干旱半干旱区不同环境因素对土壤呼吸影响研究进展

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节,也是全球气候变化的关键生态过程。阐明和探讨影响土壤呼吸的各类环境因素,对准确评估陆地生态系统碳收支具有重要意义。干旱半干旱区是陆地生态系统的重要组成部分,研究该区域影响土壤呼吸的环境因素有助于深刻了解干旱半干旱区土壤碳循环过程。就土壤温度、土壤水分、降水、土壤有机质等非生物因子及植被类型、地上、地下生物量、土壤凋落物等生物因子两个方面对土壤呼吸的影响进行了综述。以干旱半干旱区的研究进展为主要论述对象,在上述因素中重点阐述了土壤温度、水分及其耦合作用下土壤呼吸的响应,并就土壤呼吸的Q10值及各影响因素间的交互作用进行归纳总结。在此基础上,说明了土壤温度和水分是影响干旱半干旱区土壤呼吸的主要因素。为了更准确的估算干旱半干旱区土壤呼吸速率,综合分析多种因子的交互影响,提出目前土壤呼吸研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)不同尺度下干旱半干旱区土壤呼吸的研究;2)荒漠生态系统土壤呼吸研究;3)非生长季土壤呼吸研究;4)多因素协同作用土壤呼吸模型建立;5)测量方法的改进与完善。     

川西亚高山林牧交错区土壤动物多样性

交错区复杂的生境常常导致相对较高的物种多样性。为探讨牧压条件形成的林牧交错区土壤动物多样性,研究了川西亚高山典型林牧交错区的土壤动物群落结构与多样性。在交错区5种生境下,共获得土壤动物49837只,隶属7门16纲33目126类。从草甸到针叶林的过渡生境中,土壤动物明显受到放牧干扰影响,其个体密度随干扰的减弱呈逐步上升趋势,而类群数则呈单峰型变化趋势;Shannon-Wiener、DG多样性指数都呈现逐步上升趋势;Wilson-Shmida多样性指数表明相邻干扰梯度下土壤动物类群替代率相近。大型土壤动物生物量在草甸最低,阔叶林最高。CCA排序显示凋落物厚度与中小型土壤动物存正相关,pH与其存负相关,不同类群对环境因子响应存在差异。这些结果表明农牧交错区不同干扰梯度下土壤动物群落结构和多样性存在明显差异。     

Soil animal responses to moisture availability are largely scale,not ecosystem dependent: insight from a cross‐site study

Climate change will result in reduced soil water availability in much of the world either due to changes in precipitation or increased temperature and evapotranspiration. How communities of mites and nematodes may respond to changes in moisture availability is not well known, yet these organisms play important roles in decomposition and nutrient cycling processes. We determined how communities of these organisms respond to changes in moisture availability and whether common patterns occur along fine‐scale gradients of soil moisture within four individual ecosystem types (mesic, xeric and arid grasslands and a polar desert) located in the western United States and Antarctica, as well as across a cross‐ecosystem moisture gradient (CEMG) of all four ecosystems considered together. An elevation transect of three sampling plots was monitored within each ecosystem and soil samples were collected from these plots and from existing experimental precipitation manipulations within each ecosystem once in fall of 2009 and three times each in 2010 and 2011. Mites and nematodes were sorted to trophic groups and analyzed to determine community responses to changes in soil moisture availability. We found that while both mites and nematodes increased with available soil moisture across the CEMG, within individual ecosystems, increases in soil moisture resulted in decreases to nematode communities at all but the arid grassland ecosystem; mites showed no responses at any ecosystem. In addition, we found changes in proportional abundances of mite and nematode trophic groups as soil moisture increased within individual ecosystems, which may result in shifts within soil food webs with important consequences for ecosystem functioning. We suggest that communities of soil animals at local scales may respond predictably to changes in moisture availability regardless of ecosystem type but that additional factors, such as climate variability, vegetation composition, and soil properties may influence this relationship over larger scales.     

Soil reconstruction after mining fails to restore soil function in an Australian arid woodland

The biogeochemical properties of soils drive ecosystem function and vegetation dynamics, and hence soil restoration after mining should aim to reinstate the soil properties and hydrological dynamics of remnant ecosystems. The aim of this study is to assess soil structure in two vegetation types in an arid ecosystem, and to understand how these soil properties compare to a reconstructed soil profile after mining. In an arid ecosystem in southeast Australia, soil samples were collected at five depths (to 105 cm) from remnant woodland and shrubland sites, and sites either disturbed or totally reconstructed after mining. We assessed soil physico‐chemical properties and microbial activity. Soils in the remnant arid ecosystem had coarse‐textured topsoils that overlay clay horizons, which allows water to infiltrate and avoid evaporation, but also slows drainage to deeper horizons. Conversely, reconstructed soils had high sand content at subsoil horizons and high bulk density and compaction at surface layers (0–20 cm). Reconstructed soils had topsoils with higher pH and electrical conductivity. The reconstructed soils did not show increased microbial activity with time since restoration. Overall, the reconstructed soil horizons were not organized in a way that allowed rainfall infiltration and water storage, as is imperative to arid‐zone ecosystem function. Future restoration efforts in arid ecosystems should focus on increasing sand content of soils near the surface, to reduce evaporative water loss and improve soil quality and plant health.     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

Water‐use efficiency in a semi‐arid woodland with high rainfall variability

As the ratio of carbon uptake to water use by vegetation, water‐use efficiency (WUE) is a key ecosystem property linking global carbon and water cycles. It can be estimated in several ways, but it is currently unclear how different measures of WUE relate, and how well they each capture variation in WUE with soil moisture availability. We evaluated WUE in an Acacia‐dominated woodland ecosystem of central Australia at various spatial and temporal scales using stable carbon isotope analysis, leaf gas exchange and eddy covariance (EC) fluxes. Semi‐arid Australia has a highly variable rainfall pattern, making it an ideal system to study how WUE varies with water availability. We normalized our measures of WUE across a range of vapour pressure deficits using g₁, which is a parameter derived from an optimal stomatal conductance model and which is inversely related to WUE. Continuous measures of whole‐ecosystem g₁ obtained from EC data were elevated in the 3 days following rain, indicating a strong effect of soil evaporation. Once these values were removed, a close relationship of g₁ with soil moisture content was observed. Leaf‐scale values of g₁ derived from gas exchange were in close agreement with ecosystem‐scale values. In contrast, values of g₁ obtained from stable isotopes did not vary with soil moisture availability, potentially indicating remobilization of stored carbon during dry periods. Our comprehensive comparison of alternative measures of WUE shows the importance of stomatal control of fluxes in this highly variable rainfall climate and demonstrates the ability of these different measures to quantify this effect. Our study provides the empirical evidence required to better predict the dynamic carbon–water relations in semi‐arid Australian ecosystems.     

黑河中游荒漠灌丛斑块地面甲虫群落分布与微生境的关系

关于西北干旱区荒漠灌丛草地地面甲虫群落分布与微生境关系的系统研究尚鲜有报道。采用多元回归分析和RDA群落排序分析等方法,定量研究了甲虫群落分布与微生境因子的关系及其季节变异特征。多元回归分析表明,甲虫群落数量分布与土壤粗砂、中细砂和粘粉粒含量存在显著关系,3个因子解释了21%的甲虫群落变异。多元回归分析还表明,甲虫群落数量分布与春季地面/地下日平均温度和土壤含水量有显著关系(3个因子解释了32%的甲虫群落变异),而与夏季和秋季地面/地下日平均温度和土壤含水量无显著关系。RDA群落排序分析表明,土壤粗砂含量、中细砂含量、地面温度和地下温度对春季甲虫种群分布有显著的影响,解释了34.3%的甲虫种群变异;土壤粗砂和中细砂含量对夏季甲虫种群分布有显著影响,解释了18.8%的甲虫种群变异;土壤粗砂含量、地下日均温和土壤含水量对秋季甲虫种群分布有一定的影响,解释了17.1%的甲虫种群变异。Pearson相关分析表明不同甲虫种群对微生境因子的响应模式不同。主要结论是:微生境的非生物环境因子是决定荒漠甲虫群落空间分布格局的重要因子之一,但是环境因子的影响作用存在明显的季节变异,并且因种类不同而异。     

涡度相关法研究土壤水分状况对沙地杨树人工林生态系统能量分配和蒸散日变化的影响

为了解位于北京大兴区林场杨树人工林在不同的土壤水分环境条件下的水汽交换过程和能量的分配差异及其与环境因子关系,运用涡度相关（Eddy covariance,EC）法开路系统、常规微气象观测系统及土壤热通量板等设施对生态系统生长季内典型水分胁迫和无水分胁迫条件下蒸散日变化、能量分配以及与各环境因子的关系进行了测定分析和比较。结果表明,在水分严重胁迫日（以7月7日为例）,蒸散日变化过程为单峰曲线,全天（24h）蒸散量为2.4mm;而在无水分胁迫典型日（以7月25日为例）,蒸散日变化过程呈多峰曲线,全天蒸散量为4．5mm。能量平衡分析显示,无水分胁迫条件下潜热通量（LE）占净辐射通量（Rn）的比例远高于水分胁迫条件下潜热通量占净辐射通量的比例,说明水分充足时,能量的大部分用于蒸散。水分胁迫条件下蒸散速率与各环境因子的相关性均低于无水分胁迫条件下蒸散速率与环境因子的相关性。水分胁迫条件下,蒸散速率主要与净辐射和下垫面因子关系显著,而与其它因子的相关性较小;无水分胁迫条件下,蒸散速率与下垫面土体含水量和各气象因子均表现出较强的相关性。大气温度对于两个典型日蒸散速率的影响均很小;土壤含水量与水分胁迫日的蒸散速率几乎没有相关性,反应出土壤水分含量低至对蒸散几乎没有贡献了。     

影响生物土壤结皮分布的环境因子

生物土壤结皮广泛分布于干旱荒漠地区,在干旱和荒漠生态系统中,有重要的生态功能。然而,并不是所有的干旱荒漠区都有生物土壤结皮的分布。在全球和区域尺度上,生物土壤结皮的分布与年降水、凝结水量和土壤含水量呈正相关趋势;温度对生物土壤结皮分布的影响因组成生物土壤结皮的物种而异。小尺度范围内,生物土壤结皮的分布受土壤类型、质地和养分的限制;维管植物对生物土壤结皮分布的影响,暂没有一致的结论。适度干扰对生物土壤结皮分布和生态功能无明显影响,但高强度干扰导致生物土壤结皮结构、功能和分布的退化与减少。全球变化背景下生物土壤结皮的分布变化、不同区域生物土壤结皮分布和演替的差异机理以及受损后恢复过程中的生态功能,将成为以后工作的重点。     

干旱半干旱区生态系统凝结水的影响因素及其作用研究进展

凝结水是干旱半干旱生态系统重要的水分补给来源,对于维持生态系统功能具有重要意义。综述了干旱半干旱生态系统气象条件、地形环境和植被属性等因素对凝结水形成的影响,以及气候和环境变化对凝结水产量的影响机制。在此基础上,进一步从植被生长、生物土壤结皮、小型动物、微生物和地表水热平衡过程等方面,探讨了凝结水产量变化对干旱半干旱生态系统组成和过程的重要作用。最后对未来相关研究提出以下建议：（1）增加长时间序列的凝结水观测数据分析,（2）系统探讨凝结水对干旱半干旱区生态系统功能的综合影响,并（3）完善气候变化背景下凝结水与生态系统关系的相关研究。本文旨在对该领域的未来研究提出综述、建议和展望。     

模拟降水对古尔班通古特沙漠生物结皮表观土壤碳通量的影响

水分是控制干旱区生态过程的重要环境因素,在水分受限制的生态系统中,降水通过改变土壤的干湿状态直接控制地下生物过程。生物结皮作为干旱区主要的地表覆盖物,能利用空气中有限的水分进行光合作用,其自身的碳交换是干旱区土壤碳通量的重要组成部分。通过模拟0(对照)、2、5 mm和15 mm 4个降水梯度,利用红外气体分析仪,对古尔班通古特沙漠中部生物结皮以及裸地表观土壤碳通量进行测量,探讨不同强度降水条件下生物结皮对表观土壤碳通量的影响,结果表明:(1)降水增加了生物结皮表观土壤碳释放量,2、5 mm和15 mm 3种降水处理累积碳释放量分别是对照的151.48%、274.97%、306.44%,并且随着降水后时间的延长,表观土壤碳通量逐渐减小直至达到降水前的水平;(2)生物结皮与裸地的表观土壤碳通量对降水的响应不同,对照和最大降水量下,生物结皮表观土壤碳通量大于裸地,但是2 mm和5 mm降水后,生物结皮表观土壤碳通量小于裸地,并且二者在2 mm降水时差异显著(P<0.05),而在其它降水处理下无显著差异;(3)连续两次降水事件,活性碳在初级降水后的大量释放使得二次降水后释放量下降,其中裸地碳释放量下降速率与降水强度正相关。本研究说明,在探求荒漠地区土壤碳交换对降水的响应规律时,应该考虑生物结皮的影响以及连续降水事件的差异。     

干旱半干旱区灌丛斑块与降水量响应关系的熵模型模拟

灌丛斑块分布格局是灌木在干旱缺水条件下对生存环境的自我调节和适应的具体表现。应用熵理论和Klausmier模型,解释了灌丛斑块水分聚集原理并模拟了不同年降水条件下灌丛斑块的最佳面积比值(即最佳灌丛盖度)。研究结果表明:灌丛斑块生物量与其土壤含水量呈反比例函数关系,当生态系统处于稳定状态时(即熵最大状况下),年降水量与灌丛斑块面积比值符合一定的线性关系。研究采用内蒙古草原地区的野外调查数据,获得模型所需参数,进而模拟了不同年降水量条件下灌丛斑块最佳面积比值,研究结果可为半干旱地区植被保护与恢复提供参考。     

The Sensitivity of Evapotranspiration to Inter-Specific Plant Neighbor Interactions: Implications for Models

Evapotranspiration (ET) is an important water loss flux in ecosystem water cycles, and quantifying the spatial and temporal variation of ET can improve ecohydrological models in arid ecosystems. Plant neighbor interactions may be a source of spatial and temporal variation in ET due to their effects on the above- and belowground microclimate and increased water demand for transpiration. Over longer timescales (annual to multiple years), adjustments in plant physiological traits may occur in response to neighbor environments, potentially affecting the transpiration (T) component of ET. We used a dynamic soil water model to assess the sensitivity of ET and T estimates to neighbor effects on soil moisture via competition for water, aboveground microclimate effects via canopy shading, and physiological adjustments (specifically, root distribution, stomatal behavior, and canopy leaf area). We focus on a common desert shrub (Larrea tridentata) under different inter-specific neighbor environments and precipitation regimes. Neighbors impacted T of Larrea by as much as 75% at the patch scale (plant and surrounding soil) and 30% at the stand scale. Annual T estimates were highly sensitive to changes in soil moisture associated with competition for water, and the inclusion of physiological adjustments to neighbor environments significantly impacted seasonal T. Plant neighbor interactions can significantly influence ET and soil moisture, and their inclusion in models can help explain spatial and temporal variation in water fluxes in arid ecosystems. Furthermore, physiological adjustments to neighbor environments may be an important source of variation to include in models that operate over seasonal timescales or in studies focused on plant responses to precipitation under climate change.     

中国典型森林生态系统土壤水分时空分异及其影响因素

森林土壤水分作为物质与能量循环的载体影响林木生长与发育,并通过影响水分在陆气之间的循环与分配影响区域气候。基于我国不同气候带的9个森林生态系统定位观测站的长期观测数据,探究了2005-2016年中国典型森林生态系统土壤水分的空间分异及其时间动态,并进一步分析了影响其时空分异的环境因素。主要研究结论如下：（1）9个森林生态系统的土壤水分多年均值介于12.45%-36.30%之间,空间上呈现中温带、亚热带、热带土壤水分较高,暖温带土壤水分较低的分布特征。降水蒸散差（降水与蒸散的差值）可以解释我国森林生态系统土壤水分空间分异的62%（P<0.05）;（2）我国北部与东部季风区森林区域土壤水分呈上升趋势,降水上升是主因,其中暖温带北京、南亚热带鼎湖山与鹤山森林土壤水分上升趋势显著,增幅分别为0.67%/a、1.72%/a与0.69%/a;西南地区森林生态系统土壤水分呈下降趋势,该趋势由降水下降与蒸散上升共同导致,其中中亚热带贡嘎山及哀牢山森林生态系统土壤水分下降趋势显著,降幅分别为-1.77%/a与-0.94%/a;土壤水分时间分异与降水蒸散差的相关性最高（R=0.59,P<0.01）;（3）土壤水分呈下降趋势的森林生态系统中,春季土壤水分变化主导了年际变化,土壤水分上升的森林生态系统中,年际变化则是由秋、冬季主导。（4）与ERA-interim土壤水分再分析数据比较得出,两者在空间格局与变化趋势上均具有较高的一致性。CERN土壤水分观测数据反映了无人为干扰的自然条件下森林土壤-植被-气候之间的反馈作用,可为基于模型的土壤水分研究提供长时序的验证数据。     

The relative controls of temperature and soil moisture on the start of carbon flux phenology and net ecosystem production in two alpine meadows on the Qinghai-Tibetan Plateau

在温带和寒冷地区,春季植被物候的变化普遍受温度影响。然而,在寒冷地区的干旱/半干旱生态系统中,温度对物候的影响仍难以捉摸,因为土壤水分状况有调节物候的重要作用。利用生长度日(growing degree day, GDD)和生长季节指数(growing season index, GSI)模型,对最低温度(minimum daily temperature, T_min)与土壤水分(daily soil moisture, SM)进行耦合,探索热量需求和水文气候交互作用对青藏高原(QTP)两个不同降水状况的高寒草甸生态系统碳吸收期开始日期(start of carbon uptake period, SCUP)和净生态系统初级生产力(net ecosystem productivity, NEP)的影响。其中,一种是水分限制的高寒草原草甸生态系统,另一种是温度限制的高寒灌丛草甸生态系统。GDD模型和GSI模型与SCUP明显相关联：在湿润的高寒灌丛草甸生态系统中,SCUP对生长季前GDD和GSI的变化同样敏感;而在半干旱高寒草原草甸生态系统中,与GDD相比,SCUP对生长季前GSI的变化更敏感。这些不同模式表明,限制SCUP的气候因子由温度和水分有效性的平衡来决定。在湿润的高寒草甸生态系统中,在不受干旱胁迫的情况下,较高的SCUP温度敏感性可以最大化热效益,正如观察到的SCUPs与GDD模型模拟具有较高的线性相关系数(R²)和AIC。而在半干旱的草原化草甸中,较高的SCUP水分敏感性可以最大化水分效益,正如观测到的SCUPs与GSI模型模拟具有较高的R²和AIC。此外,虽然在高寒灌丛草甸生态系统中SCUPs由GDD决定,但两个高寒草甸生态系统NEP均受累积GSI控制。本研究重点强调湿润和半干旱高寒草甸生态系统水文气候交互作用对春季碳通量物候和植被生产力的影响;揭示半干旱地区高寒草甸生态系统物候和碳平衡模型中应该包括温度和水分条件。这些结果对改善植被物候模型具有重要意义,从而加深我们对将来植被物候、生产力和气候变化相互作用的理解。     

基于遥感和Penman-Monteith模型的内陆河流域不同生态系统蒸散发估算

遥感数据具有很好的时空连续性,它是区域蒸散发通量估算的有效方法。引入了一个简单的具有生物物理基础的Penman-Monteith(P-M)模型,分别利用黑河流域高寒草地阿柔站和干旱区农田盈科站2008—2009年的气象数据和MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)叶面积指数(LAI),实现了2008—2009年日蒸散发的估算,并同时实现了对植被蒸腾和土壤蒸发的分别估算。结果表明,利用P-M公式模拟的蒸散发与实测的蒸散发具有较好的一致性,日蒸散发模拟的决定系数(R2)超过0.8。估算的高寒草甸和干旱区农田玉米全年平均的蒸腾分别为0.78 mm/d和1.20 mm/d,分别占总蒸散发的60%和61%,土壤蒸发分别为0.53和0.77 mm/d,占总蒸发的40%和39%。可见两种生态系统的作物蒸腾均强于土壤蒸发,同时农田玉米蒸腾强于高寒草甸蒸腾。研究结果证明了基于遥感的P-M公式可以很好地实现对高寒草地和干旱区农田生态系统蒸散发的估算。通过考虑土壤水分变化对气孔导度的影响,可以提高模型对农田蒸散发的模拟精度。     

艾比湖湿地土壤有机碳及储量空间分布特征

土壤碳储量的研究是全球碳循环研究的热点,土壤碳库的变化对全球气候变暖、维护生态平衡都有着重要的意义。新疆的艾比湖湿地是干旱区典型的盐湖湿地,为探明该湿地有机碳特性及储量,选择艾比湖湿地1m深度的土壤作为研究对象,测试有机碳含量后,对艾比湖湿地土壤有机碳特性进行分析并分层定量测算有机碳储量,结果显示:(1)艾比湖湿地土壤有机碳整体偏低,随土层加深,含量依次递减的规律比较显著。湿地7种不同植被覆盖类型的土壤有机碳含量垂直空间变异性差异明显,其中荒漠河岸林、盐化草甸、小乔木荒漠大多属于强变异,而其它植被覆盖的土壤类型多属于中等变异。(2)艾比湖湿地7种不同植被类型土壤有机碳含量在相同土层的分布特征为:有机碳集中分布在浅表层(0—20 cm),从40 cm以下变幅缓慢,分布较为均匀。不同植被类型土壤有机碳在不同土层的分配比例差异比较明显,但表层(0—20 cm)大多占到30%以上。(3)艾比湖湿地土壤有机碳储量排序依次为小乔木荒漠盐化草甸干涸湖底灌木荒漠盐生灌丛荒漠河岸林寒湿性针叶林。湿地有机碳蓄积总量为7086862.83 kgC。上述研究结果可为新疆干旱区湿地生态系统恢复、保护与科学管理提供科技支撑。     

荒漠灌丛土壤动物分布及其生态功能

在干旱、半干旱荒漠生态系统中,灌丛作为一种重要的植被类型,其独特的形态和生理适应特性能够有效促进退化生态系统结构与功能的恢复。土壤动物是荒漠生态系统中不可或缺的重要组成部分,对促进灌丛"肥岛"演变具有重要的生态作用,有利于灌丛生态功能的发挥及退化生态系统的恢复。近年来,国内外学者对荒漠灌丛微生境土壤动物的研究逐步深入,取得大量的研究成果。在此基础上,首先综述荒漠灌丛微生境土壤动物群落分布和生态功能,总结灌丛与土壤动物分布间作用关系的数学模型,针对荒漠灌丛土壤动物研究中存在的问题提出了未来可能的研究方向和建议。