陆地生态系统微量元素循环及其对全球变化的响应:进展与展望

微量元素对植物的生长发育起着至关重要的作用。在全球变化大背景下,陆地生态系统微量元素循环过程势必发生改变,影响生态系统的结构与功能。综合文献资料,提取全球变化因子对陆地生态系统微量元素循环的主要影响,以便使读者详细了解这方面的研究进展。重点阐述微量元素的地球化学循环过程及其对降水格局改变、CO2浓度升高、氮沉降等全球变化的响应机制。经过分析文献资料得出:目前微量元素循环研究存在重视不足、时空尺度较小、技术陈旧等诸多缺陷。非稳定同位素技术与多因子控制实验的协同化将是陆地生态系统微量元素循环研究的重点发展方向。

草原群落退化演替过程中微斑块土壤碳氮的空间异质动态

微斑块变化是草原退化过程中的活跃成分。分析了呼伦贝尔克氏针茅草原逆行演替过程中微斑块土壤全碳、全氮和碱解氮含量的空间异质性,提出了"养分聚集效应"的概念。研究结果表明:随着群落退化演替的加剧,土壤全碳、全氮和碱解氮的含量均表现为演替前期>演替后期>演替中期(P<0.05)。从土壤全碳、全氮和碱解氮的变异系数和变异函数综合分析来看,10 cm×10 cm微尺度上,草原退化演替过程中土壤全碳、全氮和碱解氮的空间异质性具有明显的不一致性;全碳的空间异质性表现为演替中期>演替前期>演替后期,全氮表现为演替后期>演替前期>演替中期,碱解氮表现为演替中期>演替后期>演替前期。草原退化过程中土壤养分在微斑块上的富积和迁移表现出尺度依赖性和变异性。

不同放牧梯度上植物群落特征及优势种的生理生态学响应

为揭示放牧压力对草原群落生产力和植物适应性生长的影响规律,开展了蒙古高原东部克氏针茅草原不同放牧梯度上的植物群落学特征调查,并对优势种的光合日进程、营养元素及脯氨酸含量等生理生态指标进行了测定.得出:(1)随放牧强度的增强,土壤水分逐渐降低、土壤容重和土壤硬度逐渐增加;(2)从轻牧到重牧,物种丰富度显著不同,中牧阶段最高;群落生物量随放牧强度增大而减少;(3)不同放牧梯度上,群落优势种的光合日进程均呈现"双峰"曲线;(4)在不同放牧强度下,群落优势植物营养元素地上、地下分配含量受土壤环境质量制约,表现出明显的差异性分布;(5)随放牧强度的增强和土壤水分的降低,群落优势种脯氨酸含量逐渐升高.

牧压梯度上呼伦贝尔典型草原植物群落学特征

植物群落学分析以演绎式的生态解释转向归纳式的实验研究。本文运用法瑞学派(Braun-Blanquet)调查分析和群落功能群分类方法,通过比较内蒙古呼伦贝尔克氏针茅草原不同放牧梯度上群落组成结构、特征种及群丛单位的变化,阐明群落物种组合规律。结果显示:根据Braun-Blanquet存在度/盖度等级的划分,得到两个主要群丛及下属两个亚群丛;随着放牧强度的增强,葱属植物等耐牧、耐旱物种出现频度显著增加,适口性好、耐牧能力弱的物种出现频度降低甚至消失;群落科构成和功能群类型在牧压梯度上呈现不同的变化特征,群落物种数和多样性指数具有显著差异。

阿拉善荒漠区主要灌木林碳氮含量的变化分析

生物因素是促进土壤发生发展的最活跃因素,而植物在长期的适应环境条件的过程对土壤的特性产生重要的影响。梭梭、白刺、盐爪爪是典型的荒漠区地带性植被,其生长状况在维护区域生态平衡和促进国民经济发展中起着重要作用。利用半微量凯式法与TOC仪法对阿拉善吉兰泰荒漠地区梭梭林地主要植物种群和土壤样品的碳氮含量进行了测定,并结合土壤水分含量,分析了该地区植物-土壤功能体碳/氮值的变化规律。结果表明:(1)阿拉善地区土壤含水量较低,在0.51%～0.77%间波动;(2)梭梭等植物的碳、氮质量分数分别在9.1～11.4 mg.kg-1、2.20～2.2 6 mg.kg-1;(3)土壤的碳、氮质量分数分别在0.47～3.31 mg.kg-1、5.57～7.71 mg.kg-1,二者的比值在1.6～2.5。通过上述研究以期为荒漠生态系统的适应性管理提供理论依据。

草原退化过程中植物功能群数量特征的变化

以内蒙古高原东部克鲁伦河流域的放牧退化草原为研究对象,在植物功能群划分的基础上,比较了不同类别功能群在放牧梯度上的垂直分异和地上生物量的空间分布。结果显示:在中度放牧条件下,水分生态型功能群和种子传播类型功能群的植物生长较好;在轻牧区,生活型功能群的物种高度最大;生育型功能群中,匍匐型植物随着放牧强度的增加而减少。就地上生物量的分布而言,植物水分生态型功能群中,旱生植物在中度和轻度放牧区占有绝对优势地位,强旱生植物在强度放牧区优势明显;植物生活型功能群中,多年生草本植物在不同放牧强度下都占有明显优势;生育型功能群中,丛生型植物在中度和轻度放牧区分布较广,重度放牧区中鳞茎植物占优势。从种子传播类型功能群来看,重力传播方式的植物在重度放牧区占绝对优势主。在中度放牧条件下草原群落的物种多样性最高。

呼伦贝尔草原3种植物的功能性状对氮磷添加的响应

以呼伦贝尔羊草草原3种常见植物为研究对象,通过设置不同梯度的氮(0和10g/(m2/a))和磷(0,2,4,6,8,10g/(m2·a))添加处理,研究了植物功能性状对不同氮磷添加的响应。结果表明:(1)羊草生长可能受到氮限制,氮添加会削弱披针叶黄华的养分竞争优势;(2)不同物种的功能性状对氮添加呈现多样化的响应方式,但都趋向于提高植物对光资源的竞争;(3)磷添加提高了从属种的竞争优势,从而可能潜在改变群落结构和功能;(4)氮磷添加的交互作用对各物种功能性状的影响均不显著,且氮、磷添加对植物叶片磷、氮含量无显著影响。研究结果揭示了氮添加后植物功能性状的变化既有一致性也存在种间差异,体现了物种适应环境变化过程中的竞争排斥以及生态位分化;磷添加则可能通过提高从属种的竞争优势而潜在地改变群落结构和功能。

呼伦贝尔典型草原不同放牧梯度上土壤酶活性的变化

土壤酶是存在于土壤中各酶类的总称，是土壤的重要组成成分之一。土壤酶活性作为土壤质量的评价指标是目前土壤酶学研究的重要方向和领域。土壤酶对环境等外界因素引起的变化较敏感，因此土壤酶活性可以作为衡量生态系统土壤质量变化的预警和敏感指标。

内蒙古草甸草原植物群落性状对极端干旱的响应

人类活动显著影响着全球大气循环格局,导致极端干旱事件发生幅度、频度和持续时间不断增加,这对草原生态系统产生了更多的负面影响。本研究以内蒙古草甸草原植物群落为研究对象,通过连续4年调控生长季降雨的干旱模拟实验,探究植物群落性状组成对干旱胁迫的响应规律及其对生态系统功能的影响。结果表明:极端干旱事件对植物群落性状组成的影响不显著,表明植物群落性状具有一定保守性,植物采用忍耐型对策来适应干旱环境。植物群落地上净初级生产力与群落性状多样性之间关系不显著,该结果不支持多样性假说。植物群落地上净初级生产力与植物群落权重性状均值之间的关系更为密切,与高度显著正相关,与叶碳含量显著负相关,强调了群落中优势物种性状在生态系统功能提升方面的重要地位,该结果支持质量比假说。本研究结果对开展全球变化背景下草原生态系统结构和功能对极端干旱事件的响应机制具有重要指导意义,为草地植被的科学保护和管理提供理论依据。

不同放牧强度下克氏针茅(Stipa krylovii)草原的根系特征

以呼伦贝尔克氏针茅草原不同放牧强度下的演替群落为对象,开展群落及其群落建群种的地下生物量和根系形态特征研究。结果表明:从轻度放牧到重度放牧,群落种类组成和根系功能群类型趋于简单化;群落地下生物量的空间分布形态呈"T"型;不同放牧强度下草原群落的建群种出现了明显替代现象,轻度放牧样地群落建群种为密丛型根系的克氏针茅,中度放牧为疏丛型根系的糙隐子草(Cleistogenes squarrosa),重度放牧为鳞茎型根系的碱韭(Allium polyrhizum);随着放牧强度的增大,群落建群种根冠比逐渐增加,分别为0.47、1.0、4.1,并且群落建群种根系数量、根系体积、根系生物量、比根长及根长密度等各指标均发生了明显变化。另外,3种放牧强度样地群落建群种根冠比、根长密度均与土壤速效氮含量呈现显著正相关(P<0.05)。

半干旱典型草原养分添加对优势物种叶片氮磷及非结构性碳水化合物含量的影响

在7年的养分添加(对照、低磷、低氮、低氮高磷和高氮低磷)试验基础上,测定了内蒙古半干旱典型草原优势种大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)叶片氮、磷、可溶性碳水化合物和淀粉含量。结果表明:两物种叶片氮、可溶性碳水化合物、淀粉及非结构性碳水化合物含量对养分添加有显著的响应(P<0.05),养分添加与物种有显著的交互作用(P<0.05);加氮显著增加了两物种植物叶片氮含量(P<0.05),单加N处理显著降低了两物种叶片中的淀粉含量(P<0.05),单加磷处理显著增加了羊草叶片可溶性碳水化合物含量(P<0.05),高氮低磷处理显著降低两物种叶片非结构性碳水化合物总量(P<0.05)。大针茅叶片各变量对磷添加无明显的响应,其叶片相对较高的C/N、C/P和可溶性碳水化合物/淀粉比,表明其具有相对较高的可直接利用的碳水化合物以及较高的氮、磷养分利用效率;羊草对外源养分的添加具有相对较强的竞争吸收能力。

呼伦贝尔典型退化草原土壤理化与微生物性状

以内蒙古克鲁伦河流域呼伦贝尔典型草原为对象，设置了轻度、中度和重度退化3种类型样地，研究不同程度退化草原的物种组成、地上生物量、土壤理化性状、土壤微生物数量和酶活性，以及微生物生物量的变化．结果表明：中度退化样地的群落物种丰富度最大，轻度退化样地的地上生物量显著高于重度退化样地．退化样地的土壤水分、养分（有机质、全氮），微生物量碳、氮，以及微生物数量和酶活性显著下降，土壤容重显著增加．退化样地的土壤微生物生物量碳、氮在128～185和5．6～13．6g·kg-1，土壤脱氢酶和脲酶活性均与土壤容重呈显著负相关，与土壤全氮、有机质、微生物数量以及微生物生物量碳、氮呈显著正相关，地上生物量与土壤细菌和真菌数量呈不同程度的正相关．

微生境尺度上放牧退化草原群落特征与土壤有机质的空间分异性

格局和过程与异质性有关。以呼伦贝尔克氏针茅草原不同放牧强度下的演替群落为对象,开展群落植被空间分布格局及土壤有机质空间异质性研究。结果显示,不同放牧强度样地群落结构和群落种类组成存在明显差异。轻度放牧样地样方内有8种植物,群落优势种为克氏针茅(Stipa krylovii);中度放牧样地样方内有12种植物,群落优势种为糙隐子草(Cleistogenes squyarrosa);而重度放牧样地样方内只有7种植物,群落优势种为多根葱(Allium polyrhizum)。随放牧强度的增强,植被地上生物量及其变异系数逐渐降低;土壤有机质含量表现为轻度放牧>中度放牧>重度放牧,而其变异系数表现为中度放牧>轻度放牧>重度放牧。从植被地上生物量和土壤有机质含量变异函数分析来看,随放牧压力的增大,植被地上生物量空间自相关性增强,空间异质性变大;土壤有机质含量空间分布自相关性先增强,然后减弱,空间变异性先变大,然后变小。在10cm×10cm的微尺度上,重牧群落植被地上生物量和土壤有机质含量之间表现出明显的相关性(P<0.05)。

围栏封育和自由放牧对克氏针茅草原植被空间异质性的影响

群落组成结构的异质性是群落动态的主要属性。本研究采用样线、样方调查方法,基于物种频度与幂函数法则,分析了内蒙古克氏针茅草原围栏封育和自由放牧条件下群落物种结构与空间异质性的变化。结果表明:在围栏外和围栏内不同利用方式下,物种均呈现集中分布;从水分生态型、生活型、生育型、种子传播型和植物科属等不同功能群类别来看,旱生植物和中旱生植物广泛分布,生活型以多年生草本植物为主,依靠重力传播种子的植物占有相对较大的比例,达到60%以上,禾本科、百合科、菊科和豆科等适牧植物具有相对优势;在围栏保护状态下,物种多样性增加,群落异质性降低,放牧退化草原开始向群落状况良好的草原类型演替。

盐碱化梯度上草原植被空间异质性的数量分析

以物种出现的频率(p)作为植被空间分布的观测指标,采用幂函数法则(Power-law)对鄂尔多斯高原不同盐碱化草原上植物群落的空间异质性进行定量研究。结果表明:不同盐碱化梯度上,群落种类结构发生明显改变。轻度、中度、重度盐碱化梯度上出现频率最高的物种分别为羊草、寸草苔、碱蓬。植物群落以中生-旱中生植物为主要建群种;多年生草本植物占有优势;丛生型植物在不同盐碱化梯度上普遍分布,丛生型和分枝型植物分布广泛;种子传播方式为重力传播的物种占有较高比例。物种多样性随盐碱化程度加深而明显下降,均质性增高,不同盐碱区的群落的空间异质性表现出明显差异性,中度退化梯度上生态优势度最高。盐碱退化梯度上的群落变化与种群的繁殖策略、生活史对策、群落的再生产策略等生理与生态特性密切相关。

谨慎评价围栏在我国草地治理体系中的作用

草地围栏诱发的生态负面后果引起了公众的广泛关注。草地围栏具有生产、生态和标志产权等多重功能。在生态功能外,草地围栏更直接支撑了当前草地承包使用权制度,促进草地使用权的交易流转,进而实现草地的抗灾救济等社会保障功能。因此,在草地产权制度尚未发生重大转变之前,不宜全面废除围栏。当前需要对现有围栏进行生态优化,并探索替代围栏的新型草地治理模式。待条件全面成熟后,方可进行根本性的围栏政策调整。

极端干旱对草甸草原优势植物非结构性碳水化合物的影响

植物光合作用产生的非结构性碳水化合物(NSCs)水平可以反映植物和生态系统对环境变化的响应程度。近年来,草原极端干旱事件的发生频率和持续时间增加趋势明显,对生态系统结构和功能产生深远影响。该研究以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究对象,通过连续4年减少66%生长季降水量的控制实验来模拟极端干旱事件,分析草原6种优势物种和植物功能群NSCs各组分对极端干旱的响应规律与机制。结果显示,由于植物生物学、光合特性以及生理生态等特性的差异,不同物种对干旱胁迫的响应具有明显差异。这表明草地植物NSCs组分及其利用策略对干旱胁迫的响应具有物种特异性,从而导致其生物量的不同响应。将6种植物分为禾草和非禾草两类,发现干旱显著增加了禾草的淀粉含量,但对其可溶性糖含量无显著影响;相反,干旱显著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量,对其淀粉含量无显著影响,表明不同功能群采取了不同的干旱应对策略。禾草选择将光合作用固定的能量进行储存以应对干旱胁迫,其生物量对干旱响应不敏感;而非禾草选择将能量以可溶性糖的形式直接供植物生长利用以及抵御干旱胁迫,其生物量对干旱响应较为敏感。这一发现可为预测在全球气候变化背景下草甸草原生态系统结构与功能对极端干旱的响应提供科学参考。

呼伦贝尔草原土壤养分及生物学特性对氮沉降的响应

针对在我国开展的草地生态系统氮沉降的研究主要集中在内蒙古温带草原,以及氮沉降模拟与真实的氮沉降输入存在较大差异这些问题,本研究于2014年在内蒙古呼伦贝尔草原设置双因素模拟氮沉降试验平台,包括普通尿素与缓释尿素两种氮沉降模拟方式和8个氮沉降水平(0、25、50、75、100、150、200与300 kg N·hm^(-2)·a^(-1)),试验开展3年后,于地上植被生长旺盛时期(2016年8月)采集土壤样品,考察土壤养分及生物学特性对不同氮沉降模拟方式及氮沉降水平的响应.结果表明:氮沉降对呼伦贝尔草原土壤化学性质、生物学性质和酶活性均产生了显著影响.随着氮沉降水平的增加,土壤pH最高下降约0.2个单位,可溶性全氮(TDN)最高增长5~7倍,可溶性有机碳(DOC)增加了12%~36%,土壤全磷含量出现了降低的趋势;微生物量和代谢活性先增加后降低;与土壤碳氮磷转化相关的酶活性在中等氮沉降水平下显著增加.相对于普通尿素,缓释尿素模拟氮沉降减缓了土壤pH下降与可溶性养分增加的程度;使微生物量和代谢活性,以及与氮转化相关的酶活性的变化趋势相对平缓.该区域研究结果印证了氮持续输入造成土壤pH下降、生物有效性养分增加,从而对微生物量与活性、酶活性产生影响的结果.

内蒙古草甸草原地下芽库对极端干旱的响应

全球变化引发的极端气候事件严重影响草地生态系统结构与功能。然而,作为多年生草地重要繁殖体库,半干旱草甸草原地下芽库如何响应极端干旱尚未明确。本研究以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为对象,利用模拟极端干旱样地平台,探究地下芽库及其与地上植被关系对模拟生长季极端干旱的响应。结果表明,环境降水水平与干旱处理下总芽密度分别为1443和1128芽·m^(-2);分株总密度分别为1791和1346株·m^(-2);群落整体分生组织制约系数分别为0.84和0.83。极端干旱对草甸草原地下芽库、地上分株密度以及二者之间关联均无显著影响。就优势植物功能群根茎型禾草而言,极端干旱对其地下芽库同样无显著影响。因此,地下芽库表现出对极端干旱一定程度的抵抗力,可作为草甸草原植被应对极端气候事件的保险策略,有效促进草甸草原在极端气候胁迫下的种群更新与植被恢复,有助于草甸草原植被稳定性与生态系统功能维持。

内蒙古荒漠草原地下芽库对两种模拟极端干旱的响应

气候变化导致全球降水格局改变,极端干旱事件强度与频度增加,从而对草地生态系统结构与功能构成严重威胁。阐明地下芽库及其与地上植被的关系对极端干旱的响应对于评估草原生态系统稳定性,预测草地植物群落动态与生态系统功能具有重要意义。本研究以内蒙古荒漠草原为研究对象,通过模拟两种极端干旱处理(减少生长季降水量与降水频次),对地下芽库大小与组成及其与地上植被的关系进行研究。结果表明,1)模拟极端干旱对荒漠草原植物群落地下芽库密度、地上分株密度以及二者关系(分生组织制约系数)均无显著影响;2)禾草与杂类草地下芽库对极端干旱的响应一致,对极端干旱处理均具有一定程度的抵抗力,而禾草分生组织制约系数(0.25~0.40)显著低于杂类草(0.74~0.98)(p<0.01);3)降低生长季降水频次显著增加禾草芽密度占总芽密度的比例,而显著降低杂类草芽的比例,对禾草和杂类草地上分株占比均无显著影响。因此,荒漠草原地下芽库对极端干旱具有一定程度的抵抗力,有助于极端干旱后的草地植物种群更新与植被恢复,降水频次改变导致的极端干旱将通过影响地下芽库组成改变荒漠草原植物群落组成与结构。