祁连山南麓高寒灌丛GPP变化特征及对生长季积温的响应

全球气候变化背景下气温逐渐升高,将会对陆地生态系统碳循环产生重要影响.研究利用2003-2016年的涡度相关系统观测资料,研究了祁连山南麓高寒灌丛生长季(5月-9月)总初级生产力(gross primary productivity,GPP)在不同时间尺度上对生长季有效积温(growing season degree days,GDD)的响应,对于研究气候变暖对高寒生态系统碳循环的影响有重要意义.结果表明:高寒灌丛生态系统在生长季的月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具有较高变异性,但整体上表现为逐渐增加的趋势(P ＜0.05).2003-2016年整个生长季GPP与GDD的均值分别为507.11 g·m-2和975.93 ℃.在月尺度和生长季尺度上,GPP与GDD都呈显著正相关关系(P＜0.05).但是,通过比较生长季每个月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,高寒灌丛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,青藏高原高寒灌丛生态系统植被的光合生产能力将会提高.     

青藏高原金露梅灌丛草甸水分利用效率长期变化特征

解析高寒草甸水分利用效率连续变化特征及其影响因素,对于提升高寒草甸水分利用效率具有重要作用.本研究基于2003–2010年青海海北金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸连续8年间总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和借助于潜热通量(latent heat flux,LE)和蒸发潜热(λ)计算实际蒸散量,进而计算出8年间水分利用效率值,并探讨了其对气象因子的响应特征,结果表明:1)年际尺度上,8年间总初级生产力、蒸散量和水分利用效率分别以每年98.55 g·m?2、40.15 mm和138.70 g·(m2·mm)?1的趋势上升;季节尺度上,总初级生产力、蒸散量和水分利用效率均在7月份达到最大值,1月份呈现最小值.2)年均温度、相对湿度和净辐射对全年水分利用效率相对贡献率均最高,三者能解释73.50％的全年水分利用效率变异.光合有效辐射、空气温度和相对湿度3个环境因子在生长季尺度上相对贡献率总值为74.14％.在全年和生长季尺度上,年均气温和光合有效辐射贡献率较高,分别为43.09％和30.79％.相关性分析结果显示,相对湿度是影响水分利用效率的主要因子,全年尺度上还有年均气温和饱和水汽压差,生长季尺度上主要影响因素还包括光合有效辐射和净辐射.研究结果对于明晰金露梅灌丛草甸水分利用效率调控机制具有重要意义.     

青藏高原金露梅灌丛草甸水分利用效率长期变化特征

解析高寒草甸水分利用效率连续变化特征及其影响因素,对于提升高寒草甸水分利用效率具有重要作用。本研究基于2003–2010年青海海北金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸连续8年间总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和借助于潜热通量(latent heat flux,LE)和蒸发潜热(λ)计算实际蒸散量,进而计算出8年间水分利用效率值,并探讨了其对气象因子的响应特征,结果表明:1)年际尺度上,8年间总初级生产力、蒸散量和水分利用效率分别以每年98.55 g·m~(-2)、40.15 mm和138.70 g·(m~2·mm)~(-1)的趋势上升;季节尺度上,总初级生产力、蒸散量和水分利用效率均在7月份达到最大值,1月份呈现最小值。2)年均温度、相对湿度和净辐射对全年水分利用效率相对贡献率均最高,三者能解释73.50%的全年水分利用效率变异。光合有效辐射、空气温度和相对湿度3个环境因子在生长季尺度上相对贡献率总值为74.14%。在全年和生长季尺度上,年均气温和光合有效辐射贡献率较高,分别为43.09%和30.79%。相关性分析结果显示,相对湿度是影响水分利用效率的主要因子,全年尺度上还有年均气温和饱和水汽压差,生长季尺度上主要影响因素还包括光合有效辐射和净辐射。研究结果对于明晰金露梅灌丛草甸水分利用效率调控机制具有重要意义。     

青藏高原北麓河流域不同退化程度高寒草甸土壤呼吸特征

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一,而青藏高原高寒草甸的大面积退化对土壤呼吸及碳循环造成重要影响。为了进一步探明高寒草甸退化对土壤呼吸的影响,对北麓河区不同退化程度高寒草甸土壤呼吸及其相关因子进行了测定,分析了土壤呼吸与生物量、地下净初级生产力以及土壤温度的关系。结果表明:1)不同退化程度高寒草甸土壤呼吸在生长季均表现出相似的动态特征,随退化程度加剧呈先增加后降低的变化趋势,在中度退化程度达到最大值,且在生长季中期变化显著(P 0.05)。2)土壤呼吸和地上、地下生物量及地下净初级生产力均显著线性正相关(P 0.05)。3)土壤温度与土壤呼吸之间呈指数关系,但不同退化程度下土壤呼吸对土壤温度的敏感性不同,土壤呼吸敏感性在轻度退化(Q_(10)=3.26)和中度退化程度(Q_(10)=3.22)大于未退化(Q_(10)=2.66),而在重度退化(Q_(10)=2.49)和极度退化程度(Q_(10)=1.96)小于未退化;这主要是由不同退化程度土壤温度、地下生物量以及土壤有机碳含量的差异造成。研究的结果有助于进一步认识退化草地的碳循环过程。     

冠层温度和降水对农牧交错带植被生产力的影响研究

降水是影响北方农牧交错带植被生产力变化的最重要因子之一。然而,随着气候变暖,较高的冠层温度会对植被生产力产生不利影响。因此,需要进一步加深关于冠层温度和降水变化对植被生产力变化的理解。本研究使用卫星遥感数据集探讨了2005—2015年内蒙古农牧交错带生长季植被总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）的时空变化特征,进而分析了冠层温度（Canopy temperature,Tc）以及降水（Precipitation,Prec）对植被GPP的影响。结果表明：研究区内94.2%的区域GPP呈现上升趋势,其中约27.7%具有显著性（P < 0.05）;Tc和Prec能够解释约75.7%的该地区平均GPP年际变化;GPP与Tc具有较强的负相关关系,而与Prec呈较弱的正相关关系。研究结果强调了冠层温度变化对农牧交错带植被生产力的重要影响。未来仍需要开展研究以全面揭示气候变化对农牧交错带生态系统的影响,以便为可持续农牧生产提供适应气候变化的管理方案和减灾措施。     

青藏高原高寒湿地生态系统碳水通量与水分利用效率研究

为明晰高寒湿地生态系统碳水耦合机制，本研究基于2004—2009连续6年青海海北高寒湿地生态系统通量数据计算出总初级生产力和蒸散量变化，进而计算出高寒湿地水分利用效率变化。结果表明：年际尺度上，湿地生态系统呼吸速率、水分利用效率和生态系统CO₂净交换量均呈极显著上升趋势；季节尺度上，连续6年间非生长季生态系统碳排放总量大于生长季碳吸收总量；针对生态系统呼吸速率和水分利用效率均呈现出生长季值大于非生长季值；结构方程模型结果揭示相对湿度极显著影响高寒草甸湿地生态系统CO₂净交换量、生态系统呼吸速率和水分利用效率变化；水分利用效率和生态系统CO₂净交换量分别受净辐射和降水量的极显著影响。该研究结果可为高寒生态系统碳水耦合及对气象因子变化适应等提供理论依据。     

高寒灌丛对气候变暖的生态响应及适应性研究进展

灌丛通常指高度在5 m以下的以灌木为优势的植被类型。高寒灌丛因地处高海拔或高纬度的寒冷生境,对气候变暖响应尤为敏感。然而,随着近几十年的气候变暖,大量研究数据表明环北极地区树木生长对夏季温度的敏感性逐渐下降,但目前并不清楚高寒灌丛如何响应和适应气候变暖,是否也存在敏感性下降问题。本文主要基于长时间序列数据、样带调查及模拟试验等研究方法综述不同时空尺度下高寒灌丛对气候变暖的生态响应相关研究成果,并指出当前的研究趋势和存在问题。长时间序列数据基于长期定位监测和(或)树轮数据及遥感、航拍和重复拍照手段揭示灌木的扩展、生长变化趋势及其可能的影响因子;样带调查主要表现为相关生态指标沿海拔梯度的变化规律;模拟试验主要体现在植物物候、叶性状变化等。综合来看,变暖促进了高寒灌丛的生长,体现在植被盖度、生物量等指标的增加。就灌木叶功能性状而言,一些性状(如比叶面积等)在胁迫生境中体现出趋同适应特征。不同研究方法受研究尺度的限制存在明显的局限性,未来应开展全方位、多尺度的全球性联网综合观测体系;加强对不同功能型灌木的对比研究,探索高寒区趋同适应的普遍性和环境阈值;加强沿水分梯度的样带调查,开展人工模拟增(...     

刈割对暖性草丛草地碳交换的影响——以渝北岐山草地为例

试验以南方改良后的暖性草丛草地为研究对象,探讨刈割对南方草地生态系统碳交换的影响。结果表明:(1)在生长季(4~9月),对照和刈割草地均处于CO2吸收阶段,但刈割草地对CO2的吸收量低于对照草地(P0.01);在非生长季(10月~次年3月),对照和刈割草地均处于碳排放阶段,但刈割草地CO2排放量显著低于对照组(P0.01),在全年尺度上,刈割草地净生态系统碳交换量(NEE)与对照草地无显著差异,且均为碳汇草地;(2)刈割草地生态系统呼吸(ER)和土壤呼吸(RS)在个别月份与对照相比有所降低,但在全年尺度上无影响;(3)生长季时,刈割草地生态系统总初级生产力(GEP)高于对照草地(P0.05),但在非生长季和全年水平下无显著差异(P0.05)。在生长季和非生长季草地生态系统碳交换量在刈割下有所变化,但在全年水平上效果并不显著。说明草地对外界干扰有一定的自我调适功能,适度刈割并不会影响草地生态系统碳循环。     

青藏高原高寒灌丛草甸生态系统碳平衡研究

利用静态密闭箱—气相色谱法观测的高寒金露梅Dasiphora fruticosa灌丛、丛间草甸土壤微生物呼吸CO2通量结果,结合研究区群落生物量及样方调查,对高寒灌丛草甸生态系统的碳平衡状况作了初步估测。结果表明:植物生长季高寒灌丛草甸生态系统初级生产力年净固定碳量461.83g/(m2·a),土壤通过微生物呼吸年碳净排放量376.78g/(m2·a)。碳素输入大于输出,系统存在较强的CO2吸收潜力,是大气CO2的汇,其年净交换吸收碳量85.05g/(m2·a)。     

青藏高原草地生态系统碳循环研究进展

青藏高原属于气候变化的敏感区和生态脆弱带,对气候变化和人类活动扰动十分敏感,在未来全球碳循环调控中发挥着重要的作用。为增进对青藏高原高寒草地生态系统碳循环的理解,综述了近10年来气候变化、氮沉降和人类活动干扰下青藏高原温室气体排放、土壤碳库变化以及模型模拟应用等方面的最新研究进展。概括出高寒草地生态系统碳循环研究的草地类型主要包括高寒草原、高寒草甸、灌丛草甸草原、沼泽化草甸以及高寒湿地等。阐述了温室气体产生的机理、青藏高原高寒草地碳循环的源汇关系,指出温度升高、放牧、氮沉降是影响青藏高原温室气体排放、土壤碳库变化最重要的外界扰动,但是温室气体排放、土壤碳库对这3个因子之间协同作用的响应目前还不清楚。现有的高寒草地生态系统碳循环模型,主要以植被类型为基础,大多只考虑了水热因子,很少包含土壤因子和生物因子及其协同作用的影响。在此基础上,指出未来拟加强的研究重点: 1)冻融交替过程土壤温室气体排放研究; 2)非生长季土壤呼吸作用研究; 3)碳循环和植物物候耦合研究; 4)高寒草地生态系统碳循环模型的开发。     

青藏高原3种主要植被类型的表观量子效率和最大光合速率的比较

以海北高寒草甸生态系统定位站的涡度相关系统连续观测的CO₂通量数据为基础,分析了青藏高原的高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸、高寒金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸和高寒藏嵩草(Kobresia tibetica)沼泽化草甸等3种主要植被类型在2005年植物生长季(6-9月)的表观量子产额(a)、最大光合速率(P_max)和呼吸速率(R_eco)的变化特征。结果表明:3种植被类型白天的净生态系统CO₂交换量(NEE)和光量子通量密度(PPFD)存在明显的直角双曲线关系(P<0.05),其a、P_max和R_eco呈现出相似的季节变化趋势,在生长季初期(6月)最小,在7月或8月份达到最大;高寒矮嵩草草甸的a、P_max和R_eco大于灌丛草甸和沼泽化草甸,而后两者差别不大。     

不同时期干旱对青藏高原高寒草甸生态系统碳交换的影响

极端干旱事件能够显著地改变土壤水热条件和群落特征，进而影响生态系统碳交换。以青藏高原高寒草甸为研究对象，通过设置截雨棚，模拟发生在生长季前期（返青期，5-6月）和中期（快速生长期，7-8月）的极端干旱事件，研究不同时期干旱对群落特征和生态系统碳交换的影响。结果发现：不同时期干旱事件对高寒草甸生态系统的影响均表现在生长季中期，生长季前期干旱处理（ED）下，群落植被高度、盖度和地上生物量均显著降低于对照（CK） （P<0.05）；此外，ED和生长季中期干旱处理（MD）均显著抑制了总生态系统生产力（GEP）和生态系统呼吸（ER） （P<0.05），且MD显著降低了净生态系统碳交换（NEE）（P<0.05）。相关分析结果表明，ED处理下，生长季中期的土壤体积含水量与ER显著正相关（P<0.05）；MD处理下，在生长季前期的土壤体积含水量、群落地上生物量均与ER显著正相关（P<0.05）。表明生长季不同时期干旱对生态系统碳交换的影响机理不同，生长季前期干旱主要通过抑制植物生长过程影响碳交换，而生长季中期干旱则主要通过抑制植物生理活动影响碳交换。研究结果加深了高寒草甸生态系统对不同时期干旱响应的认识，为气候变化预测研究提供了数据支撑。     

增温和氮添加对长江源区高寒沼泽草甸生态系统呼吸的影响

为探究高寒湿地生态系统对气候变化的响应,本研究对模拟增温（2.64℃）、氮添加（40 kg N·ha^-2·yr^-1）及其交互处理下的高寒沼泽草甸生态系统呼吸进行了2个生长季的监测。结果表明：增温显著提高了高寒沼泽草甸生态系统呼吸（约25%）,而氮添加对高寒沼泽草甸生态系统呼吸无显著影响;增温降低了高寒沼泽草甸生态系统呼吸对土壤温度变化的敏感性。在相对温暖的2015年生长季,增温和氮添加对生态系统呼吸起到协同促进作用。分析发现高寒沼泽草甸生态系统呼吸主要受表层土壤温度、植物生物量和土壤可溶性有机碳的影响;增温显著提高了植物地上和地下生物量,增强了自养呼吸,是增温提高生态系统呼吸的主要原因。本研究结果表明相比于大气氮沉降增加,高寒沼泽草甸生态系统呼吸对气候变暖的响应更加敏感。     

高山草地植被盖度对气候变暖和人类活动的响应

高寒草地对气候变化和人类活动的干扰响应敏感,高寒草地植被盖度估算是了解高寒草地植被状况和评估退化草地修复效果的一个重要方法。目前,地面盖度估算的主要方法是数码照相法,其中基于多光谱照片的盖度提取是比较准确和高效的方法。本研究采用多光谱相机对疏勒河上游不同演替阶段高寒草地、围栏封育和翻耕补播草甸生长季内的植被盖度进行了观测,研究了气候变暖和人类活动干扰下高寒草地植被盖度的变化,同时对估算多光谱照片盖度的阈值法做了改进。结果表明,1）新阈值法的估算结果与真实值之间无显著差异（P=0.219）,而旧阈值法与真实值之间差异极显著（P=0.001）;2）处于不同演替阶段的草地类型具有不同的植被盖度,沼泽草甸最高,各草地类型盖度均在7月达到最大;3）在生产力较低的多年冻土区,围栏封育对高寒草地修复效果在短期内不明显,翻耕补播甚至会导致植被盖度进一步降低。     

梯度增温对青藏高原高寒草甸生态系统碳交换的影响

高寒草甸是青藏高原主要的草地生态系统类型,对气候变化非常敏感,研究高寒草甸生态系统碳交换对升温的响应具有重要的理论和现实意义。在青藏高原中部地区的高寒草甸,使用开顶箱法(open-top chambers,OTCs)设置不增温对照(T_0)以及4个不同程度的增温处理(T_1、T_2、T_3、T_4),采用CO_2红外分析仪对生长季期间的碳交换进行连续3年的观测。结果表明,4个增温处理的5cm土壤温度较之于不增温对照分别增加1.73(T_1)、1.83(T_2)、3.03(T_3)以及3.53℃(T_4);土壤水分没有发生梯度变化。观测期间,净生态系统碳交换(net ecosystem carbon exchange,NEE)基本为负值,因此高寒草甸表现为碳汇。增温小于2℃促进总生态系统生产力(gross ecosystem productivity,GEP),但对生态系统呼吸(ecosystem respiration,ER)影响较小,因而促进NEE,即促进高寒草甸的碳吸收;但增温大于3℃则抑制GEP,对ER影响较小,因而总体上对NEE产生抑制作用。综上所述,在高寒草甸生态系统,适度增温促进碳吸收,增温过度则降低碳吸收。     

基于DNDC模型的高寒草甸土壤有机碳含量动态研究

研究发现以气温升高为主导的气候变化严重影响高寒草甸土壤有机碳含量的动态变化,然而,关于气候变化和放牧对土壤有机碳的耦合效应知之甚少。本研究采用增温-放牧试验结合DNDC(denitrification-decomposition)模型,检测气候变化和放牧对青藏高原高寒草甸土壤有机碳含量的影响,并评估气候变化和放牧对土壤有机碳含量变化的贡献率。结果表明:气候变化对土壤有机碳产生负面影响;放牧强度通过增加践踏、落叶和粪便返还影响土壤有机碳含量。温度、降水结合放牧强度,解释了高寒草甸土壤有机碳含量变化的63.4%。气候变化是导致土壤有机碳波动的主要因素,该因素解释了土壤有机碳变化的61.9%。相比之下,放牧强度解释了其变化的1.6%。持续的气候变化和放牧会影响土壤有机碳的动态变化,进而影响草地生态系统的服务功能。草地生态系统管理应考虑到潜在的气候变化,以实现该系统的可持续发展。     

荒漠草原区人工柠条林地面节肢动物群落月动态变化

以荒漠草原区6,15,24和36年生人工柠条林地为研究对象,通过陷阱诱捕法调查了每个林地5-9月地面节肢动物群落分布,揭示了地面节肢动物群落月动态变化规律及其与林龄的关系。结果表明,1)研究区共获得5纲13目62科72类群,按照食性差异划分为捕食性、植食性、腐食性、粪食性和杂食性以及寄生性6个营养功能群。步甲科、鳃金龟科以及拟步甲科(主要包括琵甲属、漠甲属和鳖甲属)是优势类群,其个体数占个体总数的46.71%。2)从5月到6月,每个柠条林地除已有植食性和杂食性类群外开始出现腐食性类群,7月只在36年林地开始出现捕食性优势类群,而8-9月每个林地均开始出现捕食性类群。随着林龄的增加,地面节肢动物食物网结构趋于复杂。3)6年生林地优势类群高峰期出现在9月,而在15年生林地出现在6和9月,24年生林地出现在6,8和9月,36年生林地优势类群高峰期出现在6,7,8和9月。随着林龄的增加,地面节肢动物优势类群月分布趋于稳定。4)6年生林地的最大类群密度以5和9月最高,8月最低;从15到24年林地逐步转变为5月最高而其他月份相对较低的模式;而到36年林地转变为5月最高,8月次之,而其他月份相对较低的模式。不同年龄林地对地面节肢动物群落个体数和丰富度的影响以8和9月影响最大,5-7月影响较小。5)研究表明,6~24年生柠条林地面节肢动物群落月动态波动剧烈,36年生柠条林地面节肢动物群落月动态趋于相对稳定,食物网结构趋于复杂。其中,8和9月地面节肢动物群落受到柠条年龄的影响较大。     

模拟干旱对藏北高寒草甸植物物候期和生产力的影响

为探究生长季不同时期干旱事件对高寒草甸植物物候期和生产力的影响,采用截雨棚于藏北高寒草甸生长季前期和后期进行为期2年（2016-2017年）的截雨试验。结果表明：1）植物物候期对不同时期干旱处理响应不同,高寒草甸关键物种植物物候期对生长季前期干旱（SE）响应较为敏感,SE会导致植物返青期大幅推迟,生长季长度和繁殖期明显缩短（P<0.05）,而生长季后期干旱（SL）对植物物候期无显著影响;2）群落和各功能类群的生物量在不同时期干旱处理下均显著降低,总生物量较对照样地下降幅度最大,达62.9%（P<0.05）,群落高度和盖度受到干旱不同程度的抑制,而不同功能类群的响应存在差异;3）群落高度、生物量与生长季长度和繁殖期均呈显著正相关（P<0.05）。表明高寒草甸植被生产力对干旱的响应受物候期的调控,物候期主要通过影响植株高度调控群落生产力,而不同功能类群植物对干旱事件的差异化响应,指示着干旱事件增多和加剧将导致高寒草甸植被群落结构的改变。     

黑河中上游草地NDVI时空变化规律及其对气候因子的响应分析

植被动态监测以及与气候变化的耦合关系是陆地生态系统研究的热点,而草地NDVI时空动态以及影响其变化的关键气候因子分析,对于草地覆盖变化的动态机理研究具有重要意义。基于遥感和GIS技术,利用黑河流域1999-2007年SPOT-NDVI数据和气象站点数据,分析了黑河中上游草地植被NDVI的时空变化特征以及与气候因子的相关性。结果表明,黑河中上游草地植被NDVI在1999-2007年间呈明显增加趋势;草地植被NDVI增加和减少的面积分别占草地总面积的71.53%和19.43%;增加的区域主要分布在托来山、走廊南山、冷龙岭和河西走廊中段的典型草原和高寒草甸草地,减少的区域主要分布在托勒南山、走廊南山和冷龙岭的荒漠草地向非草地过渡区域;黑河中上游不同草地植被NDVI的年内变化均呈单峰型,7月份达最大值;草地NDVI与气温呈极显著正相关(r=0.942,P<0.01),与降水量呈显著正相关(r=0.922,P<0.05),NDVI与相对湿度呈不显著正相关,与日照时数呈负相关性,并且不同草地类型牧草生长的限制因子不同。近年来伴随西北地区气候向暖湿转型,黑河中上游草地植被覆盖明显增加,气温是影响研究区牧草生长的关键气候因子。