两种高寒植被长波辐射的气候学特征及比较

地球边界层热量来源是地表吸收太阳短波辐射后再以长波辐射形式加热的结果,而边界层生物活动与近地表热量息息相关,讨论长波辐射的变化特征对生态系统的物质流动及能量交换具有重要意义。以2003年对高寒矮嵩草草甸、金露梅灌丛两种植被类型观测的资料,比较分析了两种植被类型地面长波辐射（ULR）、大气逆辐射（DLR）以及地面有效长波辐射（ELR）的变化特征。结果表明,高寒矮嵩草草甸、金露梅灌丛ULR、DLR以及ELR均具有明显的日、月变化。其中矮嵩草草甸、金露梅灌丛的ULR月平均日变化在北京时间14∶00最高,凌晨最低;DLR在16∶00-18∶00最高,凌晨最低;ELR在8∶00最低,14∶00最高。月变化中,两种植被类型区ULR、DLR的最低值出现在1-2月,较高值出现在7-9月,而ELR变化趋势比较复杂。总体而言,金露梅灌丛的DLR、ULR变化值明显比矮嵩草草甸的高。     

高寒草甸不同类型草地土壤养分与物种多样性——生产力关系

研究了高寒草甸不同类型草地土壤养分与多样性—生产力之间的关系,即物种多样性对生产力的效应如何受到资源供给率等因素的影响。结果表明:以莎草类为优势种的藏嵩草沼泽化草甸群落其总生物量(包括地上和地下生物量)最高(13,196.96±719.69gm-2)、小嵩草草甸和金露梅灌丛群落为中等水平(2,869.58±147.52gm-2、2,672.94±122.49gm-2)、矮嵩草草甸群落为最低(2,153.08±141.95gm-2)。在藏嵩草沼泽化草甸群落中,总生物量和物种丰富度呈显著负相关(P<0.05);地上生物量与土壤有机质、土壤含水量和群落盖度显著正相关(P<0.05);地下生物量和土壤含水量显著正相关(P<0.05)。在矮嵩草草甸、小嵩草草甸、金露梅灌丛群落中,地上生物量与土壤有机质和土壤总氮显著正相关(P<0.05)。以上结果说明生物量的分布与土壤营养和水分变化相一致。在矮嵩草草甸、小嵩草草甸和金露梅灌丛中,多样性有随土壤养分的增加而增加的趋势;在藏嵩草沼泽化草甸中,则呈现负相关的关系。     

青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统水热通量比较

基于涡度相关技术,研究了2015年青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统水热通量的特征。结果表明:(1)2015年青海湖高寒藏嵩草和小嵩草湿草甸湿地生态系统日平均水汽通量分别为1.74,0.99mm,年水汽通量分别为633.3,362.1mm。(2)青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统感热、潜热和净辐射日变化均呈单峰曲线,感热和潜热月平均日变化最大值出现的时间均晚于净辐射。藏嵩草湿草甸湿地生态系统感热月均日变化最大值最大为179.06W/m~2,最小为46.02W/m~2;潜热最大为312.55W/m~2,最小为30.58 W/m~2;小嵩草湿草甸湿地生态系统感热月均日变化最大值最大为161.86 W/m~2,最小为31.60 W/m~2;潜热最大为215.44 W/m~2;最小为14.08 W/m~2。(3)通过波文比分析发现,2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统生长季能量分配以潜热为主,非生长季小嵩草湿草甸湿地生态系统能量分配以感热为主,藏嵩草湿草甸湿地生态系统则较为复杂。藏嵩草湿草甸湿地生态系统全年能量平衡率为0.82,小嵩草湿草甸湿地生态系统为0.89,增加土壤热通量项能改善能量平衡状况。     

高寒矮嵩草草甸地面热源强度及与生物量关系的初步研究

在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,依据2002年涡度相关法观测的能量平衡各分量资料和6-10月植物地上、地下生物量测定值,分析了高寒矮嵩草草甸近地表热量平衡、地面热源强度的变化特征,讨论了地面热源强度与植物生物量季节变化过程中的相互关系。结果表明:在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,年内地面均为热源,热源强度季节变化明显,地面热源强度年平均为88.5 W/m2;地上生物量季节变化与热源强度具有显著的正相关关系,而地下生物量季节变化与热源强度关系不明显。     

青藏高原高寒嵩草草甸植被群落特征对退化演替的响应

以空间代替时间的方法,于2012年7月中旬-8月中旬在青藏高原祁连山南麓分别选取原生、轻度、中度和重度4种不同退化梯度的高寒嵩草（Kobresia）草甸,对其土壤理化、水分特征和植被群落进行研究,以探究高寒嵩草草甸生态功能退化过程中植被群落的变化特征.结果表明,中度退化样地的地上生物量、表层（0-10cm）土壤含水量和降水地表入渗速率显著最小（P＜0.01）,表层地下生物量、表层土壤有机质、表层田间持水量和草毡层厚度显著最大（P＜0.01）.基于退化高寒嵩草草甸群落的植被功能群和群落多样性的非度量多维排序结果表明,其退化过程可明确划分为原生植被、轻度退化、中度退化和重度退化4个阶段,冠层高度、地上生物量、草毡层厚度和降水地表入渗速率对群落变化的相对贡献较大.植被群落对退化过程的响应为非平衡型（Non-equilibrium）,群落变化的“分水岭”存在于中度退化和重度退化之间.研究结果对退化嵩草草甸的恢复措施选择具有重要的指导意义.     

不同植被类型高山草甸土呼吸作用的研究

通过对四种植被类型的高山草甸土CO₂释放量的测定,可以看出:土壤呼吸作用强度因植被类型的不同而有区别,其中以金露梅灌丛土壤的呼吸作用为最高,杂类草草甸土壤的呼吸作用为低,呼吸作用有明显的昼夜变化,白天高于夜间,并以表层土为高,随土壤深度的加深而递减.四种植被的土壤呼吸作用与土壤微生物的数量和生化活性、土壤酶活性等均有不同程度的相关性;呼吸作用与土壤中的全氮、pH、代换量、有机质、速效钾和水解氮均有显著的相关性,与全钾和氮碳比相关性不显著.     

亚高山草甸土纤维素分解过程及与环境因子的对应关系

对海北高寒草甸生态系统的矮嵩草研究表明 ,在亚高山草甸土中纤维素的分解 ,作用均在月均温度最高时达最大 ,2月份最小 ,年内表现有明显的单峰式曲线变化过程 ;非退化矮嵩草草甸的纤维素分解显著高于退化的矮嵩草草甸 ;纤维素分解除自身的季节变化规律外 ,与气象等环境因子有关 ,特别是与水热协调配合具有极显著线性正相关关系 (P <0 .0 0 1 ) .     

高寒草甸典型小流域土壤水分空间变异对比研究

以寒区两个典型小流域为例,根据理论变异函数,通过Krige空间内插法对比研究小流域0～30cm层土壤水分空间变异性及其特征。结果表明：（1）受植被类型、覆盖度影响,水平方向上,同一流域不同植被类型土壤含水量分布为：高寒灌丛草甸〉高寒嵩草草甸〉退化草地;相同草甸类型条件下,纳通河流域平均土壤水分含量均小于跨热洼尔玛流域;各坡位、坡向草甸植被严重退化区域土壤水分含量均略小于高寒草甸草地区域。（2）从剖面分析,跨热洼尔玛流域各层土壤含水量均大于纳通河流域;剖面变异性、土壤水分下渗速度纳通河流域总体均大于跨热洼尔玛流域;土壤水分变化剧烈程度高寒草甸草地区域在20～30 cm层、植被退化区域10～20 cm层;土壤水分下渗速度草甸植被严重退化区域大于高寒草甸草地;高寒草甸草地区域在10～20 cm层土壤水分在下渗过程中有一定的滞后作用;而草甸植被严重退化区域则无此类情况。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

夏季休牧对高寒矮嵩草草甸温室气体排放的影响

以高寒矮嵩草草甸为研究对象，利用密闭箱－气相色谱法，对夏季休牧8a的围栏草地(休牧草地)和全年放牧的草地(放牧草地)的温室气体排放通量、土壤特性和生物量进行了对比研究。结果表明：与放牧草地相比，休牧草地植被盖度较之高41％，单位面积生物量较之高53％。同时，土壤特性也有较大不同；休牧草地的植被－土壤系统CO₂排放通量比放牧草地低20.7％，测定期间两者CO₂排放通量以每天每公顷排放C的质量计分别为30.7和38.7 kg·(hm²·d)^-1；试验期间高寒矮嵩草草甸植被－土壤系统是大气CH₄的弱汇，休牧后草地土壤对CH₄的吸收能力增强，休牧和放牧草地CH₄的平均吸收强度分别为28.1和21.9 g·(hm²·d)^-1；休牧草地土壤N₂O排放通量比放牧草地低，两者排放通量分别为4.5和7.6 g·(hm²·d)^-1。可见，夏季休牧措施降低了草地对大气中温室气体浓度增加的贡献。     

甜椒根区基质与土垄交界处热通量变化特征

在日光温室中采用新型土垄内嵌式基质栽培(SSC)方法栽培甜椒。运用土壤热通量板探究土垄(SR)、标准垄(NR)、窄标准垄(NRn)、矮标准垄(NRs)和种植密度加倍标准垄(NRd)5种不同规格栽培垄东西侧水平方向以及根区垂直方向上热通量昼夜变化特征,探究适合冬季日光温室蔬菜生产的栽培垄。结果表明:各处理热通量均呈相同的昼夜单峰曲线变化特征,但不同处理吸放热的时间有所差异。栽培垄东侧水平方向上,晴天时SR、NR、NRn、NRd4个处理根区吸热的时间为9:00-14:00,阴天时吸热时间延后2h;晴天NRs在23:00-14:00吸热,阴天一直处于吸热状态。栽培垄西侧水平方向上,NRs处理一直为吸热状态,其余4个处理在9:00-17:00吸热。根区垂直方向上热通量变化表明,SR、NR、NRn、NRd4个处理吸热时间晴天为11:00-18:00,阴天为12:00-17:00;NRs放热的时间比其它处理晚2~3h。5个处理在东侧、西侧水平方向上和根区垂直方向上吸放热差值因位置不同有较大差异,在东侧水平方向和根区垂直方向上各处理以放热为主,而在西侧水平方向上吸热较多。东西侧水平方向和根区基质垂直方向上NRs处理基质吸热多放热少,NRd处理基质吸热少放热多,故NRd处理在冬季能更好地维持根区温度,在日光温室冬季和早春季蔬菜生产中具有更好的应用前景。     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

藏北高寒草甸植物群落对土壤线虫群落的影响

2011年5月—11月,对西藏北部高寒草甸3种典型植物群落下0～30 cm范围内不同深度土层的土壤线虫群落进行调查,浅盆法收集土壤线虫,应用个体密度、多样性指数等特征值来分析高寒环境下土壤线虫群落的组成、分布特征与多样性。调查共分离得到33 038条土壤线虫,隶属于2纲6目51科93属;线虫个体密度平均为847条100 g-1干土;表聚性明显。研究结果表明,不同植物群落间的土壤线虫群落组成存在一定差异,土壤线虫数量的大小顺序为委陵菜植物群落<藏北嵩草植物群落<高山嵩草植物群落,土壤线虫数量差异显著(p<0.05);土壤线虫数量随生长季变化发生明显波动,返青期最多,盛长期次之,枯草期最低;不同植物群落的优势属种类不同。生物多样性为委陵菜植物群落>高山嵩草植物群落>藏北嵩草植物群落,这可能是放牧干扰强度不同,以及植物群落影响下的土壤性质分异所导致的结果。总之,不同植物群落下土壤线虫群落特征的分异初步显示出线虫指示环境因子影响土壤生态系统的潜力。     

土壤温度预报方程研究进展

土壤温度(尤其是地表温度)是陆地和大气之间相互作用中关键的物理量,在地球系统中扮演了十分重要的角色。土壤温度预报技术一直是陆面模式、数值天气预报和气候预测中核心科学问题。本文系统回顾了土壤温度预报方程的研究进展,从经典的热传导方程到考虑了土壤水分垂直运动物理过程的热传导-对流方程,从用单一正弦波逼近到用傅里叶级数逼近地表温度日变化,从假设对流参数无日变化为常数到考虑其日变化,着重概述了土壤热传导-对流方程的创建、改进及求解。最后,本文对热传导-对流方程在地表能量平衡、土壤水分垂直运动、水通量和地震、冻土热传输研究中的应用进行了回顾。同时指出,全相态的土壤水和植物根系对热传导-对流方程的影响是土壤温度预报方程未来的研究方向。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

Seed bank development after the restoration of alluvial grassland via transfer of seed-containing plant material

In the attempt to ensure long-term-conservation of flood meadows along the northern Upper Rhine transfer of seed-containing plant material was successfully applied since 2000. In this highly dynamic habitat, many typical plant species rely on a persistent seed bank for re-establishment after disturbance. But in contrast to the re-established above ground vegetation, seed bank composition remains unknown. Thus the main aims of the study were to elucidate the current seed bank composition and to assess patterns of seed and species traits. To this end we sampled above ground vegetation and seed bank on plant material plots and on control plots left to natural recruitment.Although the seed bank was still dominated by agrestal and ruderal plant species, it already contained seeds of transferred species. Analyses revealed that on the plant material plots seed density of plant material species declined significantly with soil depth, just as similarity between above ground vegetation and seed bank declined. In contrast, the seed bank on control plots comprised significantly lower numbers of transferred species. We found a vertical pattern of seed bank composition: in general, the upper seed bank layer comprised more elongated and large seeds of long-lived, competitive species able to build up transient seed bank. The lower soil layer was dominated by seeds of short-lived, agrestal and ruderal species, producing small, round and long-term persistent seeds.The present study shows that the build up of a seed bank typical of flood meadows is a time-consuming process. Thus restorative management in the early phase of vegetation development should focus on fostering high seed production of transferred species.     

祁连山大野口流域典型灌丛植物与土壤中氮磷的 化学计量特征

通过野外取样与室内分析相结合的方法,对祁连山西水林区的鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)、吉拉柳(Salix gilashanica)、金露梅(Potentilla fruticosa)、鲜黄小檗(Berberis diaphana)和甘青锦鸡儿(Caragana tangutica)等5种典型灌丛植物和土壤氮(N)和磷(P)含量进行了测定和分析,旨在阐明植物与土壤中N、P的化学计量特征。结果表明:(1)5种灌丛植物叶片的N、P含量均显著高于其他器官的N、P含量,N含量的变化范围为15.72~29.08 g/kg,P含量的变化范围为1.58~3.47 g/kg;细根和粗根的N含量的变化范围分别为5.11~12.20 g/kg和4.46~11.84 g/kg,P含量的变化范围分别为0.87~1.58 g/kg和0.63~2.02 g/kg;叶片N∶P值范围为7.00~9.95,细根和粗根中的N∶P值分别为5.60~8.97和5.09~8.84,叶片和根系对N、P元素有着相似的利用格局。(2)5种灌丛土壤N含量均随土层深度增加逐渐减小,不同土层N含量的变化范围为1.40~6.80 g/kg,P含量均随土层深度增加较为稳定,不同土层P含量的变化范围为0.45~0.96 g/kg;N∶P值随土层深度增加其值不断减小,主要取决于土壤N含量。0~10 cm土层中,吉拉柳、鬼箭锦鸡儿、金露梅、鲜黄小檗和甘青锦鸡儿N∶P值分别为11.02、7.30、7.41、7.40和2.69。(3)5种灌丛叶片N含量与土壤N含量呈显著或极显著正相关,与土壤P含量无显著相关(甘青锦鸡儿除外);叶片N∶P值与土壤N含量呈显著负相关,而与土壤P含量呈显著正相关;灌丛叶片和土壤N、P含量及化学计量比与其他变量之间均无显著相关。同时研究还发现,祁连山5种典型灌丛生长可能主要受N素限制。     

日光温室墙体与地面吸放热量测定分析

为研究日光温室土质后墙与地面对室内的放热情况,测定了晴、阴天气条件下土质后墙和地面的表面温度及热通量。结果表明,单位面积墙体与地面各自的放热量与室内太阳辐射密切相关,晴天夜间单位面积墙体放热量为 1.90 MJ/m2,地面放热量为1.36 MJ/m2,而阴天夜间单位面积墙体放热量为0.76 MJ/m2,地面放热量为1.34 MJ/m2。对于单位面积墙体和地面而言晴天墙体放热量大于地面,阴天地面放热量大于墙体,无论晴天与阴天地面全天放热总量总是大于墙体释放总量,且地面对周期热量变化的缓冲大于墙体。     

滨海低平原干旱区全膜覆土穴播冬小麦田 水热特征和产量效应

为研究全膜覆土穴播栽培技术在环渤海低平原区对冬小麦田土壤水分、盐分、温度、热量状况和冬小麦产量的影响,采用田间试验法,于2014—2015年在中国科学院南皮生态农业试验站,设置全膜覆土穴播(PM)和常规旋耕播种(CK)冬小麦试验,定位监测了耕层土壤温度、水分、盐分和热通量数据动态,并分析了冬小麦产量。结果表明:PM在越冬期和返青期可以有效保持土壤水分,平均土壤含水量比CK高16.4%,达显著性差异(P0.05);但是,覆膜也阻隔了后期降水对土壤水分的补充,最大含水量差异可达10.0%。PM处理10 cm深土壤日均温度始终高于CK处理,平均增幅3.8%,差异不显著(P0.05);同时,PM减小了土壤温度日较差0.5℃。PM有利于土壤吸收和储存热量,白天具有较高的向下地面热通量,日均土壤热通量比CK显著增加数倍。温度和热通量变化均表明覆膜增强了土壤抵御外界温度变化的能力。PM的土壤电导率显著低于CK24.2%(P0.05),特别是在春季返盐期,PM的土壤电导率比CK降低39.7%。PM较CK增加了冬小麦穗粒数和千粒重,增产10.4%,但均未达显著水平。因此,全膜覆土穴播冬小麦栽培技术能改善土壤水热状况,降低土壤盐分对小麦的危害,这为全膜覆土穴播冬小麦栽培技术在环渤海低平原干旱区农业生产中的应用提供理论与技术支持。