Spatial patterns and drivers of root turnover in grassland ecosystems in China

根系周转是陆地生态系统物质循环的关键指标, 也是陆地生态系统净初级生产力及碳固持潜力估算的核心参数。然而, 由于地下净初级生产力数据获取困难, 区域和全球尺度上的相关研究十分有限, 尤其是分布广泛的中国草地, 区域尺度上的整合研究几乎为空白。基于样地实测数据、已发表文献和在线数据库数据, 对中国草地5种植被类型、共计154个草地生态系统根系周转的空间格局进行整合分析, 并结合气象和土壤数据, 揭示了草地生态系统根系周转的关键驱动因子。研究发现: (1)根系周转速率随纬度升高而降低, 低纬度温暖地区根系周转更快; (2)气候因子(年平均气温、年降水量)和土壤理化性质(砾石含量、容重、pH值)共同影响根系周转, 对周转变异性的解释度为44%, 其中气候因子的相对贡献率为57%, 土壤理化性质的相对贡献率为43%; (3)中国草地根系周转的格局和驱动因子与全球尺度的研究结果不尽相同。该研究对根系周转的驱动因子提出了新的观点和证据, 为全球尺度上的整合研究提供了关键数据。     

森林生态系统细根周转规律及影响因素

根系周转是陆地生态系统碳循环的关键过程, 对研究土壤碳库变化及全球气候变化均具有重要意义。然而由于根系周转率的测量计算方法较多, 不同方法得出的结果差异较大, 且目前对全球区域尺度上森林生态系统根系周转的研究还不够充分, 使得全球森林生态系统根系周转变化规律仍不清楚。该研究通过收集文献数据并统一周转率计算方法, 对全球5种森林类型的细根周转空间格局进行整合, 同时结合土壤理化性质和气候数据, 得出影响森林生态系统细根周转的因子。结果表明, 不同森林类型细根周转率存在显著差异, 且随着纬度的升高逐渐降低; 森林生态系统细根周转率与年平均温度和年平均降水量呈正相关; 森林生态系统细根周转率与土壤有机碳含量呈正相关但与土壤pH值呈负相关。该研究为揭示森林生态系统细根周转规律及机制提供了科学依据。     

森林生态系统细根周转规律及影响因素

根系周转是陆地生态系统碳循环的关键过程,对研究土壤碳库变化及全球气候变化均具有重要意义。然而由于根系周转率的测量计算方法较多,不同方法得出的结果差异较大,且目前对全球区域尺度上森林生态系统根系周转的研究还不够充分,使得全球森林生态系统根系周转变化规律仍不清楚。该研究通过收集文献数据并统一周转率计算方法,对全球5种森林类型的细根周转空间格局进行整合,同时结合土壤理化性质和气候数据,得出影响森林生态系统细根周转的因子。结果表明,不同森林类型细根周转率存在显著差异,且随着纬度的升高逐渐降低;森林生态系统细根周转率与年平均温度和年平均降水量呈正相关;森林生态系统细根周转率与土壤有机碳含量呈正相关但与土壤pH值呈负相关。该研究为揭示森林生态系统细根周转规律及机制提供了科学依据。     

青藏高原两种植被类型净初级生产力与气候因素的关系及周转值分析

基于2008—2016年青海海北站9年净初级生产力及气候因子监测数据,分析了青藏高原高寒小嵩草草甸和高寒金露梅灌丛两种植被净初级生产力年际动态,并探讨了气候因子对其影响及其不同土层深度根系周转值特征。结果表明:(1)年际尺度上,小嵩草草甸地上净初级生产力表现为显著增加趋势,增幅为7.02 g m~(-2) a~(-1),而金露梅灌丛地上净初级生产力相对较为稳定;对于其地下净初级生产力和总生产力,小嵩草草甸和金露梅灌丛均表现为增加趋势(P0.05),9年间小嵩草草甸地上、地下和总净初级生产力平均值分别为(217.55±9.95)、(1882.75±161.33) g m~(-2) a~(-1)和(2100.30±163.38) g m~(-2) a~(-1),金露梅灌丛地上、地下和总净初级生产力9年间平均值分别为(256.27±11.4)、(1614.31±173.03) g m~(-2) a~(-1)和(1870.58±177.93) g m~(-2) a~(-1)。(2)不同植被类型地上净初级生产力对气候因素响应不同,金露梅灌丛地上净初级生产力主要受温度影响,而温度对小嵩草草甸地上净初级生产力无显著影响。此外,降水不是限制高寒生态系统草地地上净初级生产力主要因子,相比于降水影响,高寒生态系统地上净初级生产力更受温度调控。(3)年均温和年降水对金露梅灌丛和小嵩草草甸地下净初级生产力均无显著影响(P0.05),表明高寒生态系统,其地下生产力受外界气候条件变化影响微弱,是一个稳定的碳库。(4)两种植被类型其根系周转值均随着土壤深度的增加呈逐渐增加趋势,且高寒灌丛根系周转值明显高于高寒草甸根系周转值。研究表明,在全球气候变暖背景下将会增加金露梅灌丛地上净初级生产力,而对小嵩草草甸地上净初级生产力无显著影响。     

基于过程模型的2000-2018年中国陆地生态系统服务时空动态及其权衡与协同分析

2000年以来,中国陆地生态系统经历了剧烈变化并显著改变了生态系统服务。深入理解近20年中国陆地生态系统服务的时空演变格局及其权衡与协同关系对生态系统管理和可持续发展具有重要的理论和实践意义。基于最新发展的遥感驱动的生态系统服务评估过程模型(CEVSA-ES),研究定量评估了2000—2018年中国4种生态系统服务(即净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持)的时空格局及其权衡与协同关系。结果发现：(1)净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持等服务在2018的全国总量分别为3.68 Pg C/a、0.43 Pg C/a、1015.71 km³/a 208.18 Gt/a;东部季风区的生态系统服务显著高于西北内陆地区及青藏高原地区,特别是热带-亚热带地区主导了中国生态系统服务供给,其对全国尺度不同生态系统服务总量的贡献率均高于50%;(2)2000—2018年,全国净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持均呈增加趋势,年际变化速率分别为42.80 Tg C/a、13.42 Tg C/a、11.90 km³/a、1.11 Gt/a,其中净初级生产力、固碳、蓄水呈...     

陆地生态系统碳密度格局研究概述

 准确了解陆地生态系统中碳密度的时空格局及其影响因子和作用机制,对于估算和预测不同类型生态系统中的植被和土壤的碳存储能力、判定碳汇、制定缓解全球变化的合理政策措施,具有重要意义。该文综述了现有研究中发现的世界陆地生态系统碳密度空间分布的地带性规律及中国陆地生态系统碳密度格局的独特特点。在全球尺度上,植被碳密度分布与植物生物量格局基本一致,除北方森林外其余大部分随纬度升高而减小;土壤碳密度则随纬度升高而增大。陆地生态系统中北方森林和热带森林的总体碳密度最高,不同的是,前者的碳主要集中在土壤中,而后者则集中在植被中。但在区域尺度上,由于气候、地形及人类活动影响,这种规律性可能会发生变化甚至不起作用。水热条件、土壤养分、生物多样性、气候和大气CO2浓度的变化以及土地利用与覆盖变化等是碳密度空间格局形成和发生变化的驱动因子。在某一特定区域,它们通过直接或间接提高植被净初级生产力,抑制呼吸和分解作用来增加陆地生态系统碳密度。综合分析特定时空条件下各因子对碳存储量的影响是解释碳密度分布现状,预测碳密度格局变化的关键,但目前的研究对各项驱动因子的作用机制、影响强度及多个因子间的相互作用仍不是很清楚,需要加强该方面的研究力度。碳密度研究中的数据获取、机理分析和过程模拟等方面仍存在很大的不确定性,因此有必要建立规范统一的碳密度测量估算系统和更为精准有效的估算模型,进行多尺度、多精度水平的综合研究。     

增温增水对草地生态系统碳循环关键过程的影响

生态系统碳循环是生态系统过程的重要组成部分,对碳循环关键过程机理的研究有助于更好地理解生态系统过程。目前,气候变化（全球变暖、降水时空格局变化）对草地生态系统过程产生了重要的影响。综述了气候变化（温度和降水变化）对草地生态系统碳循环关键过程（植物生产力、植物物候、植物根系周转、生态系统呼吸和生态系统净碳交换）的影响,在此基础上指出了目前气候变化（温度和降水变化）控制试验研究的不足,并进一步提出了今后应该加强研究的方向。     

树木根系碳分配格局及其影响因子

根系作为树木提供养分和水分的“源”和消耗C的“汇”,在陆地生态系统C平衡研究中具有重要的理论意义。尽管20多年来的研究已经认识到根系消耗净初级生产力占总净初级生产力较大的比例,但是,根系（尤其是细根）消耗C的机理以及C分配的去向一直没有研究清楚。主要原因是细根消耗光合产物的生理生态过程相当复杂,准确估计各个组分消耗的C具有很大的不确定性,常常受树种和环境空间和时间异质性、以及研究方法的限制。综述了分配到地下的C主要去向,即细根生产和周转、呼吸及养分吸收与同化、分泌有机物、土壤植食动物,及有关林木地下碳分配机理的几种假说,分析了地下碳分配估计中存在的不确定性。目的是在全球变化C循环研究中对生态系统地下部分根系消耗的C以及分配格局引起重视。     

Are regional precipitation–productivity relationships robust to decadal-scale dry period?

降水-生产力的空间关系是否稳定不变？ 降水是全球陆地生态系统中植被生长和净初级生产力的主要驱动因素。因此,探究降水和生产力关系有助于深入了解气候变化如何改变生态系统功能。降水-生产力的空间关系在全球不同草地上非常相似,但在连续多年气候异常的情况下,这种关系是否会发生变化以及如何变化尚不清楚。本研究利用 利用中国北方温带草地长达10年低于多年平均降水的时期,基于遥感植被指数数据,量化了区域尺度上降水-植被生产力关系在持续多年的干湿期之间将如何变化。结果表明,在连续10年的干期,降水-生产力空间相关性急剧下降,而该空间关系的下降主要是由于不同草原类型对干旱的响应在空间上存在高度的异质性,即不同生态系统对干旱的响应程度存在差异。因此,如果未来气候变化进一步加剧全球草地的干旱,那么基于历史时期(平水期)得到的降水-生产力空间关系推测区域尺度植被生产力可能导致误差。     

长白山垂直带森林叶片-凋落物-土壤连续体有机碳动态——基于稳定性碳同位素分析

稳定性碳同位素自然丰度(δ~(13)C)记录着生态系统碳循环过程的关键信息,常被用于评价全球变化情景下陆地生态系统碳的动态。以长白山北坡垂直带4种典型森林生态系统为研究对象,测定乔木建群种叶片、凋落物以及不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ~(13)C值,探讨植物叶片-凋落物-土壤连续体碳含量、δ~(13)C丰度的分布格局及其生态学暗示。研究结果表明:植物叶片碳含量随海拔高度的增加呈现抛物线型变化,且阔叶树叶片碳含量显著低于针叶树,体现气候要素和植被功能型的支配作用,并且暗示针叶树种潜在的碳蓄积能力更强。此外,植物叶片δ~(13)C随海拔高度升高而降低,表明高海拔植物叶片水分利用效率较低,即固碳耗水成本更高。凋落物碳含量随海拔增加逐渐下降,而矿质表层土壤则表现为阔叶红松林、岳桦林显著高于暗针叶林,体现了植被类型和土壤质地的共同支配作用。总体上,岳桦林SOC周转最快,其次是暗针叶林,位于基带的阔叶红松林最慢。可见,小尺度上气候因子并不是温带森林地下碳循环的主导因素,植被功能型和土壤属性对SOC周转与稳定的影响更大。在探讨环境因子对陆地生态系统碳循环和碳平衡的影响时需要考虑研究尺度,不同的研究尺度影响SOC周转的驱动因子并不相同。研究方法方面,基于log SOC和δ~(13)C的SOM周转模型能够很好地概括不同生态系统类型下SOM周转的相对快慢,可用来评价SOC动态对全球变化的响应。     

草地植物根系碳储量和碳流转对CO2浓度升高的响应

植物根系是陆地生态系统重要的碳汇和矿质养分库,也是土壤中碳及养分的主要来源,只有深入认识CO2浓度升高下根系的碳汇功能和根系周转对土壤碳库的影响,才能准确预测生态系统对全球变化的响应与反馈调节作用.介绍了CO2浓度升高对草地植物根系生物量、根系凋落物的数量和品质以及根系周转速率的影响,指出研究植物体内碳向根分配格局的变化趋势必须考虑CO2浓度升高的直接和间接两方面作用;在预测根系碳库储量的动态变化时,需要区分不同功能根系组分的生物量;为更准确估算根系周转速率,有必要确立草地植物根系直径与其寿命之间的关系;CO2浓度升高普遍提高根系凋落物的C/N,但以此判定其在土壤中的分解速率快慢并不可靠,需要进一步从机理上探究根系凋落物分解的控制因素.     

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...     

Turnover of Grassland Roots in Mountain Ecosystems Revealed by Their Radiocarbon Signature: Role of Temperature and Management

Root turnover is an important carbon flux component in grassland ecosystems because it replenishes substantial parts of carbon lost from soil via heterotrophic respiration and leaching. Among the various methods to estimate root turnover, the root’s radiocarbon signature has rarely been applied to grassland soils previously, although the value of this approach is known from studies in forest soils. In this paper, we utilize the root’s radiocarbon signatures, at 25 plots, in mountain grasslands of the montane to alpine zone of Europe. We place the results in context of a global data base on root turnover and discuss driving factors. Root turnover rates were similar to those of a subsample of the global data, comprising a similar temperature range, but measured with different approaches, indicating that the radiocarbon method gives reliable, plausible and comparable results. Root turnover rates (0.06–1.0 y^-1) scaled significantly and exponentially with mean annual temperatures. Root turnover rates indicated no trend with soil depth. The temperature sensitivity was significantly higher in mountain grassland, compared to the global data set, suggesting additional factors influencing root turnover. Information on management intensity from the 25 plots reveals that root turnover may be accelerated under intensive and moderate management compared to low intensity or semi-natural conditions. Because management intensity, in the studied ecosystems, co-varied with temperature, estimates on root turnover, based on mean annual temperature alone, may be biased. A greater recognition of management as a driver for root dynamics is warranted when effects of climatic change on belowground carbon dynamics are studied in mountain grasslands.     

Nitrous oxide emissions from stems of alder,beech and spruce in a temperate forest

Plant and Soil - Global nitrogen deposition alters grassland ecosystems. Whether added nitrogen changes root production and turnover by root orders is unclear. We compared the root dynamics across...     

Global patterns of root turnover for terrestrial ecosystems

Root turnover is a critical component of ecosystem nutrient dynamics and carbon sequestration and is also an important sink for plant primary productivity. We tested global controls on root turnover across climatic gradients and for plant functional groups by using a database of 190 published studies. Root turnover rates increased exponentially with mean annual temperature for fine roots of grasslands ( r ² = 0.48) and forests ( r ² = 0.17) and for total root biomass in shrublands ( r ² = 0.55). On the basis of the best-fit exponential model, the Q ₁₀ for root turnover was 1.4 for forest small diameter roots (5 mm or less), 1.6 for grassland fine roots, and 1.9 for shrublands. Surprisingly, after accounting for temperature, there was no such global relationship between precipitation and root turnover. The slowest average turnover rates were observed for entire tree root systems (10% annually), followed by 34% for shrubland total roots, 53% for grassland fine roots, 55% for wetland fine roots, and 56% for forest fine roots. Root turnover decreased from tropical to high-latitude systems for all plant functional groups. To test whether global relationships can be used to predict interannual variability in root turnover, we evaluated 14 yr of published root turnover data from a shortgrass steppe site in northeastern Colorado, USA. At this site there was no correlation between interannual variability in mean annual temperature and root turnover. Rather, turnover was positively correlated with the ratio of growing season precipitation and maximum monthly temperature ( r ² = 0.61). We conclude that there are global patterns in rates of root turnover between plant groups and across climatic gradients but that these patterns cannot always be used for the successful prediction of the relationship of root turnover to climate change at a particular site.     

Patterns of Plant Biomass Allocation in Temperate Grasslands across a 2500-km Transect in Northern China

Plant biomass allocation between below- and above-ground parts can actively adapt to the ambient growth conditions and is a key parameter for estimating terrestrial ecosystem carbon (C) stocks. To investigate how climatic variations affect patterns of plant biomass allocation, we sampled 548 plants belonging to four dominant genera (Stipa spp., Cleistogenes spp., Agropyron spp., and Leymus spp.) along a large-scale (2500 km) climatic gradient across the temperate grasslands from west to east in northern China. Our results showed that Leymus spp. had the lowest root/shoot ratios among the each genus. Root/shoot ratios of each genera were positively correlated with mean annual temperature (MAT), and negatively correlated with mean annual precipitation (MAP) across the transect. Temperature contributed more to the variation of root/shoot ratios than precipitation for Cleistogenes spp. (C4 plants), whereas precipitation exerted a stronger influence than temperature on their variations for the other three genera (C3 plants). From east to west, investment of C into the belowground parts increased as precipitation decreased while temperature increased. Such changes in biomass allocation patterns in response to climatic factors may alter the competition regimes among co-existing plants, resulting in changes in community composition, structure and ecosystem functions. Our results suggested that future climate change would have great impact on C allocation and storage, as well as C turnover in the grassland ecosystems in northern China.     

半干旱草原土壤呼吸组分区分与菌根呼吸的贡献

土壤呼吸组分的区分对于理解地下碳循环过程非常重要。而菌根真菌在地下碳循环过程中扮演着重要的角色, 但是有关菌根呼吸在草原生态系统中的研究相对较少。该研究在内蒙古半干旱草原应用深浅环网孔法, 结合浅环、深环(排除根系)和一个带有40 μm孔径窗口的土壤环(排除根系但是有菌根菌丝体)将根和菌丝物理分离, 来区分不同的呼吸组分。结果表明: 异养呼吸对总呼吸的贡献比例为51%, 根呼吸的贡献比例为26%, 菌根呼吸的贡献比例为23%, 菌根呼吸的比例3年变化范围为21%-26%。与国内外研究相比, 此方法提供了一个相对稳定的菌根呼吸测量精度范围, 在草原生态系统中切实可行。对菌根呼吸的准确定量将有助于预测草原生态系统土壤碳释放过程对未来气候变化的响应。     

Partitioning of soil respiration components and evaluating the mycorrhizal contribution to soil respiration in a semiarid grassland

土壤呼吸组分的区分对于理解地下碳循环过程非常重要。而菌根真菌在地下碳循环过程中扮演着重要的角色, 但是有关菌根呼吸在草原生态系统中的研究相对较少。该研究在内蒙古半干旱草原应用深浅环网孔法, 结合浅环、深环(排除根系)和一个带有40 μm孔径窗口的土壤环(排除根系但是有菌根菌丝体)将根和菌丝物理分离, 来区分不同的呼吸组分。结果表明: 异养呼吸对总呼吸的贡献比例为51%, 根呼吸的贡献比例为26%, 菌根呼吸的贡献比例为23%, 菌根呼吸的比例3年变化范围为21%-26%。与国内外研究相比, 此方法提供了一个相对稳定的菌根呼吸测量精度范围, 在草原生态系统中切实可行。对菌根呼吸的准确定量将有助于预测草原生态系统土壤碳释放过程对未来气候变化的响应。