养分添加和降水变化对荒漠草原植物群落物种多样性和生物量的影响

本研究旨在探讨荒漠草原植物群落物种多样性及生物量对养分添加和降水变化的适应策略,以期为退化荒漠草原的恢复和管理提供理论基础。本试验在宁夏荒漠草原开展了养分添加和降水变化野外控制试验,通过测定植物群落物种数及生物量,研究养分添加和降水变化对荒漠草原植物群落物种多样性和生物量的影响。结果表明：养分添加显著降低禾草丰富度（P<0.05）;减少50%降水显著降低Shannon-Wiener指数和物种总丰富度,增加50%降水显著增加物种总丰富度（20.5%～28.2%）（P<0.05）;养分添加和增加50%降水显著提高植物群落盖度和生物量（P<0.05）;减少50%降水条件下,养分添加处理与不添加处理相比植物群落地上生物量显著提高（54.3%～75.6%）（P<0.05）;植物群落地上生物量与Shannon-Wiener指数和物种总丰富度呈显著正相关（P<0.05）。研究表明：减少50%降水条件下,养分添加能够缓解水分对荒漠草原植物生长的限制,其中氮磷钾添加缓解效果优于氮添加。     

一年生植物功能群对放牧草原生物量和土壤呼吸的影响

作为草原群落重要层片的一年生植物功能群,在湿润季节和年份高度发育补偿群落生物量、维持放牧草原生态系统稳定,但尚不清楚一年生植物功能群通过这一补偿方式如何补偿群落地上/地下生物量和影响土壤呼吸。基于2012年和2013年内蒙古锡林郭勒大针茅(Stipagrandis)+羊草(Leymus chinensis)典型草原两个放牧强度试验样地群落地上/地下生物量、土壤呼吸及相关环境因子的测定。研究表明,1)一年生植物功能群对群落生产力的补偿作用及生长季土壤呼吸累积量在湿润年份(2012年)均大于干旱年份(2013年);且在中度放牧处理中均显著大于轻度放牧处理(P0.05);2)土壤呼吸与一年生植物功能群地上、地下生物量、土壤5cm温度和土壤0-10cm含水率均具有极显著正相关关系(P0.001)。由此表明,当放牧降低了草原群落多年生功能群生物量时,一年生植物功能群在湿润季节和年份可补偿群落生产力、促进土壤呼吸排放速率,进而影响草原生态系统碳循环过程。     

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。     

氮添加对内蒙古不同草原生物量及土壤碳氮变化特征的影响

以内蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原3种草原实验区草地植物群落为研究对象, 设置7种氮添加梯度, 分别为CK（0 g N·m^-2·a^-1）、N₁（5 g N·m^-2·a^-1）、N₂（10 g N·m^-2·a^-1）、N₃（15 g N·m^-2·a^-1）、N₄（20 g N·m^-2·a^-1）、N₅（25 g N·m^-2·a^-1）、N₆（30 g N·m^-2·a^-1）,应用单因素方差分析（One-way ANOVA）方法研究不同浓度梯度氮添加下不同草原类型区植被生物量、土壤碳氮差异及其影响因素。结果表明：1）氮添加并未对3种草原类型地下生物量产生显著影响（P>0.05）,但显著提高了草甸草原和荒漠草原地上生物量（P<0.05）,且本研究初步判断在N₃添加时接近饱和阈值, 整体上氮添加使内蒙古草原总生物量平均增加了29.66%,较干旱的荒漠草原对氮添加的响应较为明显。施氮肥使草甸草原的根冠比显著降低（P<0.05）,典型草原根冠比在N₃处理下显著增加（P<0.05）,但对荒漠草原影响不显著（P>0.05）。2）选择不同土层（0~10 cm、10~30 cm）分析氮添加对3种草地类型土壤有机碳、全氮含量的影响, 结果显示氮添加对草甸草原土壤碳氮含量没有显著影响（P>0.05）,对典型草原和荒漠草原土壤碳氮含量存在显著影响（P<0.05）,且0~10 cm土层对施氮的响应更明显。3）施氮条件下地上生物量与土壤C/N、年均降水显著相关（P<0.01）,地下生物量、总生物量均与土壤全氮含量、有机碳含量、土壤C/N、年均温、年均降水显著相关（P<0.01）。总的来说,不同类型的草地生态系统生物量及土壤碳氮含量对施肥的响应存在差异,这意味着草地恢复与管理过程中需要对养分的添加作用进行考虑。     

氮素和水分添加对贝加尔针茅草原植物功能群地上生物量的影响

在内蒙古贝加尔针茅草原,分别设置对照、1.5g/m2、3.0g/m2、5.0g/m2、10.0g/m2、15.0g/m2、20.0g/m2和30.0g/m2(不包括大气沉降的氮量)8个氮素(NH4NO3)添加梯度和模拟夏季增加降水100mm的水分添加交互试验,研究氮素和水分添加对草原群落植物功能群地上生物量的影响。结果表明:在植物生活型功能群中,氮素和水分的添加显著增加了禾草类植物功能群的地上生物量,减少了豆科类植物功能群的地上生物量;在植物生态类型功能群中,氮素和水分的添加显著增加了中旱生植物功能群的地上生物量,减少了旱生植物和旱中生植物功能群的地上生物量。植物功能群地上生物量除受水分、养分添加水平的影响外,还受功能群自身特性、组成以及植物群落功能群间的相互作用制约。     

短花针茅荒漠草原植被群落结构及生物量对水氮变化的响应

为了解降水变化和氮沉降对荒漠草原植被群落结构和生物量的影响,在内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原进行水氮交互试验,采用裂区试验设计,主区为CK(自然降水)、W(增水30%)、R(减水30%),副区为0 (N₀)、30 (N₃₀)、50 (N₅₀)、100 (N₁₀₀) kg N·hm^-2·a^-1共12个处理。结果表明:1)水氮的介入导致植物群落组成、重要值发生了明显变化,R中群落物种数最低,提高了优势种在群落中的重要值,氮素添加导致群落物种数呈“抛物线”型,群落物种数先增多后减少。2) CK、W、R条件下随施氮量增加,物种丰富度、Shannon-wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均先增大后减小,2016和2018年在CK-N₃₀、W-N₃₀、R-N₅₀达到最大值,干旱年份(2017)分别在CK-N₃₀、W-N₅₀、R-N₁₀₀达到最大值。水分主效应、氮素和水氮交互作用均对以上3个植物多样性指数有显著影响(P<0.05)。3)水分和氮素刺激了地上生物量的增加,短期氮素添加使多年生禾草生物量在地上总生物量中占比增加,多年生杂草生物量在地上总生物量中占比减小。水分、氮素、水氮交互均对地上生物量有显著影响(P<0.05)。     

增温对荒漠草原不同退化程度草地恢复初期影响的研究

为探讨增温对短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原不同退化程度草地恢复初期的影响,本研究以天然草地为对照,在不同退化程度的自然恢复草地上设置增温处理。增温一年后,在2021年8月测定增温处理下天然草地和不同退化程度草地恢复初期植物的高度、密度和生物量,并计算重要值和植物多样性指数。结果表明：增温降低了天然草地和轻度退化草地的物种数;增温和退化的交互作用极显著降低群落地上生物量和C₃植物生物量(P<0.01),增温显著增加了天然草地的地上生物量,显著降低了重度退化草地的地上生物量(P<0.05);增温和退化的交互作用对物种多样性无显著影响,但增温增加了天然草地的群落多样性,降低了退化草地的群落多样性;增温增强了不同退化程度草地物种多样性与地上生物量和不同功能群生物量的相关性。综上所述,在未来全球持续变暖的趋势下,退化草地的初期恢复将变得更加困难。     

模拟增温对高寒草甸土壤性质的影响

全球变暖严重影响着草地生态系统碳氮循环,了解高寒草地生态系统碳氮循环对合理利用有限的草地资源有着极为重要的意义。为了探索全球气候变暖的背景下草地生态系统碳氮循环过程,本文采用开顶式增温小室（Open top champers,OTCs）连续四年模拟增温,对青藏高原高寒草地生态系统碳库（植物生物量碳库、土壤有机碳库和土壤微生物生物量碳库）动态变化及氮库（植物生物量氮库、土壤有机氮库和土壤微生物生物量氮库）动态变化进行研究。结果显示：模拟增温后,表层土壤年均温度增加了2.50℃,底层土壤年均温度增加了1.36℃。增温处理下植物-土壤-微生物生物量碳含量均高于对照,且土壤微生物生物量碳含量显著高于对照（P<0.05）。模拟增温处理下植物氮含量显著高于对照（P<0.05）。而土壤氮含量与微生物生物量氮含量均低于对照,差异不显著,说明高寒草甸碳氮对温度的响应较为明显。     

长期增温和氮素添加对荒漠草原不同植物功能群特征的影响

为揭示短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原植物功能群对长期增温和氮素添加的响应机制,以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原为研究对象,于2019年8月对连续13年(2006-2019)增温和氮素添加试验下的植物物种组成,高度、盖度、密度进行观测,并对功能群地上生物量、多样性进行分析。结果表明：增温对多年生杂类草的盖度有显著影响,增幅达66.3%,氮素添加处理下一、二年生植物的盖度和密度分别减少了53%和71%;氮素添加处理对多年生杂类草的地上生物量有显著影响,降幅达46.1%;氮素添加对多年生禾草和多年生杂类草的Margalef指数有显著影响,Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数在增温处理下变化不大;增温+氮素添加处理下多年生杂类草和多年生禾草重要值极大,灌木和半灌木、一、二年生植物重要值极小。长期增温和氮素添加改变了短花针茅荒漠草原植物群落的组成和结构,进而促进了草地的可持续利用。     

模拟增温对草地植物、土壤和生态系统碳交换的影响

在分析模拟增温研究方法的基础之上,总结了模拟增温对草地生态系统植物、土壤和生态系统碳交换的影响。增温会提前或者推后草地植物的物候期,影响植物群落结构、土壤理化性质以及生态系统碳交换,但是增温时间的长短、增温装置以及环境条件的不同会导致不同结果。最后,提出了目前研究的不足以及未来模拟气候变暖研究中应关注的重要方向,为全面了解气候变暖对草地生态系统的影响提供参考。     

中国典型草原区气候变化及其对生产力的影响

根据中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站（IMGERS）近20年的观测资料，利用Holdridge生命地带系统的气候指标：生物温度，降水，可能蒸散和可能蒸散率以及任继周等提出的草原综合顺序分类法的气候指标：＞0℃积温，降水，湿润度，研究我国典型草原区的气候变化及其对净第一性生产力的影响。研究表明，近20年以来，中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究所在地区有变暖的,冬季增温尤为明显。根据模型计算的净第一性生产力与羊草样地实测的地上生物量值自1993年以后有明显的下降趋势。冬季增温使该地区春季干旱进一步加剧，并使典型草原的生产力下降。     

降水变化对荒漠草原植物群落生物量及其权衡关系的影响

本研究依据中国常用的降水年型划分标准，结合研究样地当年降雨量数据，把降水年型划分为丰水年和枯水年。为探讨不同降水年型(丰水年和枯水年)下荒漠草原植物群落地上-地下生物量及其权衡关系对降水变化的响应策略及其驱动机制，本研究依托2017年在宁夏荒漠草原建立的全球变化试验样地，选择自然降水(CK)、增加50%降水(CK+50%)和减少50%降水(CK-50%)处理，在丰水年和枯水年测定不同处理植物群落及功能群生物量。结果表明：在枯水年，CK+50%显著增加植物群落地下和总生物量；在丰水年和枯水年，CK-50%均显著降低豆科和禾本科地上生物量，而显著增加群落根冠比；在丰水年和枯水年，CK+50%生物量权衡比更倾向于地上，而CK-50%生物量权衡比趋向地下；荒漠草原降水变化主要通过直接影响豆科和禾本科地上生物量进而间接影响植物群落地上生物量，进而影响群落总生物量。本研究结果表明，无论是丰水年还是枯水年，不同功能群植物生物量及其比例对降水变化的响应有所不同。     

荒漠草原植被及土壤生态化学计量对降水的响应

利用遮雨棚技术对宁夏盐池县荒漠草原降水量进行人为调控，分析了不同降水梯度[33%、66%、100%(正常降水)、133%和166%]下植物群落地上部分和地下部分，以及土壤的生态化学计量特征，以探讨不同降水梯度对荒漠草原生态系统化学计量学特征的影响。结果表明：1)植物群落地上部分碳(C)随降水的增加逐渐减少，氮磷比(N:P)在正常降水下显著(P <0.05)高于降水量增加的处理；植物群落地下部分C、氮(N)、磷(P)随着降水梯度增大而先减后增，且地下部分C、C:N、C:P均在66%降水处理下显著(P <0.05)高于其他梯度。2)土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)随降水量的增加而增加；同一增水梯度下，表层土壤的SOC、TN和TP显著(P <0.05)高于深层土层。3)土壤SOC与植物群落地上部分P含量存在显著负相关(P <0.05)，植物群落其他部分和土壤C、N、P无显著相关(P> 0.05)。研究结果表明，降水变化可改变植物养分分配，增加土壤养分积累，但降水变化过程下荒漠草原植物与土壤间元素耦合关系整体较弱。     

增温和增/减水及氮沉降对中国草地植物多样性影响的研究进展

植物是生态系统的第一营养级,植物多样性在生物多样性中占主要地位。回顾了国内外学者近年来关于我国草地生态系统的研究,综述了气候变化和氮沉降增加对草地植物多样性的影响。温度增加没有显著改变高寒草甸和温性草地的物种丰富度,但降低了高寒草原和荒漠草原的物种丰富度,但是增温的影响与增温方式、增温年限有关。增水增加了物种丰富度,减水则相反。氮添加显著降低草地植物物种丰富度。增温和水分耦合以及氮添加和水分耦合对物种多样性的作用是可加的,总效应可能取决于相对效应大小：降水增加减缓了温度增加对物种丰富度的降低效应,降水增加和氮添加耦合作用降低了物种丰富度。未来需要加强长期监测温度增加对草地植物多样性的影响、更加关注物种组成的动态变化、加强降水格局变化的模拟试验和多因子耦合试验对草地植物多样性的影响的研究。     

荒漠草原植物群落特征及土壤碳氮含量对增温和增水的响应

为探究全球气候变化对草地植物群落特征和土壤养分含量的影响,在模拟增加温度（T0：自然温度;T1：自然温度增加2℃;T2：自然温度增加4℃）和增加降水量（W0：环境降水量;W1：环境降水量增加25%;W2：环境降水量增加50%）的7～8年后,调查了内蒙古荒漠草原植物群落特征并测定了土壤碳和氮含量。结果表明：增温、增水及其交互作用显著降低了荒漠草原植物群落中多年生禾草和半灌木的重要值,而显著增加了多年生杂类草和一年生植物的重要值。此外,增温、增水和同时增加温度和降水量对物种多样性、土壤碳和氮含量的影响并不显著;随着温度和降水量的增加,物种多样性指数和土壤碳、氮含量呈上升趋势。回归分析表明：土壤微生物量碳和氮与植物功能群重要值显著相关（P<0.05）,而土壤全碳和全氮与物种多样性显著相关（P<0.05）,这说明长期增温和增水可能通过调节土壤碳、氮含量对荒漠草原植物群落特征产生影响。研究结果为气候变化下荒漠草原的可持续发展提供数据依据。     

模拟降水变化对荒漠草原地上、地下生物量及其分配比例的影响

全球降水格局变化会对草地生态系统植物群落地上、地下生物量产生影响。为探求降水变化对草地群落生物量的影响，本研究在四子王旗荒漠草原设置了4种模拟降水梯度试验，分别为减少自然降水50%、自然降水处理、增加自然降水50%和增加自然降水100%。2018—2020年连续三年测算不同降水梯度处理下植物群落地上、地下生物量及其分配比例，发现2018年到2020年，植物群落地上、地下和总生物量均随降水梯度增加而增加；模拟降水变化对植物群落地上、地下以及总生物量因为样地被围封和降水量不同而产生年际差异。不同降水处理对0～10 cm和20～30 cm中的植物群落地下生物量影响差异显著，20～30 cm土层中，增水处理下的植物群落地下生物量则表现为三年间均为显著递增。减水处理的植物群落生物量向地下分配比例更高(P<0.05)。本试验为维持草地生产力应对未来气候变化提供了理论依据。     

枯落物去除对荒漠草原功能群和生产力的影响

枯落物是草地生态系统的重要组分,影响着植物对水分和养分的吸收和循环。通过对内蒙古短花针茅荒漠草原围封10年的样地进行不同程度的枯落物去除（中度、重度去除和对照）试验,揭示了2014～2017年枯落物去除对荒漠草原功能群和生物量的影响。结果表明：枯落物去除降低了土壤水分含量,重度去除较中度去除的土壤水分下降幅度更大。枯落物重度去除后荒漠草原地上生物量平均增加43%(2015～2017年)。枯落物去除后各功能群在降水充沛的年份表现出显著差异,多年生杂类草、灌木和小半灌木的生物量随着枯落物去除量的增加而增加,而禾草总量则是在中度枯落物去除后达到最大生物量;RDA分析表明,枯落物质量与土壤水分呈正相关关系,枯落物在土壤水分较高时对地上生物量以及各功能群生物量的影响增强;多年生丛生型禾草与一、二年生草本、灌木和小半灌木存在资源竞争。枯落物在水分充足的情况下,调节着荒漠草原植物功能群结构和地上生物量。由此可见,适量的枯落物留存有利于内蒙古荒漠草原生产力的可持续发展。     

半干旱沙地生境变化对植物地上生物量及其碳、氮储量的影响

研究了科尔沁沙地沙丘固定过程中的流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘以及草地4种生境类型的植物地上生物量及其碳、氮含量与储量特征。结果表明,沙地生境变化对植物叶干重、枝干重、总生物量及其碳、氮含量与储量均有显著影响(P<0.01);固定沙丘的叶干重、枝干重、总生物量及其碳氮储量均大于流动沙丘与半固定沙丘,草地的叶干重、枝干重、总生物量、枝和总的碳储量、枝的氮储量均小于固定沙丘而大于流动沙丘;半固定沙丘叶、枝及总碳含量与枝的碳储量大于流动沙丘,而叶、枝及总氮含量小于流动沙丘。一年生植物分别占流动沙丘、固定沙丘和草地总生物量的63.99%,79.28%,70.86%;灌木占半固定沙丘总生物量的73.15%;C₃植物生物量分别占流动、半固定、固定沙丘和草地总生物量的39.99%,90.87%,96.01%和82.67%。固定沙丘上的一年生植物和C₃植物的生物量、碳氮储量在4个生境中最高;半固定、固定沙丘和草地中C₃植物碳含量及其储量、氮储量均高于C₄植物。沙丘固定过程中生物量及其碳氮储量逐渐增加,固定沙丘植被具有较大的碳氮固存潜力,一年生植物、C₃植物对其碳氮的固存具有重要的贡献作用;沙丘固定过程中C₃植物对C₄植物生物量的下降具补偿作用。     

荒漠草原沙漠化对土壤养分与植被根冠比的影响

以空间代替时间的方法,通过对宁夏中北部荒漠草原不同沙漠化阶段草地土壤养分与植被生产力的研究,探讨土壤养分和植被根冠比对草地沙漠化的响应特征,以期为干旱与半干旱地区荒漠草原的生态恢复与重建提供科学依据。结果表明:随着荒漠草原沙漠化程度的增加,植被地上、地下生物量呈现减小的趋势,但是轻度沙漠化阶段植被地上、地下生物量均大于潜在沙漠化阶段。植物根冠比随着草地沙漠化程度加剧而减小,而重度沙漠化阶段植物根冠比比中度沙漠化阶段增加了36%;随着草地沙漠化程度的加剧,土壤有机碳、全磷、全氮、速效钾和速效氮含量均呈降低趋势;在草地沙漠化过程中,土壤养分的积累减弱导致土壤肥力降低,草地生产力下降。     

模拟降水对荒漠草原优势植物碳、氮化学计量特征的影响

降水作为关键性限制因子影响荒漠草原生态系统养分循环利用过程。以内蒙古短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原作为研究对象,于2016～2017年开展了野外模拟降水量变化(减少自然降水50%,自然降水,增加自然降水50%,增加自然降水100%)的试验。通过野外试验和室内分析的方法,测定了短花针茅、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)、银灰旋花(Convolvulus ammannii)、木地肤(Kochia prostrata)4种植物及枯落物和0～40 cm土壤的全碳、全氮浓度,以探究植物和土壤全碳、全氮及其化学计量特征对两年降水量变化的响应。结果表明,减少降水处理显著提高了短花针茅、无芒隐子草和银灰旋花的全氮浓度,并显著降低了这3种植物的碳氮比;增加或减少降水处理对木地肤的全碳、全氮浓度及碳氮比无显著影响。增加降水处理显著提高了10～20 cm和30～40 cm土层全碳浓度;植物全碳、全氮浓度与土壤全碳、全氮浓度具有显著的负相关关系。通过植物-枯落物-土壤三者间全碳、全氮浓度及其碳氮比相关性分析可知,在模拟降水下,土壤养分是调控荒漠草原植物生长和养分...