2019-2021年黄土高原典型粮草复合生态系统日通量数据集

粮草复合生态系统作为黄土高原典型的生态系统类型,对维持区域粮食生产和畜牧业发展起着至关重要的作用。了解黄土高原粮草复合生态系统碳水交换和能量配分特征,对于理解黄土高原区域气候、碳水循环及其耦合过程具有非常重要的意义。本数据集为兰州大学甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站自2019年累计的日尺度碳水通量数据,时间覆盖范围为2019年1月至2021年12月,数据指标包括净生态系统CO_(2)交换量(NEE)、总生态系统生产力(GEP)、生态系统呼吸(RE)、蒸散发(ET)、潜热通量(H)、净辐射(Rn)和降雨量(P)等。研究生态系统为粮草复合生态系统,属黄土高原典型的农业生产类型,具有较强区域代表性。本数据集从野外观测、数据入库、质量控制到通量计算均严格按照国际通量观测技术标准进行,所获数据完整性好、质量高,数据可为黄土高原区域作物生产、水资源高效利用、碳源汇管理以及对全球气候变化的响应等研究方面提供数据基础。

黄土旱塬区苹果园生草覆盖对深层土壤水分和根系分布特征的影响

研究苹果园长期生草覆盖后深层土壤水分及果树根系的分布规律,以期阐明旱作条件下果园根水互作关系,为黄土旱塬区果园生草覆盖实践的优化提供依据。试验于甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站苹果园中进行,设置果园生草覆盖(生草为鸭茅草,2014年建植)和清耕处理,以一年生作物田为对照;连续两年夏季测定果树行上和行间距离树干100和200 cm共4个位置0~500 cm土层的土壤水分和果树细根长密度,分析生草覆盖对果园深层水分亏缺及细根长密度的影响。清耕果园0~300 cm土壤水分较对照农田下降了6.7%~8.3%(P<0.01),而300~500 cm土层土壤水分与对照农田差异不显著(P>0.05);生草覆盖果园0~500 cm整个剖面的土壤水分均低于清耕果园,平均下降了11.5%~12.3%。果园生草覆盖6~7年后0~500 cm土层土壤较对照农田水分亏缺量为163.9~172.1 mm,是清耕果园水分亏缺量的3.2~4.2倍。果树根系在0~100 cm土层的细根长密度最高,平均密度为0.187 cm·cm^(-3),生草覆盖促进了0~100 cm土层果树根系的分布,对深层根系影响不显著。清耕果园和生草覆盖果园0~500 cm土层土壤水分的含量随果树细根长密度的增加而降低,二者呈线性负相关关系,生草覆盖后二者相关性提高,干旱年份二者相关性更高。黄土旱塬区苹果园长期生草可促进果树根系生长,降低深层土壤水分,加剧土壤干燥化,对苹果树的利用年限和农田水分循环具有负面效应。旱作条件下应加强果园生草覆盖管理以保障水分的可持续性。

油蒿光系统Ⅱ光化学参数在生长季早期对降雪事件的响应

【目的】研究生长季早期降雪事件对于典型沙生灌木光合生理状态的影响,以及胁迫发生后植物适应胁迫的光合生理机制。【方法】在降雪前后,使用多通道连续监测荧光仪,通过原位连续监测当地建群种油蒿的叶绿素荧光参数和能量分配参数的变化,确定胁迫恢复期,并分析恢复期各参数与环境因子的关系。【结果】实际光化学量子效率(ΦPSⅡ)在降雪当天达到最低值,且ΦPSⅡ的日间均值比降雪前后分别下降了约40%和33%。调节性能量耗散(ΦNPQ)和非光化学淬灭(NPQ)均在降雪当天达到最高值,其中降雪当天ΦNPQ的日间均值比降雪前后分别升高了95%和48%,NPQ分别升高了94%和76%。降雪当天的最大光化学量子效率(Fv/Fm)降到了最低(0.69),比降雪前降低了约12%,并且低于了0.73的胁迫线。Fv/Fm经过3 d恢复到了降雪前的水平。在恢复过程中油蒿伴随着光照900μmol/(m2·s)和温度10℃的阈值拥有不同的响应关系,可能是在阈值前后拥有不同的环境主导因子。土壤水分始终是油蒿恢复过程中的限制性因素。【结论】本次降雪对于油蒿产生了胁迫,胁迫的原因主要是由于融雪产生的低温和高光强的协同作用导致的。油蒿通过动态调节自身光系统Ⅱ反应中心的能量分配机制,增大调节性热能耗散比重来适应低温胁迫。油蒿从一次胁迫中恢复约需3~4 d,低光照、较高温度和较高水分有利于植物恢复过程。

黄土高原不同林龄刺槐林土壤呼吸研究

采用LI-8100开路式土壤呼吸仪对不同林龄(10,12,13,16a)刺槐林土壤呼吸速率、温度、水分进行了测定。结果表明:(1)不同林龄刺槐林土壤呼吸速率均呈现明显的日动态和季节动态,表现出夏季>秋季>冬季;(2)各林龄刺槐林土壤呼吸速率与大气温度、地表温度、5cm土壤温度均有很好的指数关系,尤其与5cm土壤温度的相关性最好,且各林龄刺槐林的Q10存在差异,表现为随着林龄的增大,Q10值也随之增大;(3)各林龄刺槐林土壤呼吸速率与土壤体积含水量具有很好的线性关系,且相关性都达到了显著水平(p<0.05);(4)各林龄刺槐林土壤呼吸速率与5cm土壤温度、土壤体积含水量的综合作用也具有很好的相关性,且都达到了极显著水平(p<0.01),二者共同解释了土壤呼吸变异的93.8%~98.1%,且双因素模型远比单因素能够更好地解释刺槐林土壤呼吸速率的变异。

毛乌素沙地油蒿灌丛生态系统的土壤呼吸特征

【目的】探究毛乌素沙地半干旱区典型油蒿灌丛生态系统土壤呼吸速率特征,揭示土壤温湿度对土壤呼吸速率的影响,以期为预估半干旱区土壤碳排放提供科学依据。【方法】在宁夏盐池选取典型油蒿群落,采用切根法剖分土壤呼吸组分,于2014年4—10月利用自动气室法对切根处理与对照样地的土壤呼吸速率进行连续观测,采用指数方程拟合土壤呼吸组分对土壤温度的响应,并运用线性回归分析温度响应函数残差(观测值/预测值)与土壤含水率间的关系。【结果】在日尺度、自养呼吸速率最大值出现时间(11:00)早于土壤温度最大值出现时间(15:00),而异养呼吸速率最大值出现时间基本与土壤温度最大值出现时间一致;在生长季中期(6—8月),土壤总呼吸速率,自养呼吸速率和异养呼吸速率的温度敏感性(Q10)分别为1.51,1.40和1.88;自养呼吸速率对温度的响应受水分的影响,当土壤含水率小于8%时,土壤温度仅能解释自养呼吸速率季节变异的36%(Q10=1.10),自养呼吸速率的温度响应函数残差随土壤含水率升高而增加(R2=0.59,P<0.05);当土壤含水率大于8%时,自养呼吸速率随土壤温度升高呈指数增加(R2=0.75,Q10=1.88),自养呼吸速率的温度响应函数残差与土壤含水率无显著关系;与自养呼吸速率不同,异养呼吸速率对温度的响应受水分的影响较小,在不同土壤水分条件下均随土壤温度升高呈指数增加(R2>0.65);自养呼吸贡献率(自养呼吸速率/土壤总呼吸速率)在日尺度上存在中午降低的现象;在季节尺度,RA/RT呈现出明显的季节性波动,在5—8月平均为54%,9—10月平均为69%。【结论】在日尺度,自养呼吸速率受土壤温度的影响较小,而异养呼吸速率主要受土壤温度调节;在季节尺度,异养呼吸速率主要受土壤温度调节,其Q10高于自养呼吸速率;而自养呼吸速率对温度的响应受水分的调节,其Q10随土壤含水率升高而增大;自养呼吸贡献率在日尺度与季节尺度的动态变化很可能来源于呼吸组分对环境因子的差异响应。

毛乌素沙地油蒿灌丛Priestley-Taylor模型系数研究

【目的】基于半经验半理论的Priestly-Taylor模型(PT)估算蒸散发(ET)时,主要依赖于精确确定该模型系数α在特定研究区内的适宜值,本研究就该模型系数α的适用性进行了本地化研究,以便更准确地估算干旱半干旱区的蒸散发。【方法】在中国西北干旱地区毛乌素沙地的一个生长季内,采用涡度协方差技术并结合气象数据信息,监测研究区典型油蒿灌丛地的水、热交换传输过程,以分析PT模型系数α的季节变化特征并确定其本地化估算参考值。【结果】在季节变化过程中,实际PT模型系数α整体变化较明显,展叶期内α系数呈单峰型变化趋势,完全展叶期和叶变色期内的α系数变化不明显;日均α系数最大值为0. 66,最小值为0. 03,全生长季α系数均值为0. 23。油蒿生长季内α系数与冠层导度和饱和水汽压差呈对数正相关;土壤含水量(30 cm处)以及叶面积指数与α系数均为正相关关系。在季节变化过程中,PT模型常规系数α=1. 26确定的蒸散量(ET1. 26)估算值以及根据逐日温度和2 m高度处风速资料计算的PT模型系数α=0. 50确定的蒸散量(ET0. 50)估算值均显著大于实测蒸散发。改进的PT模型系数的本地化推荐适宜值为0. 23,并且通过修正后的PT模型估算ET与实测值之间存在较好的一致性,线性斜率为0. 72,R2为0. 57。【结论】因此,修正的PT模型显著提高干旱半干旱区植被蒸散发估算精度,为区域植被水文过程模型提供支持。

且末绿洲沙漠过渡带防护林工程小气候效应研究

为了探讨沙漠绿洲过渡带不同林龄的防护林对区域内小气候的影响,揭示风速、温度、湿度等气象要素的时空变化规律,针对且末绿洲边缘区块状防护林生态屏障,设置了5个观测点,采用小型自动气象站对防护林区和裸露流沙区的风速、空气温度、湿度进行连续同步观测。结果表明:(1)相对裸露流沙地,梭梭林(2a,5a,7a林龄),17a林龄混交林防风效能分别为5.26%,31.57%,42.10%,78.94%。混交林(17a)的防风效能显著高于梭梭林(2a,5a,7a林龄),但各防护林防风效能随着风速的增大有所下降。(2)防护林可以降低区域内的日均气温,且林龄越大,降温效果越明显;但达到一定年限后,降温效应不再增强。(3)夜晚裸露流沙区气温高于防护林区,白天混交林(17a)区气温显著高于裸露流沙区。(4)防护林可以增加空气湿度,林龄越大,增湿效应越强,防护林区夜晚的增湿效应高于白天。

基于液流和叶片水势测定的沙柳水分利用特征分析

【目的】干旱半干旱区植物的水分传输过程依赖于一套有效的调控机制,研究典型沙生植物对土壤干旱的响应机制有助于预测未来气候条件下荒漠生态系统的结构和功能变化。【方法】采用包裹式茎流仪于2017年5-10月对毛乌素沙地沙柳液流进行长期连续观测,期间选择天气晴朗的19 d测得黎明前叶水势与正午叶水势,同步连续监测林冠上方太阳辐射、气温、空气相对湿度与土壤含水量。【结果】(1)短期内土壤水势与枝条液流具有较好的相关性(5-6月、7-9月),整个生长季内液流密度与土壤叶片水势差(ΨL-ΨS)呈正相关。(2)叶片水势(ΨL)、大气水汽压亏缺(VPD)均对叶片蒸腾速率(EL)有调控作用,小于阈值呈正相关,大于阈值呈负相关。VPD对EL调控阈值为1.9 kPa,ΨL对EL调控阈值为-3.7 MPa。VPD对叶片导度(g L)有显著调控作用,调控阈值为0.9 kPa,小于阈值呈正相关,大于阈值呈负相关。(3)沙柳木质部栓塞脆弱性曲线呈"r"形,引起枝条50%导水率损失的压力值(P50)为0.73 MPa。(4)整体上看,正午木质部传导度(Ks)与正午叶片传导度(g L)是正相关的。K_s与黎明前叶水势(ΨS)呈现正相关关系,而g L受VPD影响较大导致其与Ψ_S相关性弱。g_L与K_s对于土壤干旱(Ψ_S降低)的相对敏感性(?)为1.035。【结论】以上结果表明,随着水分胁迫加重,木质部在水势较高时便通过降低导水率来减少水分丧失,木质部栓塞到一定程度也不关闭气孔,而是能保持一定的气孔开度。这些适应策略在一定程度上反映了沙柳最大化蒸腾和同化速率的一种机制,对正确认识干旱地区沙柳的水分利用特征有明显的理论意义,为深入研究沙柳的水力限制补偿机理奠定基础。

油蒿灌木荒漠光能利用效率季节动态研究

【目的】光能利用效率(LUE)是表征植被通过光合作用将所吸收的能量转化为有机干物质效率的指标,也是估算生态系统生产力的重要参数,为了提高油蒿灌木荒漠生产力的估算和预测精度,本文研究了油蒿灌木荒漠LUE的季节动态以及环境因子对其的调节机制。【方法】本研究于2014年5—10月通过涡度协方差法观测了宁夏盐池典型油蒿灌木荒漠生态系统的净碳交换、光合有效辐射、温度和水分等因子,分析油蒿灌木荒漠生态系统LUE的昼夜和季节变化及与其主要环境因子的关系。【结果】在日尺度上,LUE在14:00时达到最低值(0.000 8~0.002 4μmol/μmol)。LUE的日变化主要受到冠层导度(gs)和光合有效辐射的影响。在季节尺度上,LUE从5月份开始迅速升高,9月份达到最大值(0.002 5 g/MJ),而后逐渐降低。LUE月平均值介于0.000 9~0.002 5 g/MJ之间。LUE的季节变化主要受土壤氮含量(Nsoil)、冠层导度(gs)和光合有效辐射(PAR)的影响。【结论】通过以上研究,发现在季节尺度上,通过增加土壤中的氮含量可以促进生态系统总生产力(GEP),从而增大油蒿灌木荒漠的光能利用效率。研究结果可以为提高半干旱区油蒿灌木荒漠生态系统生产力提供一定的理论指导,也为区域植被恢复重建提供重要参考。

黄土高原草地植被的嬗变

草地是我国最大的陆地生态系统,草原安全与国家生态安全息息相关。黄土高原作为我国重要的草原分布地,是世界上水土流失最严重的区域之一,探究黄土高原草地植被演变历程对该地植被的恢复重建及生态保护具有重要意义。本文通过文献查阅、史料探究等方法系统研究了黄土高原草地植被的嬗变历程。研究表明:在地质历史时期,黄土高原植被类型以草原为主。更新世到全新世中期,黄土高原草地植被随气候变迁经历了森林草原、草原、荒漠草原的多次转变。到全新世晚期,由于暖期结束、气候总体变冷变干、人口基数增加和农耕文明的发展,黄土高原森林草原向干草原转变,草原带逐渐南移,草地植被破坏严重,面积不断减少,荒漠草原分布范围变广。随着黄土高原水土保持工作的展开,生态建设成效逐渐凸显。20世纪80年代以来,在三北防护林体系建设、退耕还林(草)、天然草原植被恢复与建设和山水林田湖草系统保护修复试点等生态项目实施下,黄土高原的草地退化和水土流失等问题得到了有效控制。如今黄土高原山青草盛,绿意盎然,植被恢复已经到达区域水资源承载的极限,生态建设迈入了新的发展阶段,仍需要探索新的治理思路与模式。

黄土丘陵沟壑区机修梯田与坡地土壤呼吸特征研究

利用LI-8100开路式土壤呼吸仪对陇西县现有梯田和自然坡耕地温室气体CO2通量进行观测。结果表明,土壤温度,梯田低于坡地1℃左右,土壤呼吸速率,梯田低于坡地0.67μmol·m^-2·s^-1,土壤呼吸速率存在明显差异（P=0.00）。土壤水分在温度最高时,梯田土壤含有较高的体积含水量达0.224%,而坡地处在较低的0.153%,差值为0.071%。土壤呼吸速率在单因子模型下拟合程度不高（R^2=0.1-0.5）,但是双因子模拟下R2达到0.9以上,表明该区土壤呼吸速率受到这2个因子的共同影响;梯田的土壤呼吸特征更适应于黄土丘陵沟壑区的气候变化。

高校野外台站服务本科实践教学现状与改进对策——以甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站为例

在高等教育强调“以本为本”、推进“四个回归”等教育理念的背景下,高校野外台站的定位也应在注重科学观测研究的同时,更加重视本科生实践教育功能的挖掘与利用。为此,以甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站为例,分析了试验站服务本科生实践教学的历史与现状,提出了加强野外台站本科生实习功能建设的对策。庆阳站基础设施良好、科研基础扎实,已经依托站内试验田、子午岭等试验站周边自然资源及企业等开展了多年实践教学活动,积累了丰富的经验。建议在台站布局上突出区位和学科特色,进一步扩大开放、促进学科交叉融合,充分利用台站及周边资源,加强野外观测平台和实践基地建设,积极联系政府和企业、建立长期稳定的校企合作与实践基地等。论文可为高等学校野外台站建设和本科生实践教学的改进提供一定的参考。

城市绿地冠层导度季节变化及其环境调控

冠层导度(canopy conductance,gc)是生态系统对环境响应的敏感性指标,探讨冠层导度对环境因素的响应模式对了解生态系统生产力的变化模式至关重要。城市绿地作为人为设计的复合生态系统,其冠层导度变化规律及其对环境因子的响应亟待明确。基于涡度相关方法,本研究调查了北京奥林匹克森林公园2012-2016年连续5年的冠层导度的季节动态变化及其对空气温度(Ta)、光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)以及土壤含水量(VWC)等环境因子的响应,利用统计回归方法分析了环境因子对冠层导度的影响,最后分析了冠层导度对总生态系统生产力(GEP)的影响。结果表明:2012-2016年的冠层导度依次为3.97、3.28、2.13、3.95和5.07 mm·s^-1,5年平均值为3.69±1.99 mm·s^-1;季节变化表现为从4月开始逐渐升高,在7、8月达到最大值后逐渐降低;在季节尺度上,VWC和Ta是影响冠层导度的主要环境因子,冠层导度随它们的增加而增大;而PAR和VPD对冠层导度的影响存在年际间的差异;5年间,GEP随着冠层导度的升高显著增大;城市绿地中,季节尺度上土壤水分的增加和气温的升高显著增加冠层导度,从而促进GEP。