组成相一致,能随食物的改变而相应地发生改变,是生物生存状况的理想指示物,为水域生态系统食物网结构与功能、物质流与能量流的研究提供了有力的技术支撑。在综评稳定同位素技术原理与方法的基础上,较为详细地对其应用于水域生态研究的理论基础与进展进行了总结。该方法的应用以水域中生产者同位素组成差异为前提,主要涉及确定食物来源、食物的贡献比例、营养级的确定、食物网结构的构建及鱼类等水生生物的洄游及迁移路线等方面,这些研究对了解生态系统的动态变化与外界环境对其影响具有重要意义。并对我国此类研究的前景和存在问题进行了探讨。     

增温对青藏高原高寒草甸生态系统固碳通量影响的模拟研究

低温被广泛认为是高寒草甸生态系统首要限制性因子,因此增温可能会在某种程度上促进初级生产力,但是也可能由于土壤水分、N素营养状况的改变形成新胁迫而抑制生产力提高。此外,生态系统呼吸由于增温而提高的幅度也可能高于初级生产力提高的幅度,造成总碳库平衡的改变。利用青藏高原海北高寒草甸实测数据对生态系统过程模型Biome-BGC(V.4.2)进行了参数化,并利用研究区实测土壤水分(0-40 cm)和其它观测数据对模型进行了检验,证明模型模拟结果较为可靠。模型使用2005-2008年的海北气象站实测气象数据包括气温、降水等作为驱动数据,模拟了增温1.2-1.7℃下青藏高原海北定位站高寒草甸生态系统碳通量的变化,并整合分析增温试验平台上已发表的试验,与模拟结果进行对比,探讨增温对海北高寒草甸生态系统碳收支的可能影响。结果表明:2005-2008年青藏高原高寒草甸生态系统为弱的碳汇,短期增温导致系统净碳固定增加。增温直接影响系统碳通量,也通过土壤水分和土壤矿化氮变化间接影响碳通量,相比土壤水分和氮素,增温对影响碳通量变化过程中的效应更大;研究也揭示,在增温条件下,植物对土壤矿化氮的吸收量小于有机质分解产生的土壤矿化氮量,土壤矿化氮含量增加。     

青藏高原高寒草甸净生态系统碳交换对散射辐射变化的响应

青藏高原是地球上接收太阳辐射能最多的地区之一,具有世界上最高的高寒草甸生态系统,对区域乃至全球碳循环起着重要作用.为了探究太阳辐射变化对高寒草甸生态系统碳动态的影响,本研究利用涡度相关技术和微气象观测系统对高寒草甸生态系统CO₂净交换(NEE)、太阳总辐射、散射辐射及其相关环境要素进行观测;根据晴空指数(CI,到达地面的太阳辐射与大气上界太阳辐射的比值)将天空状况划分为晴天(CI≥0.7)、多云(0.32·m^-2·s^-1)对应的光量子通量密度(PPFD)约为1400 μmol·m^-2·s^-1,出现在CI为0.6～0.7范围内的多云天空,高于CI≥0.7的最高值(-0.57 mg CO₂·m^-2·s^-1)(NEE负值为碳吸收,正值为排放,为方便起见在此均用绝对值描述);CI<0.6条件下,NEE随散射辐射的增加呈显著的对数增加;CI在0.6～0.7范围内,NEE达到最大值,CI≥0.7时,NEE随CI的上升呈降低趋势,说明生态系统的光合作用可能出现了光抑制现象,且散射辐射的增加有利于提高生态系统固碳能力;生态系统呼吸(R_e)随温度升高呈明显的指数上升趋势,高寒草甸NEE最高值对应的温度为15 ℃,当温度高于15 ℃时,NEE随温度的升高呈下降趋势.晴天状况下,温度升高增加了R_e,进而降低了NEE.当饱和水汽压差(VPD)<0.6 kPa时,NEE随VPD增加呈增加趋势;当VPD>0.6 kPa时,NEE随VPD的升高呈缓慢下降趋势,说明相对较高的VPD抑制了生态系统的光合作用.晴天的强辐射并不能促进青藏高原高寒草甸的碳吸收能力,而晴空指数在0.6～0.7范围的多云天气最有利于生态系统碳固定.     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度,经过几十年的发展,形成了一系列成熟的标记方法,在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前,自然丰度法、与13C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法;通过将长期定位实验和室内模拟实验结合,量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征,明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制;阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献,评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而,生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响,碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪,结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制,从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此,该文以稳定碳同位素为主,综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展,归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景,并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

高寒草甸生态系统食物链结构分析--来自稳定性碳同位素的证据

稳定性同位素技术应用于生态系统物质流动和食物链营养关系的研究方法 ,是基于生物体内天然存在的同位素比值与它们食物密切相关这一原理建立起来的。即将生物体内的稳定性同位素比值 (如δ1 3C)作为一自然标记 ,根据物种间该值的相对差异 ,追踪生态系统中的主要物质 (如碳源 )的来源和物质流动。于 2 0 0 2年 4～8月测定了高寒草甸生态系统主要生物群落中物种的稳定性碳同位素比值 (δ1 3C) ,依据得到的系统的富集因子( 1 0 5± 0 4 5 )‰ ,分析并确定了所测物种间的取食与被取食关系。结果发现 :高寒草甸生态系统由 5条主要的食物链构成 ,其中 1条为“植物→小型哺乳类→食肉兽 /猛禽”的三节点食物链 ,2条为“植物→牲畜和植物→植食性鸟类”的二节点食物链 ,2条分别为“植物→昆虫→雀形目鸟类→猛禽 /食肉兽”和“植物→昆虫→两栖类→猛禽 /食肉兽”的四节点食物链 ;系统食物链的最大长度为 3 5 3 ,与系统的最大节点数相近。表明稳定性碳同位素可以作为分析高寒草甸生态系统食物网和食物链结构以及食物链长度的有效代理 (proxy)。     

增氮对青藏高原东缘典型高寒草甸土壤有机碳组成的影响

土壤有机碳动态是陆地生态系统碳平衡研究的关键环节,有关青藏高原高寒草甸土壤有机碳组成对大气氮沉降增加的响应研究至今尚未开展。基于中国科学院海北生态站的大气氮沉降模拟控制实验平台,于2010年5月、7月和9月中旬分别测定不同施氮处理下0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤中粗颗粒态有机碳(CPOC)、细颗粒态有机碳(FPOC)和矿质结合有机碳(MOC)含量,研究不同施氮类型(NH4Cl,(NH4)2SO4和KNO3)和施氮水平(0、10、20、40 kgN.hm-.2a-1)对土壤POC和MOC含量以及POC/MOC比值的影响。结果表明:青藏高原高寒草甸土壤POC积聚在土壤表层,占总土壤有机碳(SOC)含量的64%以上,稳定性较差。施氮水平显著改变了土壤CPOC、FPOC和MOC含量,而施氮类型的影响不显著。不同月份土壤POC和MOC含量对增氮的响应不同,反映了SOC组分对增氮响应的时间异质性。在生长季中期,施氮倾向于增加表层土壤POC含量,而在生长季初期和末期恰好相反。土壤MOC对增氮的响应不敏感。另外,施氮显著降低生长季初期表层土壤POC/MOC比例,SOC稳定性增加。表明,青藏高原高寒草甸土壤有机碳活性组分较高,未来大气氮沉降增加短期内即可降低活性有机碳含量,相应地改变了其组成和稳定性。     

青藏高原纳木错高寒草甸生态系统碳交换对多梯度增水的响应

高寒草甸是青藏高原的主要草地类型, 对青藏高原生态系统碳收支具有重要的调节作用。目前, 有关高寒草甸生态系统碳交换对气候变化的响应所知甚少, 尤其是降水变化会如何影响高寒草甸碳交换过程的相关研究非常匮乏。该文作者于2013和2014年的生长季(5-9月)在青藏高原纳木错地区高寒草甸进行多梯度人工增水实验, 设置对照和5个水分添加梯度, 分别增加0%、20%、40%、60%、80%和100%的降水, 以研究高寒草甸生态系统在不同降水量条件下的碳交换变化。增水处理后, 各处理梯度之间的土壤温度没有显著差异, 而土壤含水量在不同增水处理后出现显著变化, 相对于对照, 增水幅度越大, 对应的土壤含水量越高。综合2013和2014年的观测结果, 高寒草甸生态系统整体表现为碳吸收, 在20%增水处理中, 净生态系统碳交换(NEE)达到最大值, 随着模拟的降水梯度进一步增加, NEE逐渐下降; 增水处理对生态系统呼吸(ER)无显著影响; 总生态系统生产力(GEP)的变化趋势与NEE一致, 即随着增水梯度增大, GEP先增加, 并在增水20%处理达到最大值, 随后GEP开始降低。研究表明, 在高寒草甸生态系统, 水分是影响GEP和NEE的重要因素, 对ER影响较弱; 未来适度的增水(20%-40%)能促进高寒草甸生态系统对碳的吸收。     

若尔盖草甸退化对土壤碳、氮和碳稳定同位素的影响

为了解不同退化阶段高寒草甸土壤碳、氮和碳稳定同位素的差异,对若尔盖湿地内沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸3个阶段土壤的碳、氮和碳稳定同位素进行了分析.结果表明:若尔盖湿地草甸土壤δ¹³C 值介于-26.21‰～-24.72‰之间,土壤δ¹³C 值随土层加深而增大.土壤δ¹³C 值与有机碳含量对数值呈线性负相关.表层土壤(0～10 cm)δ¹³C值大小顺序为草原化草甸>退化草甸>沼泽草甸,β值大小顺序为草原化草甸>沼泽草甸>退化草甸.沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸0～30 cm 土壤碳含量分别为105.32、42.11和31.12 g·kg^-1,氮含量分别为8.74、3.41和2.81 g·kg^-1,C/N分别为11.26、11.23和10.89.随着草甸的退化,土壤碳、氮呈降低趋势,退化草甸C/N值低于沼泽草甸和草原化草甸.随着土层深度加深,碳、氮含量呈现降低趋势.草甸退化导致的土壤δ¹³C 值差异主要发生在表层0～10 cm.3个退化阶段中,退化草甸土壤的β值和C/N最低,表明退化草甸土壤矿化作用较强.     

短期增温与施氮对青藏高原高寒沼泽草甸生态系统CO_2排放的影响

采用开顶式增温小室(OTC)和外源氮素添加的方式,研究了气温升高、氮沉降增加及其交互作用对青藏高原腹地生长季沼泽草甸生态系统呼吸的短期影响。结果表明:增温、施氮及其交互作用通过促进植物生物量积累、增加微生物数量与活性以及改变土壤养分状况,对沼泽草甸生态系统呼吸速率均产生了显著的促进作用;生态系统呼吸与单一环境因子间符合指数或二次多项式关系,但两种关系的显著性随着样地处理方式趋向复杂而逐渐降低;由于沼泽草甸充足的水分条件,气温和土壤温度共同决定了不同处理内80%的生态系统呼吸变异;增温使地上与地下生物量显著增加,但地下生物量的分配比例上升;施氮使地上生物量明显增加,但对地下生物量的影响不显著;增温同时施氮使地上及地下生物量均显著上升,但生物量的分配格局变化并不显著。     

碳稳定同位素技术在植物水分胁迫研究中的应用

植物体的碳稳定同位素组成主要由植物本身的生物学特性决定 ,但环境胁迫对其影响也十分明显。综述了碳稳定同位素技术在研究植物水分利用效率、生物量高低及判断历史气候依据等研究领域的进展 ,阐明了植物体的 δ1 3C值对干旱、盐分及其它环境因素的变化所引起的水分胁迫的响应 ,并对碳稳定同位素对水分胁迫的响应机理进行了归纳和推断