2006-2015年内蒙古多伦典型草原碳水通量观测数据集

草原生态系统是陆地和大气间物质和能量交换的重要生态系统,在全球碳循环中发挥重要作用,但其碳汇大小和方向存在争议。涡度通量观测方法可实现植被和大气间碳、水、能量交换的连续测定。长期的碳水通量观测有助于明确草原生态系统的碳汇功能及其对气候变化的响应。本数据集收集整理了2006–2015年内蒙古多伦温性典型草原生态系统长期涡度通量观测数据,基于ChinaFLUX标准数据处理体系完成30分钟的碳水热通量和常规气象要素数据整编。本数据集观测质量较好,全年数据观测完整性达95%以上,能量平衡闭合比率较高(1.04±0.07)。本数据集为研究温性典型草原生态系统碳水通量的日动态、季节变化及年际变异提供坚实的数据支撑,对评估我国北方草原在区域和全球碳水循环中的作用具有重要意义。

2006-2015年内蒙古锡林浩特刈割草原碳水通量观测数据集

草原生态系统是世界上分布最广泛的植被类型之一,具有重要的生态服务功能,对全球碳水循环发挥着重要作用。刈割作为内蒙古草地常见的利用方式,其会对草原生态系统结构与功能均产生深刻的影响。但目前关于刈割对草原生态系统碳水循环过程影响机制尚不清晰。缺乏长期、连续的通量观测数据是重要原因之一。按照ChinaFLUX标准数据处理方法,我们收集整理了2006–2015年内蒙古锡林浩特温性典型草原生态系统碳水通量和常规气象数据。本数据集提供的长期涡度通量观测数据,不仅为研究刈割利用下草原生态系统碳水通量的时间动态过程及调控机理提供了坚实的数据基础,同时也对优化该区域草地利用管理及评估刈割对我国北方草原碳汇功能的影响具有重要价值。

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段,已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用,长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测,明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测,在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征,揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成,总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用,并对通量研究发展前景进行了展望。

凋落物输入变化和氮添加对半干旱草原群落生产力及功能群组成的影响

不同的草原利用方式(围封、放牧和割草等)随着大气氮沉降的不断加剧,改变了凋落物输入量。凋落物作为连接地上-地下碳循环过程的关键环节,对草原生态系统生产力和碳循环过程影响显著。氮是草原生产力的主要限制因子,凋落物输入量的变化对草原生态系统结构和功能的影响仍缺乏长期实验证据支持。该研究在内蒙古半干旱典型草原建立一个凋落物输入变化和氮添加控制实验平台,通过连续6年对群落生产力和功能群组成的监测,研究了凋落物添加与去除和氮添加对半干旱草原群落生产力和功能群组成的影响。研究发现:1)凋落物输入量增加和氮添加均显著提高了群落生产力,在对照和氮添加处理下,凋落物去除处理导致生产力分别降低了8.4%和7.6%,而凋落物添加处理使生产力分别提高了10.7%和6.3%;2)不同植物功能群对凋落物输入变化和氮添加的响应存在差异,导致群落功能群结构发生变化。随着凋落物输入量增加和氮添加,群落优势功能群多年生禾草(包括多年生丛生禾草和多年生根茎禾草)的生物量显著提高,对群落生产力的贡献增加,在群落中的优势地位增强;而另一优势功能群多年生杂类草生物量对凋落物和氮添加处理均无显著响应,进而导致在氮添加处理下其对群落生物量的贡献比例显著降低;3)凋落物输入主要改善土壤水分状况,而氮添加则主要通过提高土壤养分含量,促进群落生产力,并通过影响主要功能群生物量,导致群落结构发生变化。以上结果表明,适当的草原管理方式如围封禁牧和降低放牧强度等都能通过增加凋落物的输入来提高草原生产力,维持生态系统稳定性。而适量的氮等养分添加管理也有助于提高草原生产力,促进其恢复。

氮添加量和施氮频率对温带半干旱草原土壤呼吸及组分的影响

日益加剧的氮沉降已经对陆地生态系统生产力和碳循环过程产生了显著影响。草原生态系统近90%的碳储存在土壤中,明确土壤呼吸及其组分对氮添加的响应对评估大气氮沉降背景下草原生态系统碳平衡和土壤碳库稳定性是非常重要的。以往关于草原土壤呼吸对氮沉降响应的理解多是基于短期(<5年)和低频(每年1–2次)氮添加实验研究,而关于长期氮添加和不同施氮频率对土壤呼吸及其组分的影响尚缺乏实验证据。该研究基于2008年建立在内蒙古半干旱草原的长期氮添加实验平台,包括6个氮添加水平和2个施氮频率处理,通过连续两年(2018–2019年)土壤呼吸及其组分的测定,发现:1)氮添加显著降低了土壤总呼吸速率(Rs),且Rs下降程度随着氮添加量的增加而增强。土壤异养呼吸速率(Rh)的显著下降是Rs下降的主要原因。2)不同氮添加频率并未显著影响土壤呼吸及其组分对氮添加处理的响应。3)长期氮添加造成的土壤酸化降低了土壤微生物活性并改变了微生物群落结构(真菌/细菌比),进而导致土壤呼吸及其异养组分呈现显著的负响应。以上结果表明,长期(>10年)氮添加对土壤地下碳循环过程的抑制作用非常明显,特别是异养呼吸组分的下降会降低土壤有机碳分解速率,有助于土壤碳库稳定性的维持。同时,随着氮添加处理时间的延长,不同施氮频率影响效应的差异减弱,表明目前长期的低频氮添加实验监测数据可以为评估自然生态系统对大气氮沉降的响应提供较为可靠的参考。

半干旱草原土壤呼吸组分区分与菌根呼吸的贡献

土壤呼吸组分的区分对于理解地下碳循环过程非常重要。而菌根真菌在地下碳循环过程中扮演着重要的角色, 但是有关菌根呼吸在草原生态系统中的研究相对较少。该研究在内蒙古半干旱草原应用深浅环网孔法, 结合浅环、深环(排除根系)和一个带有40 μm孔径窗口的土壤环(排除根系但是有菌根菌丝体)将根和菌丝物理分离, 来区分不同的呼吸组分。结果表明: 异养呼吸对总呼吸的贡献比例为51%, 根呼吸的贡献比例为26%, 菌根呼吸的贡献比例为23%, 菌根呼吸的比例3年变化范围为21%-26%。与国内外研究相比, 此方法提供了一个相对稳定的菌根呼吸测量精度范围, 在草原生态系统中切实可行。对菌根呼吸的准确定量将有助于预测草原生态系统土壤碳释放过程对未来气候变化的响应。

中国北方干旱半干旱区草原生态系统能量平衡闭合的季节和年际变异

能量平衡闭合状况是评估通量观测数据质量的重要参考指标,为客观评价中国北方干旱半干旱涡度观测数据的质量,确定数据分析方法和改进策略,加深对能量闭合度与环境因子之间关系的理解,该研究基于内蒙古3种不同草原类型(荒漠草原、典型草原和草甸草原)6个涡度相关通量观测站点(四子王旗站、锡林浩特割草站、锡林浩特围封站、西乌珠穆沁旗站、多伦站和额尔古纳站)的56个站年的能量通量和气象因子测定数据集,利用能量平衡比率(EBR)和最小二乘法线性回归(OLS)这两种常用的方法,分析了北方干旱半干旱区不同站点和草原类型能量闭合的状况、季节和年际变异及主要影响因素。主要结果表明:1)6个站点多年EBR均值为0.89±0.11,OLS斜率均值为0.96±0.04,能量闭合程度明显高于国际通量网和中国通量网站点的能量闭合状况。2)不同站点和草原类型间EBR存在明显差异,表现为荒漠草原(1.01±0.09)和典型草原(0.90±0.11)都高于草甸草原(0.83±0.05),各站点EBR均存在明显的季节变异,生长季基本都在1附近并且相对稳定,非生长季低于1并且变化较大,主要受气温(T_(a))、饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)和反照率(Albedo)的影响,其中较低的T_(a)和较高的Albedo是导致非生长季EBR较低的主要原因。3)不同站点和草原类型EBR存在显著年际变异,主要受潜热分配(潜热通量/净辐射比值,LE/R_(n))、年平均气温(MAT)和生长季Albedo显著影响,其中LE/R_(n)的年际波动对EBR年际变异起主要的调控作用,可解释EBR年际变异的44%。此外,各站点EBR均表现出随年份逐渐降低的趋势,植被盖度显著增大后引起Albedo降低可能是造成EBR下降的主要原因。综上所述,为更加全面地评估能量闭合状况,EBR和OLS斜率两种方法建议结合起来使用。