基于地统计学的黄土高寒区典型林地土壤水分盈亏状况研究

土壤水分是黄土高寒区水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素,基于地统计学研究土壤水分空间分布及其盈亏状况,揭示林地土壤水分的空间分布规律、变异特征及空间结构,对于区域植被恢复具有重要价值。以大通县安门滩小流域人工林地作为研究对象,运用地统计学方法对其5月、7月和9月的土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量进行综合分析。研究结果表明:(1)土壤储水量总体表现为9月5月7月,而林地耗水量为7月9月5月,5—7月绝大多数林地的土壤水分呈亏损状态,而7—9月所有林地土壤水分都得到了补充,总体来看,5—9月研究区多数林地的土壤水分有所盈余,土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量均采用指数模型作为最优理论变异函数模型;(2)5月、7月和9月土壤储水量呈南高北低、西高东低的空间分异规律,且西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈;各月林地耗水量在西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈,总体表现为西南部区域低于东北部区域;在5—7月、7—9月和5—9月这三个时期内,土壤水分盈亏量的取值均呈现出东北部区域小于西南部区域的特点。综上,当地土壤水分状况与林地耗水量分布格局并不完全匹配,虽然绝大部分林分能够维持土壤水分收支平衡,但部分山脚处的青杨林地和中部区域的华北落叶松林地出现了土壤水分亏损的现象。为防止林地水分环境恶化,在之后黄土高寒区的植被建设过程中,应适当调整林分配置。     

青藏高原高寒湿地GPP变化特征及对生长季积温的响应

基于涡度相关系统,利用2004-2016年的涡度相关系统观测资料,做了青藏高原高寒湿地生长季总初级生产力（GPP）在不同时间尺度上对生长季有效积温（GDD）响应的研究。结果表明：高寒湿地生态系统在生长季的日GPP、GDD与月际GPP、GDD都表现为先增大后减小的单峰变化趋势,都在7月或8月达到峰值,在5月达到最小值。在整个生长季尺度上,GPP与GDD变异性较大,没有明显的变化趋势。2004-2016年整个生长季GPP与GDD的均值分别为（458.82±25.78）gC m^-2季^-1和（1060.89±84.07）℃。在日尺度、月尺度、生长季尺度上,GPP与GDD都呈极显著正相关关系（P < 0.01）。但是,通过比较生长季分别每个月GPP与GDD的关系发现,5、9月的GPP与GDD没有显著相关性（P > 0.05）,而在7月相关性最为显著（P < 0.01）。整体上看,高寒湿地生态系统植被的总初级生产力与热量条件表现为正相关关系,由此说明在全球气候变暖的背景下,将会提高青藏高原高寒湿地生态系统植被的光合生产能力。     

不同类型高寒草地群落结构与生产对施氮的响应及其敏感性

大气氮沉降增加被认为是目前重要的环境问题,会引起生物多样性的丧失和生态系统稳定性的降低。但作为草地改良的管理措施,养分添加被广泛应用于退化草地的恢复。但由于不同类型草地所处气候与群落组成的差异,对氮输入的响应可能不同。通过在藏北高原高寒草甸与高寒草甸草原设定长期氮添加梯度试验(对照, 25, 50, 100, 200 kg N hm~(-2) a~(-1)),来探讨氮输入对生物多样性与生产的影响,并估算不同类型高寒草地的氮饱和阈值。施氮对高寒草甸物种多样性指数无影响,而随着施氮量的提高高寒草甸草原植物物种数和多样性指数均逐渐降低。开始施肥前两年,随着施氮量提高高寒草甸地上生物量呈现逐渐增加趋势,随着施肥时间的延长地上生物量呈现先增加后降低的趋势。在高寒草甸草原随着施氮量提高地上生物量均呈现先增加后降低的趋势。随着施氮量提高,开始施氮前三年高寒草甸禾草植物地上生物量逐渐提高;随着施氮时间的延长,禾草和豆科植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势。高寒草甸莎草植物地上生物量由施氮开始时的逐渐增加转变为先增加后降低趋势,最后变为逐渐降低的趋势,这说明施氮不利于莎草植物的生长。施氮只在施肥第四年显著提高杂草植物地上生物量。高寒草甸草原呈现不同的规律,开始施氮前三年随着施氮量提高,禾草植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势;随着施氮时间的延长,禾草地上生物量逐渐提高。莎草和杂草植物地上生物量呈现先增加后降低趋势。利用对氮输入响应最敏感的植物功能群禾草生物量估算的高寒草甸和高寒草甸草原的氮饱和阈值分别是109.5、125.8 kg N hm~(-2) a~(-1),这说明高寒草甸氮敏感性显著高于高寒草甸草原。由此可见,未来氮沉降增加会对不同类型高寒草地产生不同的影响,在不同类型高寒草地进行施肥恢复时也应将氮饱和阈值的差异考虑在内。     

气候变化与人类活动对内蒙古东部草地净初级生产力的影响

内蒙古东部草地是该区域的主体生态系统类型,属于脆弱的生态系统,对气候和人类活动反应敏感。基于土地覆被数据和改进CACS模型,估算得到的草地NPP,分析2000-2015年内蒙古东部草地和NPP时空格局与年际动态。进而,定义相对退化指数（RDI）,确定草地生产力变化过程中人类活动因素的贡献率,分析内蒙古东部地区2000-2015年RDI空间格局与年际动态。同时,分析16年间NPP和气候因子相关关系。结果表明：1）2000-2015年间,损失草地面积4743.80 km²,新增草地面积2705.57 km²。2）2000-2015年内蒙古东部地区草地植被平均NPP位于166.56-248.14 gC m^-2 a^-1之间,NPP在波动中呈现明显的上升趋势（3.65 gC m^-2 a^-1/a,R²=0.47）。3）2000-2015年RDI在16.64%-30.54%之间波动,RDI值呈缓慢下降趋势,表明人类活动对草地植被净初级生产力的干扰程度在下降。4）草地NPP变化主要是因为草地本身生产力下降。整体来看相关草地保护工作取得了阶段性进展,草地生境质量得到有效缓解,草地生态环境得到转变。     

樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响

植被恢复是退化生态系统的主要恢复措施,也是人类改善区域生态环境较为重要和直接的活动。目前,针对不同植被恢复方式对干旱半干旱地区土壤理化性质及生物特征开展了大量研究。然而,关于科尔沁沙地樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响却鲜有报道。因此,以辽宁省章古台地区不同生长阶段(包括幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林)的20块樟子松人工林样地为研究对象(以临近的7块天然草地为对照),研究了沙地樟子松人工林营建对0—100 cm土层土壤颗粒组成变化的影响。结果表明:沙质草地营建樟子松人工林后,不同土层土壤细颗粒(0.05 mm)含量均呈增加趋势,并且在0—10 cm层增加趋势明显,随土层深度增加土壤细颗粒增加量逐渐降低(除幼龄林外),但樟子松林地土壤颗粒组成仍以砂粒为主,土壤粘粒和粉粒含量极低(仅占5%左右)。随着樟子松人工林林龄的增加,土壤细颗粒变化量在0—10 cm层逐渐升高,而在10—100 cm层并无显著变化趋势。土壤细颗粒含量的变化在10—100 cm层与土壤含水量呈显著正相关,在0—10、20—40 cm和80—100 cm层与土壤全钾极显著负相关,在20—60 cm层与土壤有机碳呈显著正相关,在10—40 cm和80—100 cm层分别与土壤全磷呈显著正相关和负相关。综上所述,樟子松人工林营建可有效提高土壤细颗粒含量且在土壤表层效果明显,但短期内并不会使土壤颗粒组成发生显著变化,樟子松林改善土壤颗粒组成的同时也会使其他土壤因子发生相应的变化。     

脉冲式降水对不同类型草地土壤微生物呼吸碳释放量的影响

降水事件引起土壤短时间内释放大量CO_2的现象常称为降水脉冲效应。降水事件发生后,由于水分和养分可获得性快速提升使土壤微生物呼吸速率快速升高至正常水分状况的数倍,从而导致土壤CO_2大量释放并一定程度上影响着生态系统碳循环过程和土壤碳平衡,尤其在干旱或半干旱地区。利用自主研发的能快速测定土壤微生物呼吸速率的装置,对内蒙古三类典型草原(草甸草原、典型草原和荒漠草原)土壤分别开展土壤复湿实验(60%饱和含水量),并采用高频测定(48 h测定288次)。在土壤复湿后在所有温带草地类型中均发生了明显的脉冲效应,降水脉冲过程中单位有机质(土壤有机碳,SOC)最大呼吸速率(R_(SOC-max))整体表现为荒漠草原(1.59 mg C g~(-1) SOC h~(-1))草甸草原(0.73 mg C g~(-1) SOC h~(-1))典型草原(0.50 mg C g~(-1) SOC h~(-1));而脉冲效应的持续时间(Duration)则表现为典型草原(2.5 h)草甸草原(1.5 h)荒漠草原(0.67 h)。在土壤复湿48 h内,单位土壤微生物呼吸累积量(A_(R_(Soil)))的大小规律与单位土壤微生物呼吸速率R_(Soil)一致,均为典型草原草甸草原荒漠草原;然而,如果用土壤有机质进行标准化,单位有机质呼吸累积量A_(R_(SOC))表现为荒漠草原(9.74 mg C g~(-1) SOC)典型草原(6.54 mg C g~(-1) SOC)草甸草原(3.54 mg C g~(-1) SOC),与当地年降雨频率呈负相关关系,表明降水脉冲效应与土壤长期经历的干旱状况存在密切关系。本研究结果不仅证明在干旱半干旱区域降水脉冲效应的普遍性,同时还启发我们应从国家或区域尺度开展研究,以进一步揭示土壤基质含量、土壤干旱状况等对降水脉冲效应的影响。     

高寒草甸优势植物叶内、根内与土壤原核微生物群落的分异

植物内生菌具有帮助植物吸收营养元素,增强植物免疫力,抵御外界生物和非生物胁迫等功能。植物的根内和叶内存在大量的内生菌,影响着植物的健康生长。但不同植物地下(根内)和地上(叶内)内生原核微生物,以及与土壤微生物在组成和群落结构上的差异和联系还有待探索。以青藏高原高寒草甸三种优势植物青藏苔草(Carex moorcroftii)、火绒草(Leontopodium jacotianum)和高山嵩草(Carex parvula)为对象,研究了高寒草甸优势植物叶内、根内、土壤原核微生物组的组成及其与样品类型和植物类型之间的关系。结果表明:1)在门分类水平上,有13个门在土壤、叶内和根内之间有显著差异,只有5个门在不同植物之间有显著性差异,分别是变形菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、疣微菌门以及FBP;2)在α多样性上,同种植物土壤、叶内、根内之间差异显著,而不同植物在土壤和根内差异显著,但在叶内无显著性差异;3)样品类型(叶内、根内以及土壤)是决定植物微生物组差异的最主要因子,对微生物群落变异的贡献度为20.13%;不同植物类型之间微生物群落也有显著性差异,植物类型对总变异的贡献率为14.41%,并且植物类型和植物相关部位(叶内,根内)以及土壤之间有强烈的交互作用(17.40%)。以上结果表明,每种植物叶内、根内以及周边土壤都具有独特的生态位,体现了原核微生物在样品类型和不同植物间上生态位的差异,同时也表明了原核微生物群落对这些生态位的适应性。最后,我们确定了与土壤相比有显著性差异的叶内和根内特有的微生物菌群并对高丰度菌群进行功能预测,以假单胞菌Pseudomonas为代表的菌群在叶内和根内显著富集,这些微生物包含参与多种代谢过程的功能基因,在促进营养元素吸收、提高植物在寒冷中的生态适应性方面有着重要的潜在功能。本研究的结果对深入探索高寒环境下植物-内生微生物互作机制提供了科学数据。     

Trophic level and basal resource use of soil animals are hardly affected by local plant associations in abandoned arable land

Plants provide resources and shape the habitat of soil organisms thereby affecting the composition and functioning of soil communities. Effects of plants on soil communities are largely taxon‐dependent, but how different functional groups of herbaceous plants affect trophic niches of individual animal species in soil needs further investigation. Here, we studied the use of basal resources and trophic levels of dominating soil meso‐ and macrofauna using stable isotope ratios of carbon and nitrogen in arable fallow systems 3 and 14–16 years after abandonment. Animals were sampled from the rhizosphere of three plant species of different functional groups: a legume (Medicaco sativa), a nonlegume herb (Taraxacum officinale), and a grass (Bromus sterilis). We found virtually no consistent effects of plant identity on stable isotope composition of soil animals and on thirteen isotopic metrics that reflect general food‐web structure. However, in old fallows, the carbon isotope composition of some predatory macrofauna taxa had shifted closer to that of co‐occurring plants, which was particularly evident for Lasius, an aphid‐associated ant genus. Trophic levels and trophic‐chain lengths in food webs were similar across plant species and fallow ages. Overall, the results suggest that variations in local plant diversity of grassland communities may little affect the basal resources and the trophic level of prey consumed by individual species of meso‐ and macrofauna belowground. By contrast, successional changes in grassland communities are associated with shifts in the trophic niches of certain species, reflecting establishment of trophic interactions with time, which shapes the functioning and stability of soil food webs.     

Nitrogen economy of alpine plants on the north Tibetan Plateau: Nitrogen conservation by resorption rather than open sources through biological symbiotic fixation

Nitrogen (N) is one of the most important factors limiting plant productivity, and N fixation by legume species is an important source of N input into ecosystems. Meanwhile, N resorption from senescent plant tissues conserves nutrients taken up in the current season, which may alleviate ecosystem N limitation. N fixation was assessed by the ¹⁵N dilution technique in four types of alpine grasslands along the precipitation and soil nutrient gradients. The N resorption efficiency (NRE) was also measured in these alpine grasslands. The aboveground biomass in the alpine meadow was 4–6 times higher than in the alpine meadow steppe, alpine steppe, and alpine desert steppe. However, the proportion of legume species to community biomass in the alpine steppe and the alpine desert steppe was significantly higher than the proportion in the alpine meadow. N fixation by the legume plants in the alpine meadow was 0.236 g N/m², which was significantly higher than N fixation in other alpine grasslands (0.041 to 0.089 g N/m²). The NRE in the alpine meadows was lower than in the other three alpine grasslands. Both the aboveground biomass and N fixation of the legume plants showed decreasing trends with the decline of precipitation and soil N gradients from east to west, while the NRE of alpine plants showed increasing trends along the gradients, which indicates that alpine plants enhance the NRE to adapt to the increasing droughts and nutrient‐poor environments. The opposite trends of N fixation and NRE along the precipitation and soil nutrient gradients indicate that alpine plants adapt to precipitation and soil nutrient limitation by promoting NRE (conservative nutrient use by alpine plants) rather than biological N fixation (open sources by legume plants) on the north Tibetan Plateau.     

高寒草地土壤温室气体排放对放牧的响应研究进展

高寒草地生态系统具有独特的地理环境和气候特征,对放牧干扰十分敏感,在全球温室气体通量中贡献突出,研究高寒草地放牧对土壤温室气体排放的影响机制具有重要意义。本文总结高寒草地温室气体源/汇特征、不同放牧方式对土壤微环境和微生物群落结构的影响,发现高寒草地主要是CO₂源、CH₄汇、N₂O源。放牧通过家畜选择性采食、践踏和排泄物返还等多重机制作用于地上植物、土壤结构、温度、湿度和养分,进而影响地下微生物及温室气体通量。本文旨在为高寒草地生态系统健康发展和管理及缓解全球气候变化提供科学依据,并对未来研究方向进行展望。