科尔沁沙地自然恢复沙质草地生态系统碳通量特征

以科尔沁沙地围封后自然恢复的沙质草地生态系统为研究对象,基于全年运行的涡动相关系统,观测分析了2017年该生态系统净CO2通量(NEE)在不同时间尺度的变化特征。结果表明:(1)日尺度上,NEE呈“单峰型”,其中生长季(5-9月)出现明显的吸收峰,而非生长季(10月至次年4月)出现明显的排放峰;季节尺度上,NEE表现为吸收峰值和释放峰值交替出现,生长季为碳汇(净吸收202.11 g·m^-2),非生长季为碳源(净释放298.13 g·m^-2);全年尺度上,NEE表现为碳源(净释放96.02 g·m^-2·a^-1)。(2)NEE在生长季与温度(空气温度和土壤温度)呈显著(P<0.01)线性负相关关系,而在非生长季反之;NEE与土壤含水量在生长季和非生长季均呈显著(P<0.01)线性正相关关系;温度和土壤含水量的协同作用对NEE亦有重要影响。

科尔沁地区植被净初级生产力时空动态特征

植被净初级生产力(NPP)是碳收支平衡和气候变化的核心内容之一。本研究基于NPP、气象(气温和降水)和植被类型数据,采用趋势分析、偏相关和回归分析法对2000-2010年科尔沁地区NPP时空格局演变及其气象因子进行分析。结果表明,2000-2010年科尔沁地区植被NPP年均值为121.32 g·(m^2·a)^(-1),增加速率为0.53g·(m^2·a)^(-1),呈增加趋势的面积占总区域的48.77%,其中NPP增加的区域主要集中在科尔沁区[7.46g·(m^2·a)^(-1)]、库伦旗[5.09g·(m^2·a)^(-1)]等地,减少区域主要集中在巴林左旗[-4.64g·(m^2·a)^(-1)]、巴林右旗[-3.53g·(m^2·a)^(-1)]等县域。不同植被的固碳能力存在差异,其中阔叶林最强,栽培植被次之,灌丛最弱。植被NPP受降水量的影响高于气温,降水和气温协同作用的解释率高于单一因子,分别可解释草甸、阔叶林、草原、栽培植被和灌丛的94.70%、87.50%、85.80%、85.30%和76.30%。因此,降水和气温的协同作用对NPP变化的影响不容忽视。

沙质草地生长季土壤CO_2排放特征及水热因子分析

草地土壤CO_2排放是陆地生态系统碳循环的关键生态学过程之一,研究其通量特征可以定量评估和预测区域CO_2排放状况,服务于全球气候变化下的区域碳管理。应用LI-8150土壤碳通量测定系统,定位观测并分析科尔沁沙地沙质草地生长季(6—9月)土壤CO_2通量特征,探究水热因子(降水、土壤温度和土壤含水量)对碳排放的影响机制。结果表明,(1)在日动态变化尺度上,晴天和雨天土壤CO_2通量呈现不对称"单峰型"曲线,最高值出现在11:00—16:00,最低值在04:00—06:00。(2)在生长季动态变化尺度上,土壤CO_2日平均通量呈现明显的多峰和季节变化,土壤CO_2月平均日通量分别在7月和9月出现高峰值和低峰值;2016年6月1日—9月30日日平均排放通量最小值(0.35μmol·m^(-2)·s^(-1))出现在晴天(6月8日),最大值(2.68μmol·m^(-2)·s^(-1))出现在雨天(7月23日),生长季平均排放通量为1.26μmol·m^(-2)·s^(-1)。(3)土壤CO_2通量表现为雨天高于晴天,降水事件是扰动土壤CO_2排放的关键因子。(4)土壤CO_2通量与土壤温度和土壤含水量分别表现出不同的时间尺度效应。在日尺度上,无论晴天还是雨天,7月土壤CO_2月平均日通量与表层(5 cm)土壤温度和含水量均呈正相关关系,且相关系数高于其他月份;晴天和雨天土壤含水量和温度的协同作用分别可解释土壤CO_2排放的95.0%和85.5%。在生长季尺度上,晴天的土壤含水量和雨天的土壤温度分别能够解释土壤CO_2排放的63.6%和48.0%;当土壤含水量低于4.87%、土壤温度低于25.94℃时,土壤CO_2排放量随含水量、温度的增加而增加;晴天和雨天土壤含水量和温度的协同作用分别可解释土壤CO_2排放的61.6%和43.7%。

干旱年份沙质草地生态系统净CO_2通量年变化特征

草地生态系统是干旱半干旱区生态系统类型的重要组成部分,在区域生态系统碳平衡中起着极为重要的作用。采用涡度相关法对科尔沁沙质草地生态系统进行连续两年(2015和2016年)的碳通量观测,此两年恰逢研究区的相对干旱之年,年降水量约为历史平均值的60%。研究结果表明:1)年最大日均CO2吸收速率分别为-6.68和-9.58g·m^(-2)·d-1,年最大日均释放速率分别为5.69和5.21g·m^(-2)·d-1。2)生长季(5-9月)碳吸收量分别为-120.54和-139.83g·m^(-2),非生长季碳释放量分别为230.33和212.82g·m^(-2)。3)全年尺度上沙质草地生态系统表现为碳源,2015年净碳释放量(109.79g·m^(-2)·年-1)稍高于2016年(72.99g·m^(-2)·年-1)。4)生态系统净CO2交换量(NEE)与空气温度、土壤温度及土壤湿度存在显著相关关系,但不同年份同期NEE对环境温度和湿度的响应程度不尽一致。

CENTURY模型在不同生态系统的土壤有机碳动态预测研究进展

CENTURY模型是国际上著名的生物地球化学模型之一。本研究系统介绍了CENTURY模型的运行机理及过程,分析和总结该模型在草地、农田、森林生态系统中土壤有机碳(SOC)的研究成果,并归纳了影响其模拟精度的主要因素。结果表明,土壤质地和土壤养分是影响CENTURY模型在草地生态系统应用的关键因素,且该模型在荒漠草原生态系统的适应性较高;不同农业管理模式是影响SOC模拟精度的因素之一,间作农业模式下模拟SOC的精度较高;CENTURY模拟森林生态系统的枯枝落叶层的有机质时存在结构缺陷,这导致CENTURY模型在草地和农田系统的模拟效果优于森林生态系统。由于CENTURY模型最初是基于草地生态系统而开发,其模型参数在不同地域的草地生态系统的普适性较高;过多的人为干预增加了CENTURY模型在农田生态系统模拟的不确定性,从而会出现模拟结果不稳定的现象;通过调查掌握详细的农田历史管理制度和方式,准确控制模拟进程,可以有效提高模拟精度;森林生态系统的模拟结果可以服务于管理措施的制定,CENTURY模型结合GIS可以实现单点模拟向区域模拟的转变。

沙质草地生长季生态系统碳净交换量特征及土壤呼吸贡献率

以科尔沁沙质草地为研究对象,利用开路涡度相关系统和LI-8150土壤呼吸自动观测系统,分析了生长季生态系统二氧化碳(CO_2)净交换量(NEE)的变化特征,土壤呼吸(R_s)对生态系统呼吸(R_(eco))的贡献率,以及生态系统总初级生产力(GPP)的大小。结果表明:生长季NEE存在明显的月均日变化特征,总体呈单峰型,其中7月的日变化最为明显,NEE月均日最大吸收速率(-5.62μmol·m^(-2)·s^(-1))和最大释放速率(3.14μmol·m^(-2)·s^(-1))均出现在7月份;生长季内生态系统总体表现为碳汇,固碳量为25.85 g C·m^(-2);R_s对R_(eco)的贡献率为78.39%,R_(eco)对GPP的贡献率为90.62%,生长季内GPP总累积量为275.51g C·m^(-2)。

植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响

以科尔沁沙地不同植被盖度沙丘为研究对象,采用野外可移动风洞进行原位测试,开展了沙丘植被盖度对风沙流输沙率影响的研究,探讨了地表风蚀量与风速及植被盖度的关系。结果表明:空气动力学粗糙度随植被盖度增加先平缓后剧烈,与植被盖度相关关系呈三次函数增长。在各植被盖度下各层输沙率均随高度增加而递减,随风速增加而递增。同一植被盖度下风蚀量随风速增加而增大,符合幂函数或二次函数关系,但二次函数相关性更高。同一风速下风蚀量随植被盖度的增加呈阶梯式降低,在盖度小于27%时风蚀量平缓下降,盖度27%~43%时风蚀量急剧下降,盖度43%以上时风蚀量下降重新趋于平缓。相对截留率随风速增大而减小,随植被盖度增加而增大,沙丘草本植被盖度43%以上时具有较好的防风固沙效果,此时平均截留率达88.02%。

科尔沁沙地不同土地利用类型土壤化学计量特征

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量是衡量土壤质量及生态系统元素限制的重要指标,探讨土地利用和土层深度对土壤化学计量特征的影响有利于揭示科尔沁沙地土壤元素循环规律。本研究以科尔沁沙地5种土地利用类型(灌溉农田、旱作农田、沙质草地、固定沙丘、流动沙丘)土壤为对象,分析不同土地利用类型和不同土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及其化学计量特征。结果表明:1)科尔沁沙地0~10 cm SOC(3.23 g·kg^(-1))、TN(0.37 g·kg^(-1))、TP(0.15 g·kg^(-1))含量及化学计量比(C∶N、C∶P、N∶P分别为9.07、25.56、2.97)远低于中国陆地土壤。2)土地利用变化显著改变了SOC、TN、TP含量及其化学计量特征,0~100 cm SOC、TN、TP含量均表现为灌溉农田>沙质草地>旱作农田>固定沙丘>流动沙丘;沙质草地、灌溉农田、旱作农田C∶N显著高于固定沙丘和流动沙丘,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C∶P显著高于流动沙丘,5种土地利用类型N∶P无显著差异。3)随土层深度增加,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田SOC和TN含量显著降低,流动沙丘SOC、TN含量和C∶P在各土层间无显著差异;总体上,各土地利用类型TP含量和C∶N受土层影响较小;沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C∶P和沙质草地N∶P随土层深度增加而降低。4)SOC、TN、TP、C∶N与中砂粒、细砂粒、土壤容重呈显著负相关,与黏粉粒和极细砂粒呈显著正相关。沙漠化导致科尔沁沙地SOC和养分流失,加剧土壤N缺乏,水肥投入有助于耕地维持相对较高的土壤养分水平。

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明:(1)随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升; 92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。(2)总输沙率(Q)流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳(R2=0.986),半固定(R2=0.990)和固定沙丘(R2=0.956)指数函数最佳。(3)将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘(R2≥0.905)和半固定沙丘(R2≥0.968)拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘(R2≥0.923)指数函数优于幂函数。(4)在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。(5) 3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。(6) 3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。

科尔沁沙地不同生境植被凋落物年际及年内动态

凋落物是植被土壤系统之间重要的物质和能量通道之一,在生态脆弱区植被和土壤修复过程中发挥着特殊的功能和作用.以科尔沁沙地流动沙丘、固定沙丘和草地为对象,通过连续测定9个生长季凋落物量,并结合气温与降水量数据,研究沙地生态系统不同生境的凋落物年际和年内动态及其调控因子.结果表明:不同生境植被年凋落物大小依次为:流动沙丘(9.01 g·m^(-2))<固定沙丘(67.46 g·m^(-2))<草地(119.55 g·m^(-2)).凋落物总量年际动态波动明显,固定沙丘年际变化呈"双峰"曲线,草地年际变化呈"W"型曲线.凋落物量年内变化均表现为"U"型曲线,在4和9月出现高峰值.降水量和气温对固定沙丘和草地凋落物量月际动态影响显著,而对不同生境条件下凋落物量年际变化影响均不显著.气温是影响该沙地生态系统生长季(4—9月)凋落物量月动态的主要因素.

沙地玉米水分利用效率日变化特征

以科尔沁沙地玉米农田生态系统为研究对象,利用涡度相关技术和便携式光合作用测定系统(LI-COR6400)同步观测玉米(郑单958)主要生育期(苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期)群体和叶片尺度瞬时CO2交换及水汽交换速率,并分析其水分利用效率的日变化特征。结果表明:各生育期玉米群体尺度瞬时CO2交换速率分别为-2.205、-26.113、-26.118、-8.201、-3.672μmolCO2·m^(-2)·s^(-1),叶片尺度光合速率分别为27.57、59.55、24.38、22.03、20.09μmolCO_2·m^(-2)·s^(-1)。各生育期群体水分利用效率(WUEC)的日动态呈现"L"型,峰值出现在日出后(约06:00),分别为0.025、0.039、0.088、0.058、0.191 gCO2·g-1H2O,叶片尺度瞬时水分利用效率(WUEL)的日动态呈"～"型,峰值出现在06:00—10:00,分别为0.029、0.041、0.017、0.019、0.024 gCO_2·g^(-1)H_2O。玉米各生育期群体及叶片尺度瞬时CO_2交换速率和水分利用效率均存在明显差异。