氮添加对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

生态系统碳交换(NEE)是评估碳循环及平衡的重要指标,由生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)共同决定。以往研究表明,N添加能显著促进草地生态系统植物的生长进而提高生态系统的生产力,但N添加如何影响生态系统碳交换的结论仍不明确。同时,对于不同剂量的N添加对生态系统碳交换影响有何差异也不清楚。于2012和2013年在内蒙古草原开展N添加控制实验,设置中等剂量(10 g N m~(-2)a~(-1),N10)和高等剂量(40 g N m~(-2)a~(-1),N40)两个N添加处理,并采用生态系统原位观测箱系统监测不同N处理条件下的NEE动态。结果表明:2年中等剂量N添加处理(N10)下GPP较对照分别增加了15.6%和20%,而ER的变化不显著,该处理下NEE较对照显著降低了230%和337%(即固碳能力增强)。与中等剂量N添加处理结果不同,高等剂量N添加处理下GPP和ER均有不显著的降低趋势,同时,尽管该处理下NEE有升高的趋势(即固碳能力降低),但并不显著。土壤水分改善、土壤温度下降以及叶片N浓度增加可能是中等剂量氮添加促进该生态系统固碳能力的重要机制,而土壤酸化和物种组成改变可能是导致高等剂量N添加下生态系统固碳能力低于中等剂量的重要原因。研究结果表明,不同剂量N添加对生态系统生产力与呼吸的作用机制存在差异,导致生态系统固碳能力有着明显区别。     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

基于遥感和过程模型的亚洲东部陆地生态系统初级生产力分布特征

利用美国环境预测中心的再分析气象资料和由GIMMS NDVI 资料生成的叶面积指数对BEPS生态模型进行驱动,模拟分析了2000-2005年亚洲东部地区总初级生产力（GPP）和总净初级生产力（NPP）的时空变化特征.在进行区域模拟计算前,使用15个站点不同生态系统的GPP观测数据及1300个样点的NPP观测数据对模型进行验证.结果表明： BEPS模型能较好地模拟不同生态系统的GPP和NPP变化,模拟的GPP与观测数据之间的R2为0.86～0.99,均方根误差（RMSE）为0.2～1.2 g C·m-2·d-1;BEPS模拟值能够解释78%的年NPP变化,其RMSE为118 g C·m-2·a-1.2000-2005年,亚洲东部地区GPP和NPP总量平均值分别为21.7和10.5 Pg C·a-1.NPP和GPP具有相似的时空变化特征.研究期间,NPP总量的变化范围为10.2～10.7 Pg C·a-1, 变异系数为2.2%.NPP由东南向西北显著减少,高值区〖JP2〗（>1000 g C·m-2·a-1）出现在东南亚海岛国家,我国的西北干旱沙漠地区为低值区（<30 g C·m-2·a-1）,〖JP〗其空间格局主要由气候因子决定.不同国家的人均NPP差异很大,其中,蒙古最高,达70217 kg C·a-1,远高于中国的人均NPP（1921 kg C·a-1）,印度的人均NPP最小,为757 kg C·a-1.     

草地群落多样性和生态系统碳氮循环对氮输入的非线性响应及其机制

理解草地生态系统结构和功能对氮富集的响应及其机制有助于准确评估大气氮沉降等外源氮输入的生态效应。全球范围内建立的多水平氮添加实验为认识草地生态系统结构和功能对氮输入的非线性响应机制提供了有效途径。为了反映学术界基于多水平氮添加控制实验取得的主要研究进展,该文综述了草地群落多样性和生态系统碳氮循环过程对外源氮输入的非线性响应特征及其驱动机制。按照目前的研究,氮输入会导致草地植物物种多样性、功能多样性以及土壤细菌多样性下降,但真菌多样性的变化并不明显。地上和地下生产力对氮输入的响应趋势存在差异:地上生产力沿氮添加梯度呈“先上升后饱和”的变化规律,而根系生产量和根冠比呈下降趋势,根系周转速率则呈“先上升后下降”的单峰格局。不同碳分解过程对氮输入的响应也不尽相同:凋落物分解速率沿氮添加梯度表现出“指数衰减、线性增加或无显著变化”的多元响应,而土壤呼吸和CH₄吸收速率与施氮量的关系则以“低氮促进、高氮抑制”的单峰趋势为主。类似地,不同土壤碳组分对氮输入的响应存在差异:氮添加总体会导致草地土壤碳库和颗粒态有机碳含量增加,而矿物结合态碳含量随施氮量呈“增加、不变或下降”的多元响...     

基于植被生产力的西南地区生态系统脆弱性特征

中国西南地区是全球生物多样性保护的重要地区之一.在全球气候变化背景下,该地区生态系统呈现出脆弱性增加的趋势.本研究基于生态系统总初级生产力(GPP),根据IPCC有关脆弱性的概念,计算西南地区生态系统的脆弱性,并分析了该区脆弱等级的空间分布格局,以及生态系统脆弱性与降水、温度、海拔、坡度和植被类型等因子间的相关性.结果表明: 西南地区生态系统脆弱性呈现由东南向西北逐渐增强的趋势,区域内多数地区为轻度、中度脆弱区(二者共占69%).脆弱等级随着区域内年平均降水量、多年平均温度的增加而减少,随着区域内海拔、坡度的增加而增加.西南喀斯特山区和西北山地农牧交错区呈现较高的脆弱性,更容易受气候变化或其他外界扰动的影响.针叶林、灌丛和草地的脆弱性相对较高,未来可能更容易受到气候变化的影响.     

中国温带草地物候对气候变化的响应及其对总初级生产力的贡献

气候变暖引起的植物物候变化影响了陆地生态系统功能和碳循环。目前研究着重关注温带和热带森林物候变化趋势、驱动因素,关于干旱半干旱地区草地物候变化及其对生态系统总初级生产力（gross primary productivity, GPP）影响仍知之甚少。因此,开展草地植物物候与生产力之间的关系研究对预测草地生态系统响应未来气候变化和区域碳循环至关重要。基于1982-2015年气象资料和GIMMS NDVI3g数据,分析了中国温带草原植被返青期（start of the growing season, SGS）和枯黄期（end of the growing season, EGS）变化及其对气候的响应,并借助一阶差分法量化物候对GPP动态变化的贡献。结果表明：（1）季前1-2个月的夜间温度增温会显著提前SGS, 而当月至季前2个月的白天温度对SGS有着微弱的促进作用;季前3个月的累积降水对SGS提前作用最为强烈,累积太阳辐射在各个时期对SGS影响相对较弱。（2）不同季前时间尺度昼夜温度对草地EGS均表现出相反的作用,短期累积降水对EGS起到显著延迟的区域范围最大,太阳辐射随着季前时间的增加对草地枯黄期的延迟作用逐渐转变为提前作用。（3）EGS对草地GPP年际变化趋势的相对贡献率强于返青期。研究结果有助于深化陆地生态系统与气候变化、碳循环之间相互作用的认识,为草地适应未来气候变化和生态建设提供科学依据。     

基于遥感和地面数据的景观尺度生态系统生产力的模拟

描述了一个反映系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型(EPPML)．该模型以遥感图像作为数据源,从中获取影响植被生产力的重要变量——叶面积指数(LAI);主要对景观尺度生态系统的净初级生产力(NPP)和蒸散量的空间分布格局和时间动态进行模拟;用地理信息系统(GIS)手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换．本研究用EPPML对1995年长白山自然保护区的植被生产力进行了模拟,结果表明,EPPML可以比较准确地模拟该保护区主要植被的NPP．NPP的模拟值年均为0．680kgC·m^-2,变幅为0．105—1．241kgC·m^-2(82.1％),其中阔叶红松林的年NPP最高(1．084kgC·m^-2)．NPP年总量为1．332×10^6tC,以阔叶红松林和云冷杉林最高,分别为0．540×10^6tC和0．428×10^6tC．NPP的季节变化呈明显的单峰型,7月最大(6．13gC·m^2·d^-1)．NPP在夏季积累最多(0．465kgC·m^-2),春季次之,冬季最少。     

基于遥感总初级生产力的天山-塔里木绿洲地区生态系统脆弱性研究

生态系统的脆弱性是全球气候变化与可持续发展研究的核心问题,测定与评价脆弱性对认识生态系统的结构与功能至关重要。天山-塔里木绿洲地区包含着山地、荒漠和绿洲等多种类型的生态系统,存在着多个不同生态类型的交界过渡区。为定量评价该地区生态脆弱性,以植被总初级生产力这一生态系统重要的功能性指标为基础,对该地区生态系统脆弱性进行了计算和分级（不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱）,并对研究区生态系统脆弱性的空间分布特征及其与环境因子的关系进行了分析与讨论。结果表明：（1）研究区生态系统脆弱性总体上表现出明显的空间分化格局,以中度和重度脆弱为主,极度脆弱的地区主要分布在南部的塔里木绿洲。（2）生态系统脆弱等级大体上随着区域内多年平均温度的升高而升高。受地表水灌溉的影响,生态系统脆弱性与降水量间并无明显趋势性规律。（3）研究区的生态系统脆弱等级随着区域内的平均海拔以及平均坡度的升高都呈现下降的趋势。受自然条件恶劣、过度放牧以及农田过度开垦的影响,目前该地区总体呈现脆弱性严重的状态。研究表明该地区应积极开展生态治理工作,合理规划生态功能关键区,保护好现有草原和湿地等易开垦地区,划定绿洲开发范围的"红线",限制农田的开垦,协调好塔里木河流域的水资源分配。研究为使用卫星遥感数据研究生态系统脆弱性提供了方法上的参考,为可持续发展和生态治理提供了科学依据。     

短期氮添加对祁连山亚高山草地生产力及植物多样性的影响

全球氮沉降速率的急剧增加已显著地改变了生态系统的生产力及稳定性,特别是在受N限制较严重的亚高山草地生态系统。虽然氮沉降增加对草地生产力和植物多样性影响的研究报道已经很多,但是氮素沉降的生态系效应因气候区、草地系统类型、加氮水平、氮肥类型和试验时间长短等不同而差别很大。为了评估氮沉降增加对亚高山草地植物物种多样性和生产力的影响,通过在祁连山中部亚高山草地设置不同氮添加水平（0、2、5、10、15、25 g N m^-2 a^-1和50 g N m^-2 a^-1）的短期氮沉降增加模拟试验,探讨了生产力和物种多样性对不同水平氮添加的响应。结果显示：氮添加增加了禾本科（垂穗披碱草、赖草和草地早熟禾）和莎草科（矮嵩草）的地上生产力及其在群落生产力中所占的比例,主要表现在氮添加增加了禾本科和莎草科的株高和株数,降低了其他科（鹅绒委陵菜和葛缕子）的株高和株数;与生产力相比,植物多样性对氮添加的响应较慢,总体随着氮添加量的增加呈下降趋势但未达到显著水平;植物多样性与生产力呈显著的负相关关系。研究结果表明氮添加有助于提高禾本科和莎草科的生产力,进而提高群落生产力,但其他科的植物会被逐渐替代,导致群落植物物种多样性降低。研究结果可为我国亚高山草地的持续性管理提供一定的理论基础。     

大气氮沉降对中亚草地生态系统净初级生产力的影响

氮沉降作为除气候变化、CO₂浓度升高以及土地利用变化之外的第四大主要影响陆地生态系统结构和功能的因素,其对碳循环过程的影响研究相对薄弱,同时也是不确定性最大的环节之一。近年来,由于长期高强度的放牧导致草地生态系统的生产力降低,氮成为典型草地植物生长和生态系统净初级生产力的主要限制因子。据研究,亚洲的氮沉降平均增速极有可能高于全球氮沉降平均增速,成为未来氮沉降增加最快的区域。在此背景下,研究大气氮沉降对于中亚草地生态系统的影响具有重要的意义。利用反硝化-分解模型（DNDC）分析1979-2014年中亚地区草地生态系统净初级生产力（NPP）的时空分异,探讨氮沉降对草地NPP影响。结果表明：（1）1979-2014年间,中亚地区平均草地NPP约为（173.10±31.80） g C m^-2 a^-1,草地NPP时空分异明显,各草地类型的NPP从大到小依次为森林草甸、温带草原和荒漠草原,并且草地NPP以（2.67±1.30） g C m^-2 a^-1的速度逐年增长;（2）当前氮沉降情景总体上促进了中亚地区草地NPP的增长,1979-2014年氮沉降使得中亚草地NPP增加了0.42 Pg C。     

Joint structural and physiological control on the interannual variation in productivity in a temperate grassland: A data‐model comparison

Given the important contributions of semiarid region to global land carbon cycle, accurate modeling of the interannual variability (IAV) of terrestrial gross primary productivity (GPP) is important but remains challenging. By decomposing GPP into leaf area index (LAI) and photosynthesis per leaf area (i.e., GPP_leaf), we investigated the IAV of GPP and the mechanisms responsible in a temperate grassland of northwestern China. We further assessed six ecosystem models for their capabilities in reproducing the observed IAV of GPP in a temperate grassland from 2004 to 2011 in China. We observed that the responses to LAI and GPP_leaf to soil water significantly contributed to IAV of GPP at the grassland ecosystem. Two of six models with prescribed LAI simulated of the observed IAV of GPP quite well, but still underestimated the variance of GPP_leaf, therefore the variance of GPP. In comparison, simulated pattern by the other four models with prognostic LAI differed significantly from the observed IAV of GPP. Only some models with prognostic LAI can capture the observed sharp decline of GPP in drought years. Further analysis indicated that accurately representing the responses of GPP_leaf and leaf stomatal conductance to soil moisture are critical for the models to reproduce the observed IAV of GPP_leaf. Our framework also identified that the contributions of LAI and GPP_leaf to the observed IAV of GPP were relatively independent. We conclude that our framework of decomposing GPP into LAI and GPP_leaf has a significant potential for facilitating future model intercomparison, benchmarking and optimization should be adopted for future data‐model comparisons.     

Long‐term impacts of agricultural practices and climatic variability on carbon storage in a permanent pasture

Intra‐ and interannual variability of precipitation can lead to major modifications of grassland production and carbon storage capacity. Greater understanding of how climatic variability affects net CO₂ exchange [i.e. net ecosystem exchange (NEE)] of grazed grasslands is important to adapt grassland management and reduce risks of carbon losses. Since 2002, we continuously measured NEE (i.e. eddy covariance technique) on an upland grassland site (7 ha), divided in two paddocks grazed by heifers (intensive: 1 LSU ha^?1 yr^?1, 213 kg N ha^?1 yr^?1 and extensive: 0.5 LSU ha^?1 yr^?1, no fertilization). For years with dry and warm growing seasons (i.e. 2003, 2005 and 2008), absolute annual NEE was higher in the intensive paddock compared with the extensive paddock. The opposite was observed during years of ample seasonal rainfall and soil moisture (i.e. 2004, 2006 and 2007). Contrasted management led to two distinct plant communities being different in leaf area index (LAI), soil bulk density and soil water holding capacity. Differences in annual NEEs could thus be assigned to interactions between in carbon and water fluxes during dry and wet growth periods. Dry growth periods led to a reduction in weekly gross primary productivity (GPP) in the extensively managed paddock, whereas the GPP was maintained in the intensive paddock. In turn, during wet growth periods, GPP was similar in both paddocks, whereas N amendment and frequent defoliation significantly increased ecosystem respiration in the intensive paddock, presumably through a higher heterotrophic respiration following on a better C substrate quality and availability (rhizodeposition and senescent fine roots). In the extensive paddock, where plant cover was denser (reducing soil temperature) and less decomposable, C losses through heterotrophic respiration were comparatively smaller under wet conditions. Our results demonstrate that grassland subjected to a moderately intensive management could be more resilient in terms of carbon storage during drought and heat waves, presumably because of a trade‐off between heterotrophic and autotrophic respiration.     

基于植被羰基硫通量估算陆地生态系统总初级生产力研究进展

羰基硫(COS)是大气中的长周期痕量气体,其分子结构、对流层大气混合比的昼夜和季节动态类似于二氧化碳(CO₂)。植物光合作用及其水解过程中,受扩散通路导度和酶活性影响,气孔的COS与CO₂吸收紧密相关,同时,植物自养呼吸并不释放COS。最新研究中,采用植被COS通量直接指示生态系统总初级生产力(GPP)。综述了植被COS通量与光合作用中碳固定过程的关联机制,以及采用涡度相关观测、整合大气COS监测和生态系统过程模型等方法开展植被COS通量与GPP研究的最新进展,探讨了关键生态过程和参数,发现方法存在以下瓶颈：(1)生理过程、尺度效应和解析效应影响了COS与CO₂的叶片相对吸收率,(2)观测与模拟手段有待进一步耦合,(3)全球COS观测密度限制了方法验证,(4)硫循环过程影响了多区域模拟精度。方法发展的前沿领域包括：(1)开展重点地区植被COS通量观测,(2)提高COS卫星柱浓度的覆盖范围,(3)完善生态系统过程模型的COS吸收机理。展望未来研究关注的科学问题是：对于亚热带等尚待开展COS连续观测的区域,采用植被COS通量...     

Controls of primary productivity and nutrient cycling in a temperate grassland with year‐round production

Abstract Net primary production (NPP) and nutrient dynamics of grasslands are regulated by different biotic and abiotic factors, which may differentially affect functional plant groups. Most studies have dealt with grasslands that have extremely low or zero production over a significant period of the year. Here we explore the relative importance of a few environmental factors as controls of aerial and below‐ground plant biomass production and nutrient dynamics in a grassland that is active throughout the year. We investigate their effect on the response of three main plant functional groups (warm‐ and cool‐season graminoids and forbs). We conducted a factorial experiment in a continuously grazed site in the Flooding Pampa grassland (Argentina). Factors were seasons (summer, autumn, winter and spring), and environmental agents (mowing, shade, addition of phosphorus [P] and nitrogen [N]). N addition had the largest and most extended impact: it tripled aerial NPP in spring and summer but had no effect on below‐ground biomass. This positive effect was accompanied by higher N acquisition and higher soil N availability. Mowing increased aerial NPP in winter, increased root biomass in the first 10 cm during autumn and winter and promoted N and P uptake by plants. Shading did not affect aerial NPP, but stimulated N and P uptake by plants. P addition had no effect on aerial NPP, but increased shallow root biomass and its N content in spring, and tripled P accumulation in plant biomass. The three plant functional groups differentially accounted for these ecosystem‐level responses. Graminoids explained the greater biomass production of N‐fertilized plots and mowing tended to promote forbs. These results suggest that the environmental controls of aerial NPP in this grassland vary among seasons, differentially impact the major floristic groups, and affect the energy and nutrient transfer to herbivores.     

Water‐use efficiency in response to climate change: from leaf to ecosystem in a temperate steppe

Water‐use efficiency (WUE) has been recognized as an important characteristic of ecosystem productivity, which links carbon (C) and water cycling. However, little is known about how WUE responds to climate change at different scales. Here, we investigated WUE at leaf, canopy, and ecosystem levels under increased precipitation and warming from 2005 to 2008 in a temperate steppe in Northern China. We measured gross ecosystem productivity (GEP), net ecosystem CO₂ exchange (NEE), evapotranspiration (ET), evaporation (E), canopy transpiration (T_c), as well as leaf photosynthesis (P_max) and transpiration (T_l) of a dominant species to calculate canopy WUE (WUE_c=GEP/T), ecosystem WUE (WUE_gep=GEP/ET or WUE_nee=NEE/ET) and leaf WUE (WUE_l=P_max/T_l). The results showed that increased precipitation stimulated WUE_c, WUE_gep and WUE_nee by 17.1%, 10.2% and 12.6%, respectively, but decreased WUE_l by 27.4%. Climate warming reduced canopy and ecosystem WUE over the 4 years but did not affect leaf level WUE. Across the 4 years and the measured plots, canopy and ecosystem WUE linearly increased, but leaf level WUE of the dominant species linearly decreased with increasing precipitation. The differential responses of canopy/ecosystem WUE and leaf WUE to climate change suggest that caution should be taken when upscaling WUE from leaf to larger scales. Our findings will also facilitate mechanistic understanding of the C–water relationships across different organism levels and in projecting the effects of climate warming and shifting precipitation regimes on productivity in arid and semiarid ecosystems.     

羌塘高原高寒草地生态系统生产力动态

基于实测气象数据和遥感数据,分析了藏北地区气候变化趋势,并采用植被 气候综合模型和CASA模型模拟分析了藏北草地潜在和现实净第一性生产力(NPP)的动态变化和空间格局.结果表明：1955—2004年间,羌塘高原年平均气温上升了1.37 ℃,降水量增加了63 mm,中、东部区域的气候趋于暖湿化,西部区域趋于暖干化,目前气候变化尚未引起草地退化.草地潜在NPP平均值为东部 > 中部 > 西部.1982—2004年,由于水热条件的变化,中部区域的潜在NPP增加值最高,达0.55 t·hm^-2·a¹,东部和西部分别为0.51和0.21 t·hm^-2·a^-1;东、中、西部现实NPP增量分别为-0.19、-0.03 和0.20 t·hm^-2·a^-1.超载过牧是东、中部草地退化的主要原因,中部是草地保护恢复工程的最佳实施区域.