中国温带草地物候对气候变化的响应及其对总初级生产力的贡献

气候变暖引起的植物物候变化影响了陆地生态系统功能和碳循环。目前研究着重关注温带和热带森林物候变化趋势、驱动因素,关于干旱半干旱地区草地物候变化及其对生态系统总初级生产力(gross primary productivity, GPP)影响仍知之甚少。因此,开展草地植物物候与生产力之间的关系研究对预测草地生态系统响应未来气候变化和区域碳循环至关重要。基于1982—2015年气象资料和GIMMS NDVI3g数据,分析了中国温带草原植被返青期(start of the growing season, SGS)和枯黄期(end of the growing season, EGS)变化及其对气候的响应,并借助一阶差分法量化物候对GPP动态变化的贡献。结果表明:(1)季前1—2个月的夜间温度增温会显著提前SGS,而当月至季前2个月的白天温度对SGS有着微弱的促进作用;季前3个月的累积降水对SGS提前作用最为强烈,累积太阳辐射在各个时期对SGS影响相对较弱。(2)不同季前时间尺度昼夜温度对草地EGS均表现出相反的作用,短期累积降水对EGS起到显著延迟的区域范围最大,太阳辐射随着季前时间的增加对草地枯黄期的延迟作用逐渐转变为提前作用。(3)EGS对草地GPP年际变化趋势的相对贡献率强于返青期。研究结果有助于深化陆地生态系统与气候变化、碳循环之间相互作用的认识,为草地适应未来气候变化和生态建设提供科学依据。

温带草地主要优势植物不同器官间功能性状的关联

理解植物各器官间功能性状的关联,有助于确定控制功能性状的内在机制以及性状间的比例关系。基于内蒙古温带草地19个地点、42种优势草本植物的野外观测,分析了叶片、茎、生殖器官、细根和粗根间功能性状(N、P含量、N:P、比叶面积、比根长以及叶片和细根的组织密度)的关联。主要结果如下:在种群和物种水平上,各器官的N和P含量都显著正相关,比叶面积与叶片N、P含量和组织密度在种群水平上显著负相关,而在物种水平上没有显著的相关关系;而比根长仅在种群水平上与细根的组织密度显著负相关。N、P含量以及N:P在各器官之间一致呈显著正相关,而比叶面积和比根长没有显著的相关关系。叶片和细根的组织密度在种群水平上显著负相关,而在物种水平上没有显著的相关关系。非禾草比禾草相应器官(除茎外)的N、P含量高,但二者茎的N、P含量没有显著的差异;豆科植物比非豆科植物相应器官的N含量高,而P含量没有显著的差异。

内蒙古温带草地植被的碳储量

草地生态系统在全球碳循环中起着极为重要的作用。大部分草地碳储存在地下,但是实测数据十分匮乏,因此准确估算温带草地植被碳储量对评价草地生态系统碳循环具有重要意义。作为一个区域性资料积累工作,作者对内蒙古温带草地的碳储量进行了大范围的实测研究,以估算该地区草地植被的碳储量。主要结果如下:(1)内蒙古温带草地总面积为58.46×106hm2,总植被碳储量为226.0±13.27Tg C(1 Tg=1012g),平均碳密度为3.44Mg C.hm-2;(2)地下根系储存的碳是地上碳储量的6倍左右,地上、地下生物量碳储量分别为33.22±1.75和193.88±12.6 Tg C,平均碳密度分别是0.51和2.96 MgC.hm-2;(3)不同草地类型的碳储量差异较大,典型草原最大(113.25 Tg C),占草地总碳储量的50%,其次是草甸和草甸草原,荒漠草原碳储量最低(15.37 Tg C)。

我国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究

本文讨论了我国温带草地放牧系统草畜平衡动态监测的原理与方法，设计了动态监测的数据库与技术系统以及遥感测产和动态监测的有关模型，以期建立可运行的大范围草地资源动态监测系统，为草地管理决策提供依据。

中国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究

中国温带草地约350万平方公里,它是重要的放牧畜牧业基地,这里四季分明,草地季节动态明显,牧草生长呈单峰型;冬季漫长,枯草期达半年以上。由于年际间降水变率大,导致草地初级生产力上下波动,一般波动幅度达±15%以上,遇极端年份达±200%或更高。随着畜牧业的发展,放牧压力日增,导致大面积草地退化,生产力下降。

天然温带草地CO_2通量排放规律研究

以天然状态下(无牧、无施肥、无割草、无灌溉)内蒙古温带半干旱典型草原羊草草原为主要研究对象,利用静态箱法和气相色谱法进行草地田间CO_2通量的原位观测实验。采用SPSS 统计分析软件,研究分析了1998年5月至1999年5月,2001年至2003年,共4个实验观测年CO_2通量的观测数据与主要的环境因子(土壤含水量、降雨量、空气温度、地表温度、不同土层温度)间的相关性。结果表明:温带草地土壤CO_2排放通量具有明显的日变化特征,不同的生长状态对于其日变化特征具有明显的影响;主要的环境因子中只有表层土壤含水量与草地CO_2排放通量的日变化具有显著的正相关性;草地CO_2排放通量的季节变化显著而且不同的年份其变化特征也各不相同;降雨量的季节分布与其季节通量的变化特征间具有极显著的正相关性;4年的实验观测的统计分析表明:表层土壤含水量是温带半干旱草地CO_2排放通量主要控制因子。CO_2排放通量的年际变化不显著,以4年观测的平均年通量估算我国温带草地CO_2年排放量是3.17 Pg,约占全球土壤CO_2年排放量的1.23%,对于全球碳循环有着重要影响。

内蒙古高原温带草地畜牧业可持续发展评价

[目的]探讨畜牧业可持续发展,有利于保护区域草原资源和促进经济发展。[方法]以内蒙古高原温带草地为研究对象,通过构建畜牧业可持续发展评价指标体系,采用熵权系数法确定各指标权重,进而通过加权函数法计算可持续发展指数综合评价值。[结果]要素层和指标层中权重存在一定的差异,其中要素层的权重从大到小依次为自然资源(0. 309)、社会因素(0. 278)、草原资源(0. 267)和经济因素(0. 146),说明自然资源对草原畜牧业可持续发展的影响最大,而自然资源中气温的权重最大(0. 115),社会因素中草原产权制度的权重最大(0. 104),草原资源中牧民草场面积的权重最大(0. 094),经济因素中饲草利用率的权重最大(0. 072)。而内蒙古高原温带草地畜牧业的可持续发展指数为0. 428,说明目前该地区的畜牧业可持续发展水平处于中等水平,也就是说仍需进一步加强建设,以达到较高或高水平。[结论]基于评价结果,提出内蒙古高原温带草地畜牧业未来可持续发展的建议,为该区域畜牧业可持续发展指明方向。

水热条件分别控制了中国温带草地NDVI的年际变化和增长趋势

温带草地区是我国植被对气候变化响应的敏感区和陆地生态系统的生态脆弱区,是组成草地资源的重要部分。由于全球变暖,气候变化带来的极端气候影响越来越大,探究我国温带草地植被覆盖时空变化规律和水热条件变化对其生长的影响,对区域生态的环境保护,实现畜牧业的可持续发展和更加合理有效地利用草地资源具有重要的现实意义。基于1982—2015年长时间序列的气象(降水、温度、太阳辐射)数据和GIMMS NDVI 3g数据,采用去趋势分析法和相关性分析法,探究近34年中国温带地区生长季草地归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)和气候因子变化格局,以及水热条件对NDVI的同步影响和滞后影响。研究结果表明:(1)1982—2015年中国温带草地生长季平均温度和月平均太阳辐射呈增长趋势,降水量为下降趋势,温带草地气候逐渐呈现“暖干化”;(2)1982—2015年中国温带草地生长季NDVI的年际变化由降水因子主导,特别是在1999年之后,降水的对于中国温带草地生长季NDVI年际变化的影响更为显著;(3)1982—2015年中国温带草地生长季NDVI为增长趋势,生长季热条件(温度和太阳辐射)的显著上升控制着NDVI的增长趋势;(4)1982—2015年中国温带草地生长季NDVI对水热因子在年际变化上存在明显的滞后响应,生长季前期NDVI对温度滞后响应最明显,生长季中后期降水则成为植被生长滞后影响的主要控制因子。

温带草地生态系统表面能量平衡分量的研究

1987年在美国堪萨斯州Manhattan附近的草原第一次ISLSCP*田间试验(FIFE)中,对湿度通量、热通量及动量通量的涡度相关进行了测定。本研究地点主要有三种C_4草类;大蓝茎草(Andropogon gerardii)、假高粱属草(Sorghastrum nutans)和柳枝稷草(Panicum virgatum),对这些草类的气孔传导性及叶片水势也进行了测定。本文对表面能量平衡各分量的日变化及季节变化进行了研究,对草原植被的空气动力学传导性及冠层表面传导性也进行了估算。

1982—2015年中国温带不同草地植被枯黄期对极端气候事件的响应

随着极端气候事件频率和强度的增加,植被物候正在发生深刻的变化。然而,植被枯黄期(EGS)对极端气候的响应机制目前尚未厘清,特别是对于干旱半干旱地区的草地而言。因此,聚焦我国温带草地,基于1982—2015年全球监测与模型研究工作组归一化植被指数(GIMMS NDVI3g)长时间序列数据提取草地物候参数,并分析其时空变化规律;运用随机森林模型等方法探究温带草地EGS对极端气候变化的响应特征。结果表明:(1)全区多年平均EGS主要发生于270—290儒略日(DOY),59.8%的区域呈延迟趋势,其中显著延迟(P<0.05)的区域分布在新疆天山、阿尔泰山一带和准噶尔盆地西部、黄土高原北部、呼伦贝尔高原的西部和东北小兴安岭。(2)EGS与极端气温暖极值(日最低气温的最大值、日最高气温的最大值、暖夜日数、暖昼日数)之间均以广泛的正相关关系为主;相比之下,极端降水事件与EGS之间的关系相对比较复杂,这与各草地类型自身的生理策略和所处环境密切相关。(3)整体而言,持续干旱日数、气温日较差和暖夜日数对全域草地EGS动态变化具有极大的重要性。就不同草地类型而言,温带草甸草原主要受到气温日较差的影响,温带山地草甸和温带沼泽化草甸EGS变化主要受日最高气温的最大值的影响,日最低气温的最大值和暖夜日数分别对温带草丛和温带荒漠草原的影响最大;持续湿润日数和持续干旱日数则分别对生长在水分限制地区的温带盐生草甸和温带典型草原的EGS产生强烈作用。

内蒙古温带草地土壤有机碳组分含量和分解速率的空间格局及其影响因素

草地是陆地生态系统的重要组成部分,在陆地碳循环中发挥着重要作用。然而,目前地球系统模型对草地土壤碳动态的预测仍存在较大不确定性,其主要原因是对土壤有机碳组分含量和分解速率的空间格局及其影响因素的认识尚不充分。该研究基于在内蒙古温带草地开展的样带调查,按土壤颗粒的粒径大小进行土壤分级,并通过室内培养方法测定土壤碳分解速率,在此基础上进一步利用方差分解探究气候、土壤、植物和矿物4类因素对内蒙古温带草地表层土壤有机碳组分含量和分解速率影响的相对重要性。结果显示:(1)土壤有机碳及其组分含量呈现自西南向东北增加的空间格局,草甸草原中整土及不同组分碳含量最大,典型草原次之,荒漠草原最小;而有机碳标准化的碳分解速率呈现相反的趋势。(2)气候和矿物是驱动土壤有机碳组分含量空间变异的主要因素,且两者在不同组分中的相对重要性存在差异,即随土壤粒径减小,矿物的相对重要性逐渐增加。(3)碳分解速率受矿物、土壤和气候因素共同影响。上述结果表明不同土壤碳组分含量和碳分解速率空间变异的影响因素存在差异,矿物因素对细颗粒组分的影响尤为重要,意味着地球系统模型中应考虑矿物因素在不同碳组分中的作用,从而更准确地预测全球变化背景下的草地土壤碳动态。

内蒙古温带草地生物量及其与环境因子的关系

利用实际观测的113个地面数据，估算了内蒙古温带草地地上、地下生物量的大小，揭示了其空间分布和地下生物量的垂直分布规律，并探讨了不同环境因素对地上、地下生物量的调控作用．主要结果如下：（1）3种草地类型（荒漠草原、典型草原和革甸草原）的生物量存在显著差异；其地上生物量分别为56．6，133．4和196．7g／m^2，地下生物量分别为301．0，688．9和1385．2g／m^2；（2）地上生物量和地下生物量均呈现自西南向东北增加的空间分布特征；3种草地具有相似的地下生物量垂直分布特征；总体上，温带草地表层（0～10cm）地下生物量约占总地下生物量的一半；（3）降水是导致内蒙古温带草地生物量空间变异的主要因子．地下生物量的垂直分布与降水关系密切，而受土壤质地和草地类型的影响较弱．

土壤水分对温带典型草地N_2O排放过程的影响

利用不同年份(1995,1998,2001年)野外原位实验观测数据并结合实验室内模拟培养实验结果,分析土壤含水量对于温带典型草原(羊草草原)土壤N_2O排放通量的影响,结果发现:土壤含水量与羊草草原土壤N_2O排放通量间存在阶段函数关系,在土壤含水量较低,而且土壤水分变化频繁和显著时,通常会有N_2O通量峰值的出现;研究不同的土壤含水量对于土壤N_2O排放过程和相关微生物菌群数量变化的影响,室内模拟培养说明:土壤水分含量对于N_2O的产生过程有着重要的影响,土壤水分含量较低时,可能会改变土壤微生物的代谢途径,导致作为大气N_2O源的半干旱草原土壤在出现阶段性的N_2O吸收。

不同母质温带草地植物群落多样性对人为干扰的响应

本研究以赛罕乌拉保护区2种不同土壤母质(黄土和沙母质)与3种利用方式(围栏打草、季节性放牧和自由放牧)草地为对象,基于群落组成调查数据,计算人为干扰指数与物种多样性指数,研究草地植物群落物种多样性与草地退化程度间的关系。结果表明:土壤母质与人为利用方式的差异使草地处于不同的退化状态,黄土与沙母质类型草地退化程度均随人为利用强度的增加而上升,且当人为利用方式相同时,黄土母质草地人为干扰指数(均值1.21)比沙母质草地(均值1.48)低。各样地物种多样性指数总体随土壤母质的砂质化和人为利用强度的增加而下降,其中Margalef丰富度指数为1.57~4.27,Shannon多样性指数为1.16~2.39,Simpson优势度指数为0.76~0.87,Pielou均匀度指数为0.71~0.80。随着人为干扰指数增加,丰富度指数、多样性指数和优势度指数均下降,而均匀度指数有上升趋势。过度放牧对2种土壤母质草地均会造成严重威胁,黄土与沙母质草地最适宜的利用方式分别为围封打草和季节性放牧。在今后生物多样性保护的实施过程中,需兼顾草地不同土壤母质与人为利用方式的影响,针对不同土壤母质条件规划不同的草地利用方式,实现因地制宜的草地恢复与管理。

养分添加对内蒙古不同草地生态系统生物量的影响

为了比较不同气候条件下草地生态系统对养分添加的响应,在内蒙古的草甸草原、典型草原和荒漠草原区分别建立长期养分添加试验。在三年试验数据的基础上,分析不同养分（N和P）添加、不同梯度（N：10,5和2.5 g/m2;P：10 g/m2）对这3种代表性草地群落生物量及其分配的影响。结果表明,施氮导致内蒙古温带草原地上生物量增加27%-53.3%,平均增加37.8%,并且施氮浓度越高,地上生物量增加越多。地下生物量对施肥的响应比地上生物量小,整体上,高浓度的氮添加使内蒙古草原的群落总生物量平均增加10.2%。较干旱的荒漠草原对氮限制的响应比典型草原和草甸草原更明显。磷肥对群落地上、地下生物量的影响不明显。施氮肥促进草甸草原和荒漠草原的根冠比（R/S）降低,典型草原的根冠比则轻度增加。施肥对内蒙古温带草原根系的垂直分布没有显著影响。位于不同环境条件下的草地生态系统对施肥的响应存在时间和空间差异,意味着在碳循环模型预算和草地管理中需要考虑不同草地生态系统对养分添加的响应。草地地上生物量对施肥的响应高于地下部分,如果不考虑地下部分,可能会高估整个生态系统对施肥的响应。

中国西北部草地植被降水利用效率的时空格局

植被降水利用效率(PUE)是评价干旱、半干旱地区植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。利用光能利用率CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了2001—2010年中国西北七省草地植被净初级生产力(NPP),结合降水量的空间插值数据,分析了近十年草地植被PUE的空间分布、主要植被类型的PUE,及其时空格局的驱动因素。结果表明:(1)2001—2010年西北七省草地植被的平均PUE为0.68 g C m^(-2)mm^(-1)。在温带草地各类型中,PUE的大小顺序为草甸草原>灌丛>典型草原>荒漠草原>荒漠,各类型草地PUE之间差异显著;对于高寒草地而言,高寒草原的PUE显著高于高寒草甸;(2)温带草地PUE的空间分布与年降水量的关系呈抛物线形状(R^2=0.65,P<0.001),PUE峰值出现在年降水量P=472.9 mm的地区;荒漠地区植被PUE的空间分布与年降水量的关系同样呈抛物线形状(R^2=0.63,P<0.001),PUE峰值出现在年降水量P=263.2mm的地区;对于高寒草地而言,年降水量100 mm以下地区植被PUE变异较大,年降水量大于100 mm的地区植被PUE的空间分布随降水量的变化呈抛物线形状(R^2=0.47,P<0.001),PUE峰值出现在P=559.2 mm的地区;(3)不同降水量区域,植被PUE的年际波动与气候因子的关系也有较大差别。在年降水量为200—1000 mm的地区,草地PUE的年际波动与年降水量的变化呈正相关;在年降水量高于1050 mm的地区,草地PUE的年际波动与年均温的相关性较强,相关系数最高可达到0.4。

中国北方草地覆被的HJ星NDVI校正研究

NDVI时间序列数据已经得到了广泛应用。中国的环境与灾害监测预报小卫星(HJ星)装载的4部CCD传感器能够满足在中国及其周边地区植被动态监测时间与空间分辨率两方面的需求,基于其建立的NDVI时间序列产品对于研究该区域的植被变化状况具有重要意义。然而波段的差异对不同传感器获取的NDVI具有非常显著的影响。本研究立足于对HJ星4部CCD传感器以及LandSat卫星TM、ETM+传感器的波段分析,利用同时相遥感影像对获取并推算6部传感器NDVI在中国北方中温带干旱半干旱草地的NDVI交叉校正系数,并通过野外实测光谱数据计算等效NDVI对研究结果进行验证。结果表明,HJ星4部CCD传感器间获取的NDVI差异能够达到5%,本研究中得到的传感器间NDVI交叉校正系数能够将该差异有效减小到2%以内。同时证明了传感器中心波长对NDVI的影响大于波段宽度对NDVI的影响。

我国著名的草地生态学家祝廷成教授

祝廷成先生对生活和事业充满激情与热爱。当他第一次带学生到东北草原进行野外实习时,在被辽阔富饶的草原深深吸引之余,羞涩感叹无一篇中国人自己撰写的有关东北草原的文章,从此下定决心选择草原作为毕生研究对象。1954年先生师从北京大学李继侗教授进一步学习生态学,多次深入东北草原进行调查研究。

内蒙古锡林河流域典型草原植物叶片与细根性状在种间及种内水平上的关联

植物的叶片与细根分别作为植物体地上和地下部分重要的营养器官,很多功能性状在二者之间存在着一定的关联性。研究这种关联有助于理解植物各性状之间的相互作用、植物生长过程中对资源的利用和分配,以及建立细根性状的估算模型。该研究对内蒙古锡林河流域65种植物叶片与细根的氮(N)含量、磷(P)含量、N:P以及比叶面积(SLA)和比根长(SRL)进行了比较研究,结果表明:在种间尺度上,叶片与细根间的N、P和N:P存在显著的相关性,而SLA与SRL之间相关性较弱;在种内尺度上,叶片和细根的N、P及SLA与SRL,在不同的物种中呈现出不同的趋势。此外,叶片与细根性状的关联,在不同的植物功能群之间存在差异。例如,双子叶植物叶片与细根间的N含量显著相关,P含量不相关;而单子叶植物二者之间的P含量显著相关,N含量无关联。该研究的主要结论是,在相对一致的生境中,植物叶片与细根性状的关联主要发生在不同物种之间,在种内尺度上这种关联不明显,这可能与植物功能性状在种内存在较小的变异幅度有关。

不同降水条件下荒漠草原植物的养分含量及回收对增温和氮素添加的响应

为了探讨荒漠草原植物养分回收特征对长期增温和氮素添加的响应以及自然降水变异对其的调控作用,该研究依托实施12年的模拟增温和氮素添加实验平台,在相对多雨的2016年(超过长期均值52%)和相对少雨的2017年(低于长期均值16%),以常见C 3植物银灰旋花(Convolvulus ammannii)和C 4植物木地肤(Kochia prostrata)为研究对象,测定分析绿叶和枯叶的氮磷含量及回收效率。结果表明:(1)在相对多雨年(2016年),增温使2种植物的绿叶氮、枯叶氮、绿叶磷、枯叶磷含量分别增加了14.32%、25.45%、17.97%和46.47%,氮、磷回收效率分别显著减小了9.41%和16.99%(P<0.05);氮素添加使2种植物的绿叶氮、枯叶氮、绿叶磷、枯叶磷含量分别提高了17.32%、25.62%、20.21%和51.41%,而氮、磷回收效率显著降低了9.33%和18.89%(P<0.05);增温+氮素添加共同处理显著增加了植物氮磷含量、降低了氮磷回收效率。(2)在相对少雨年(2017年),增温、氮素添加、增温+氮素添加处理对植物叶片氮磷含量、回收效率均无显著影响。(3)叶片氮磷含量在物种间差异极显著(P<0.0001),而氮磷回收效率在物种间无显著差异。(4)回归分析表明,植物叶片氮磷含量随着土壤无机氮、有效磷及含水量的增加而增加,植物氮磷回收效率则随着土壤养分和水分的可利用性的增加而降低。研究认为,荒漠草原植物养分回收对全球变化的响应受自然降水变异的调控。