中国东北样带(NECT):十年集成与未来挑战

Northeast China Transect (NECT), one of the fifteen International Biosphere-Geosphere Programme (IGBP) terrestrial transects, has been established for 10 years by Prof. Zhang Xin-Shi, through a core project of the IGBP - the Global Change and Terrestrial Ecosystems (GCTE). This transect is located in the mid-latitude semi-arid region, ranging 42-46°N latitude and 110-132癊 longitude. The primary driving force for global change is precipitation and the secondary one is land use intensity. Research progresses have been performed during the past decade in the following aspects: ecological database development, climate and its variability, ecophysiological response of plants to environments, vegetation and landscape changes, biodiversity patterns and their changes, plant functional types and traits with relation to climatic gradient, productivity and carbon dynamics, pollen-vegetation relationship, trace gas emissions, land use and land cover changes, as well as biogeographical and biogeochemical modelling. In order to achieve the higher level of integrated research, the NECT needs the consistent basic data sets within the same framework, further field experiments and observations, integrated simulations of vegetation structure, process and function from patch, landscape to biome scales, intercomparisons of results and simulations within the transect and to other IGBP transects, multidisciplinary research, national and international co-ordinates, and full scientific plan and implementation strategy.     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

增温及隔离降水对杉木幼树细根生物量、形态及养分特征的影响

为揭示全球变暖和降水格局改变对我国中亚热带地区森林生态系统地下生态过程的影响,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站内开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼树土壤增温和隔离降水双因子试验,研究增温和隔离降水在夏季对杉木幼树细根生物量、形态及养分特征的影响。结果表明,增温(+5℃,W)、隔离降水(–50%,P)和增温+隔离降水(WP)处理的细根总生物量分别比对照(CT)显著降低35.7%、51.7%和59.1%,P和WP处理的细根总生物量分别比W处理显著降低24.9%和36.4%;W、P和WP处理的0~1 mm细根比根长(specific root length,SRL)比对照均显著增加,而0~1和1~2 mm细根比表面积(specific root area,SRA)均无显著变化;与对照相比,W处理的细根N含量、C/N和δ¹⁵N均无显著变化,P处理的细根N含量和C/N分别显著增加和下降,WP处理的细根N含量和δ¹⁵N显著增加,而C/N显著降低。因此,未来在全球变暖和降水减少的双重环境胁迫下,调整表层细根形态特征可能不是杉木幼树的主要应对策略;而相较于温度升高,降水减少可能是影响杉木幼树细根生物量及表层化学元素分配的主要环境因子。     

北美东部8种温带树种向北分布的限制气候因子

利用分布于北美东部的8种温带落叶树种为研究材料,应用反映热量和降水状况的11个变量为气候指标,用标准差分析方法分析了这8个树种的分布北界与气候因子之间的关系.结果表明,在所使用的气候指标中,同一树种不同地点的温暖指数或年生物温度的标准差最小,说明积温是限制这些树种向北分布的主要气候因子;温暖指数和寒冷指数随着年降水量的增大而减小,寒冷指数随着年较差的增加而增加,温暖指数随着水热综合指数的增加表现出减小的趋势.表明,除了生长季节的积温之外,降水和大陆性等气候条件对温带树种向北分布也起着重要作用.     

六盘山主要植被类型冠层截留特征

通过野外观测和模型模拟,研究了六盘山主要森林类型的冠层截留量、冠层截留容量和冠层截留模拟参数的变化.结果表明：六盘山主要森林类型的冠层截留率在8.59%～17.94%,穿透降雨率超过80%,树干茎流率在0.23%～3.10%;冠层截留容量在0.78～1.84 mm,其中叶截留容量在0.62～1.63 mm,枝干截留容量在0.13～0.29 mm,且针叶林的冠层截留容量高于阔叶林.考虑冠层叶面积指数的冠层截留改进模型较原有模型具有更好的模拟精度, 其中,研究区红桦林、华山松林、李灌丛和辽东栎-少脉椴混交林的模拟效果较好,辽东栎林、油松林和华西四蕊槭 石枣子灌丛模拟效果相对较差,这可能与冠层结构、叶面积指数以及降水特性等差异有关.     

不同降水年型下长期施肥旱地小麦产量效应

以黄土高原30年长期肥料定位试验为基础,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,研究不同施肥方式对黄土高原冬小麦产量、肥料贡献率和降水利用率的影响.结果表明: 小麦连续种植30年中,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于不施肥和单施肥处理,氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率分别达到3480 kg·hm^-2、61.45 kg·kg^-1、6.13 kg·mm^-1·hm^-2;不同降水年型下,丰水年小麦产量、肥料贡献率和降水利用率相对较高;使用逐步回归分析可知,不同降水年型下小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响.黄土旱塬可以通过提高氮磷用量同时适当施用钾肥,以及在休闲期做好蓄水保墒工作来提高小麦产量.     

鼎湖山季风常绿阔叶林某些沉积元素转移过程中的浓度分析

对鼎湖山大气降水、季风常绿阔叶林林冠穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中某些沉积元素进行了系统连续的观测研究,从沉积元素的转移过程阐明了鼎湖山自然保护区和季风常绿阔叶林所承受的环境压力,通过分析沉积元素在这些水文学过程中的浓度变化和相互联系,试图揭示该生态系统相应功能过程变化的规律。得到如下结果：(1)大气降水中的Pb含量远远高于穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中的含量,随着水分由输入向输出流动,Pb的浓度逐渐降低;(2)在大气降水、林冠穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中,Al离子的浓度逐步增加;(3)除Pb外,所有其他元素(Al、Mn、sr、Mg、Na、K和Ca)在土壤溶液中的浓度都高于5个水文过程的平均值;(4)Mn、K、Ca的输入和输出的浓度都不高;(5)Na和Mg在土壤水和溪水中的浓度超过5个水文过程的平均值。这表明：(1)鼎湖山的大气具有高浓度的Pb含量,而且Pb在季风常绿阔叶林系统中处于一个持续的积累过程;(2)酸性降水不仅活化了土壤中的Al元素,对各个水文学过程中的离子浓度也有增大的作用;(3)Na和Mg在当前的大气环境下有可能加速地从季风常绿阔叶林生态系统中淋洗出来。总之,由于酸雨和大气污染的影响,鼎湖山森林生态系统将处于不稳定状态。     

短期增温和降水减少对半干旱沙质草地群落特征的影响

【目的】为探究短期增温和降水减少对沙质草地植物群落物种多样性、功能性状及生产力的影响,进一步揭示沙质草地植物群落特征对气候变化的响应。【方法】以科尔沁沙质草地植物群落为研究对象,利用开顶式生长室(OTC)模拟增温,研究降水减少0%、20%、40%和60%与增温的交互作用对沙质草地群落组成、物种多样性和功能性状的影响及群落特征与环境因子关系。【结果】结果显示:（1）短期增温和降水减少使沙质草地植物群落组成和物种优势度发生变化,其中优势物种猪毛蒿和达乌里胡枝子在短期增温和降水减少处理下均明显降低,短期增温和降水减少均显著降低了植物群落盖度和地上生物量。（2）短期增温显著降低了Margalef丰富度指数、Simpson指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数,短期降水减少对沙质草地供试4种物种多样性指标均无显著影响。（3）短期增温显著提高了植物群落高度和叶干物质含量,显著降低叶厚度,短期降水减少显著提高了叶干物质含量和叶厚度,显著降低了植株高度和比叶面积。（4）短期增温是影响沙质草地物种多样性和功能性状的主要环境因素。【结论】综上可知,短期增温和降水减少改变了沙质草地群落特征,温度是影响沙质草地群落特征的主要环境因子。     

鄂尔多斯高原地区昆虫物种多样性研究

鄂尔多斯高原有特殊生境类型,本文研究了该地区的昆虫物种多样性变化及影响因素,得到以下结果：（1）利用巴氏罐诱法得到昆虫标本约5159号,其他无脊椎动物标本291号,鞘翅目为优势昆虫类群,其数量占昆虫标本总数的45．8％,其中拟步甲和步甲个体数量较多,占所有甲虫总数92．8％;（2）根据甲虫的物种多样性和丰富度的特点将4个调查地点分为两组：一组为以荒漠灌丛为主的杭锦旗和植被类型多样化的石灰庙,物种多样性指数,丰富度和个体数量较高;另一组为以人工植被区为主的石龙庙和新街镇,物种均匀度指数较高;（3）主成分排序（PCA）可以将该地区的甲虫群落分为人工植被区和荒漠植被区2种类型,反映降水和植被类型是决定甲虫群落组成的关键因素;（4）降水梯度对甲虫物种多样性有很大影响,物种多样性指数,均匀度指数与降水梯度呈显著的正相关关系;个体数量与降水梯度呈显著的负相关关系;物种的丰富度与降水梯度没有相关关系。以上结果表明,在鄂尔多斯高原地区,只有减少人为干扰,加强保护脆弱的原有植被,才能保护特有的昆虫种类;只有大力开展固沙造林植草,才能改善环境,提高该地区的昆虫物种多样性。     

氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。