降水格局变化和放牧对草地土壤磷转化影响的研究进展

草地是重要的陆地生态系统,其植物生产力可能会受到营养元素磷的限制。植物在生长发育过程中所需的磷主要来源于土壤,磷元素在土壤中的转化及其有效性受到诸多因素的影响。放牧作为草地常见的利用方式,可以通过影响土壤理化性质、土壤微生物及植物根系分泌物等作用于土壤磷转化过程。然而,在全球降水格局变化的背景下,土壤磷形态及其有效性会如何响应放牧利用,是近些年学者关注的重点问题。本文从土壤含水量、pH、土壤磷酸酶及根系分泌物等方面,总结了降水和放牧对草地土壤磷转化的影响。未来应从自然因素和人为干扰、生物和非生物、长时间和大尺度上多角度考虑降水变化和放牧利用对草地土壤磷转化的影响,以期更好地理解草地土壤磷循环以及在降水格局变化背景下为草地恢复提供参考依据。

毛乌素沙地降水格局变化对油蒿木质部解剖特征的影响

探究不同降水处理对荒漠植物木质部解剖特征的影响,可以为理解未来降水格局变化下荒漠植物适应性和预测荒漠植被演替趋势提供理论依据。以毛乌素油蒿灌丛植被为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水格局变化趋势,设置3个降水量梯度(减水30%、自然降水、增水30%)以及2个降水间隔梯度(降水间隔5d、降水间隔15d)开展双因素完全随机试验,监测油蒿木质部各个解剖特征参数对不同降水处理的响应。结果表明:(1)随着降水量减少,油蒿的导管数量显著增多,导管密度、导管壁厚度显著增大(P<0.05)。降水间隔时间延长将显著增加油蒿的导管数量、导管密度和平均导管直径(P<0.05)。降水量与降水间隔期对油蒿木质部解剖学特征影响的交互效应不显著。(2)降水量减少和降水间隔时间延长弱化了油蒿潜在最大导水率对导管直径的响应敏感度。(3)在降水量减少和延长降水间隔时间的背景下,油蒿可以通过调整木质部导管参数兼顾水分运输的安全与效率。本研究表明,通过改变木质部解剖学特征参数来适应降水格局改变是油蒿的重要耐旱策略,未来气候变化的大背景下,荒漠植物的水力特征变化需要综合考量降水量和降水间隔的双重影响。

2012-2020年内蒙古半干旱草原碳水通量关键参数观测数据集——基于长期降水格局控制实验

增温导致全球降水格局发生显著变化,这将显著影响我国北方半干旱草原植被生长和生态系统功能。碳水通量作为生态系统功能的关键过程,决定了生态系统的碳固持能力与资源利用策略。因此,明确生态系统碳水通量对降水格局变化的响应及其控制因子,有助于评估气候变化背景下我国草原生态系统碳汇功能的变化。但是,目前关于草原生态系统碳水过程对降水格局变化响应方面尚缺乏长期的控制实验研究与观测数据。本研究基于内蒙古锡林郭勒草原长期降水格局控制实验(包括7个降水量与降水频度变化处理),采用静态箱式法,通过红外气体分析仪进行测定,对2012–2020年生态系统碳水通量交换关键过程季节动态长期观测数据进行了整理与质量控制。本数据集主要包括气象环境数据(降水量、大气温度、土壤水分含量和土壤温度等)和碳水通量数据(生态系统总初级生产力、生态系统呼吸、生态系统净碳交换量、生态系统蒸散、碳利用效率和水分利用效率)两部分。初步结果表明,干旱显著降低碳水通量,但增水对其影响不显著;所有通量相关指标在停止处理后第一年就恢复至对照水平。本数据集的发布将为进一步加深我国草原生态系统碳水循环及其耦合过程对降水格局变化响应的研究与机制理解提供重要数据基础。

降水格局变化对红砂幼苗生长的影响

以西北荒漠生态系统典型植物红砂(Reaumuria soongorica)一年生幼苗为研究对象,利用人工遮雨装置,设置3个降水量梯度(W-、W、W+)和2个降水间隔时间梯度(T、T+)进行模拟试验,研究了不同降水格局下红砂幼苗生长、生物量积累和分配的变化特征。结果表明:(1)降水量增加30%,幼苗株高和基径分别平均增加22.0%和28.0%,延长降水间隔时间其作用更显著,分别平均增加24.57%和32.98%(P<0.05);(2)在延长降水间隔时间的同时增加降水量,幼苗地上、地下和总生物量分别显著增加了241.57%、223.95%和236.72%(P<0.05),幼苗地上部分的生长优于地下部分;(3)与对照相比,降水量减少30%,幼苗根长平均增加21.0%,根冠比平均显著增加53.73%(P<0.05),而各部分生物量差异不显著。

红砂幼苗根系形态特征对降水格局变化的响应

以西北荒漠生态系统典型植物红砂一年生幼苗为研究对象,利用塑料遮雨棚,研究了人工模拟不同降水格局下红砂幼苗根系形态的变化特征。结果表明,(1)降水量一定时延长降水间隔时间,红砂幼苗根系各指标均呈增加趋势,总根长、总根体积和根系生物量增加最为显著,分别为39.22%、62.50%和63.20%。(2)降水间隔时间延长至10d时,降水量增加30%对幼苗根系各指标均有促进作用,且对总根体积和根系生物量的作用尤为突出,使其分别显著增加116.27%和224.40%(P<0.01)。(3)在自然降水条件下延长降水间隔时间,比根长和比表面积达到最大值,幼苗其他指标则无显著变化,说明幼苗对此水分条件的适应能力最强。(4)相关分析表明,不同降水格局条件下,红砂幼苗各形态指标间存在相关关系,但水平各异。总根长、总根表面积、总根体积、根平均直径及根系生物量之间呈显著正相关,且相关系数接近0.5,说明红砂幼苗根系具有较强的形态可塑性。

中国全新世暖期降水格局的集成重建

根据国内外公开发表的各类文献,搜集整理中国全新世暖期6.5～5.5 ka B.P.的定量古降水记录,采用空间集成重建方法对原始记录进行重复记录归并和空间集成分析,获得271个地点的有效降水记录,据此重建中国全新世暖期的降水格局。结果表明:全新世暖期,中国年降水量普遍高出现代50～300 mm;降水绝对增幅以长江中下游地区最大,增加250～300 mm,向南北递减,东南沿海约增加100 mm,至西北地区只增加约50 mm;相对增幅从东南沿海向西北内陆递增,东南沿海仅高出现代的15%～25%,西北及青藏高原地区可高出现代1倍左右。

干旱区降水格局改变的生态效应及其复杂性

全球气候变化下,降水格局变化及其生态效应研究是加强认识干旱区水分循环与荒漠植物演替和适应等的关键。综述了干旱区降水格局变化对土壤水分分布和植物生长的影响,分析了不同降水格局下前期土壤水分和养分条件、植物类型、根系分布、水分吸收模式、物候和年龄等对植物生长的影响,指出由于干旱区降水格局变异性较大以及其生态效应受多因素影响,干旱区降水格局变化的生态效应十分复杂。目前研究通常未考虑降水格局变化的季节变异以及非生长季降水的作用,这可能会导致明显的偏差或错误。因此,为更好预测干旱区降水格局变化的生态效应,必须加强降水格局增加的季节差异对植物生长的影响研究,并重视非生长季降水的作用。

荒漠草原脉动性降水格局及其时空变化特征——以达尔罕茂明安联合旗为例

全球变化背景下,荒漠草原降水格局受到不同程度扰动,识别荒漠草原变化环境下脉动性降水格局及其时空变化特征具有重要生态学和水文学意义。利用达尔罕茂明安联合旗位于不同雨量带的3个气象站1960-2013年日降水数据,分析荒漠草原地区降水格局及其时空变化特征。研究表明,研究区0-5mm、5-10mm和大于10mm降水事件及降水量所占的比例分别为77%-80.9%、11.5%-12.2%、7.6%-10.9%和25.2%-32.2%、21.9%-25.4%、42.4%-52.9%。不同等级降水事件日均降水量分别为1.2-1.3 mm/d、7.0-7.1 mm/d、17.8-19.2 mm/d。研究区降水量较降水日数具有更强的时空变异性,全年和生长季降水日数和降水量主周期在2.84-4.5a左右。研究区不同雨量带不同降水等级降水日数和降水量普遍呈增加趋势,尤以0-5mm小降水事件的增加为主。

降水格局变化对植物繁殖策略影响的研究进展

由于植物生长和繁殖受降水格局的重要影响,本研究结合近年来降水格局变化及其对植物繁殖策略影响的重要意义,总结降水格局变化对植物繁殖物候、繁殖分配和种子产量及其对子代种子特性的重要影响,探讨该领域目前存在的问题及未来研究的重点和方向,以促进植物繁殖策略研究的进一步发展,同时填补该领域的空白。

黑河流域日降水格局及其时间变化

利用10个气象站1950-2000年日降水资料，对黑河流域的降水及其时空格局进行了研究。结果表明：①降水事件以≤5mm的降水为主，占全年降水事件的82％，0～10d间隔期占全年无降水期的40．7％，〉10d间隔期占59．3％；②年降水日数与降水量之间存在显著的正相关性（r=0．78，P〈0．01），〉10mm降水总量与年降水量呈显著正相关，而≤5mm降水总量与年降水量的相关性差；③〉10mm和≤5mm的降水总量变化范围分别为：0～262．6mm，20．3～172．7mm，变异系数分别为0．25～0．92，0．17～0．25；④近50d来，黑河流域近50d降水量的变化总体上呈平稳上升趋势，≤5mm的降水日呈现小幅下降的趋势，≥10mm的降水日呈小幅上升的趋势。0～10d的降水间隔期出现的频率总体保持不变，〉10d间隔期出现的频率出现明显的下降趋势，年内总降水日数保持不变。

1956-2009年内蒙古苏尼特左旗荒漠草原的降水格局

弄清全球变化背景下不同地区降水格局的变化对科学理解气候变化及其影响具有重要意义。苏尼特左旗荒漠草原是温带干旱半干旱地区的典型荒漠草原,对气候变化,特别是降水变化非常敏感。利用1956—2009年的日降水资料探讨了苏尼特左旗荒漠草原降水格局的变化规律,以为揭示气候变化的影响机制提供依据。结果表明,该地区年均降水量为191.9 mm,年际变化剧烈,变异系数达26.63%;年均降水日数为63.8 d,变异系数16.9%。生长季降水占全年的85%,但各月变异系数均>50%;降水日数占全年的63%。年和生长季的各月降水以中等降水量、弱降水日数为主,中等强度以上降水事件较少。近50 a来,年和生长季的降水量、降水日数与各等级降水事件均呈下降趋势,年降水减少的原因在于中等降水事件的减少、生长季降水减少的原因在于弱降水事件的减少。年降水减少将影响草地的土壤水分与植物返青;而生长季降水减少将直接影响草地固碳。气候变化背景下年与生长季降水的减少将进一步加剧该地区干旱程度并影响植物的生长发育,从而直接威胁到草地畜牧业的发展。

内蒙古地区近53a降水格局的时空变化特征

利用我国内蒙古地区1960-2012 年46 个气象站点的逐日降水数据,分析了该地区降水格局的分布特征,并采用Mann - Kendall 趋势检验法探求了降水格局年际变化趋势的显著性.结果表明：①研究区降水集中性指数为20. 8 ～38. 6,全区年内降水分配极不规则,大部分站点的降水集中性指数呈减小趋势;②10 mm 以下的降水是研究区最主要的日降水类型,中等强度降水呈增加趋势,而强降水呈减少趋势;③历时1 ～ 2 d 的降水是研究区最主要的连续降水类型,中长期连续降水呈减少趋势;④历时1 ～10 d 的无雨期是研究区最主要的连续无雨期,但近50% 的无雨日集中在30 d 以上的连续无雨期,较长持续日数的连续无雨期呈减少趋势.

甘肃陇中安家沟小流域日降水格局

利用1981-2009年生长季日降水资料,对陇中黄土高原安家沟小流域日降水格局及脉动特征进行研究.结果表明:生长季年均降水量为271.56 mm,年际变异系数为29.14%.降水事件以≤5 mm的降水为主,占全年降水事件的44.55%;≥10 mm的降水频率很低,但对年降水的贡献大,占降水总量的64.87%.0～10d降水间隔期(无降水日)所占比例最大,为年无降水期的87.03%;>10d降水间隔期呈增加趋势.近30年来,≤5 mm/d的降水呈下降趋势,而≥10 mm/d的降水略有上升,年内总降水日数与降水量均呈下降趋势.

不同降水格局下填闲种植对旱作冬小麦农田夏闲期土壤温室气体排放的影响

田间盆栽试验研究了不同降水格局下填闲种植对冬小麦农田夏闲期土壤温室气体排放的影响。试验采用控制降水格局(自然降水和减半降水)和填闲作物(黑麦草单播、长武怀豆单播、黑麦草和怀豆混播、裸地对照)双因素处理设计,利用静态箱-气相色谱法对土壤CO_2、N_2O和CH_4排放通量进行观测。结果表明:1)各处理土壤是CO_2、N_2O的排放源,是CH_4的弱吸收汇。2)降水格局和填闲种植对土壤温室气体排放均具有显著影响。与自然降水相比,减半降水的土壤CO_2日均排放通量降低了33%,N_2O日均排放通量降低了17.9%,但对CH_4通量影响不大。3)与裸地对照相比,单播黑麦草、长武怀豆和二者混播日均CO_2排放通量提高了140.8%、135.6%和137.7%,不同填闲处理间差异不显著。而日均N_2O排放通量分别降低了8.0%、21.8%和27.4%,其中单播长武怀豆和混播处理与单播黑麦草处理差异显著。单播长武怀豆处理土壤日均CH_4吸收通量较裸地对照、单播黑麦草和混播处理分别降低了65.8%、63.7%和68.9%。4)与自然降水相比,减半降水农田综合增温潜势平均下降了26.1%,温室气体排放强度平均提高了47.2%。而与裸地对照相比,单播黑麦草、单播长武怀豆和二者混播处理综合增温潜势平均分别提高了67.9%、65.5%和67.8%,且各填闲作物处理间差异不显著。与单播黑麦草和混播处理相比,在冬小麦夏闲期单播长武怀豆具有更高的地上生物量和更低的温室气体排放强度,在自然降水条件下能够兼顾经济效益与生态效益,适宜在本地区加以推广种植。

西北典型荒漠植物红砂生物量及根系形态特征对降水格局的响应

红砂(Corispermum candelabrum)是一种广泛分布于荒漠生态系统中的典型沙生植物。以红砂为研究对象,利用塑料遮雨棚,人工模拟不同降水格局(降水量不变,W;降水减少30%,W1-;降水减少60%;W2-;降水增加30%;W1+;降水增加60%,W2+),研究红砂生物量及根系形态的变化特征。结果表明,(1)红砂地上和地下生物量均表现为:降水增加>CK>降水减少,其中地上生物量差异达显著(P<0.05)。对于降水增加处理,红砂不同器官生物量大致表现为茎>叶>花;对于降水减少处理,不同器官生物量大致表现为叶>茎>花。不同降水处理下根冠比差异均不显著(P>0.05)。(2)不同土层根重和根长密度基本表现为降水增加>对照>降水减少;根重和根长密度均随着土层深度的增加而逐渐减小,在40～50cm土层根重和根长密度较低。(3)降水对红砂根系形态特征具有显著的影响,其中降水增加(W1+、W2+)增加了根平均直径、根总长、总表面积、比根长;降水减少(W1-、W2-)降低了根平均直径、根总长、总表面积、比根长。比根长和比表面积则呈现出相反的变化趋势。(4)随着降水的增加,根系分形维数逐渐增加,其中降水增加显著增加了根系分形维数(P<0.05),降水减少显著降低了根系分形维数(P<0.05);根系丰度呈相反的变化趋势,并且红砂根系分形维数和分形丰度间均存在极显著负相关关系(P<0.01)。(5)红砂根系形态特征排序分析表明,降水增加根系形态特征主要分布在排序轴的左侧,具有较高的生物量以及较低的比根长和比表面积;而降水减少位于排序轴的右侧具有相反的特征,其形态特征与比根长和比表面积具有较强的负相关,说明红砂根系具有较强的形态可塑性。

森林降水格局野外控制试验设施对土壤氮转化速率的影响

为探讨样地扰动对生态学野外控制试验的影响,在介绍一个较大型森林降水格局野外控制试验的基础上,分析了试验平台建设的设施对土壤化学性质和净氮(N)转化速率所产生的影响。结果表明,整个约0.7 hm2样地在2012年5–9月间的土壤有机C(SOC)、全N(TN)、硝态N、铵态N、微生物生物量C(MBC)、净N矿化速率和硝化速率均表现出一定的时空变异,但设施对SOC、TN、硝态N、铵态N和净矿化速率的影响统计学检验不显著;而设施建设和样方周边挖隔离沟对净N硝化速率在刚完成平台建设时有显著影响(P<0.05),但恢复3个月后虽仍有差异,但统计学检验已不显著。这些提示了在分析和解释降水处理对净N硝化速率的影响效应时,应注意设施效应和坡位差异的潜在影响。

降水格局对科尔沁沙地三种草本植物凋落物分解的影响

基于研究区多年降水特征,设置高频低量、中频中量和低频高量3种降水格局,采用凋落物分解袋法,对科尔沁沙地3种常见一年生草本植物一个生长季地上和地下凋落物分解特征进行了研究。结果表明,降水格局和凋落物埋深均是影响分解率的关键因素。其中地表凋落物的分解率显著低于地下凋落物,随埋深增加地下凋落物的分解率有增加的趋势,10~20cm层狗尾草地下凋落物分解率显著高于0~10cm层(P<0.01)。低频高量降水状况下地上凋落物的分解率显著降低(P<0.01)。降水格局与凋落物埋深存在显著的耦合关系(F=3.60,P=0.008),随土壤深度增加,降水格局对凋落物分解率的影响减少,且物种间存在差异性,不同降水格局下狗尾草和黄蒿地上凋落物和0~10cm埋深地下凋落物分解率均存在显著差异性(P<0.05),而尖头叶藜仅地上凋落物在不同降水格局下的分解率表现出显著差异性(F=48.42,P<0.001)。

根系分布不同的两种共存草原植物对降水格局的响应差异

为研究降水格局改变对内蒙古草原两种优势种植物生长的影响,以内蒙古新巴尔虎右旗草原优势植物种多根葱和克氏针茅为研究对象,采取试验设置模拟小、中、大3个降雨量,并设置与之对应的3个降雨时间间隔,来研究其对降水格局的响应差异。结果表明:①降雨量和降雨间隔时间对两种草原植物的生长都有不同的影响,但降雨量对其生长的影响更显著;②在相同降雨量处理下,增加降雨间隔时间有利于克氏针茅幼苗各器官生物量的积累;③在相同降雨时间,降雨量的增加,混播克氏针茅地上、地下生物量显著减少,混播多根葱在模拟降中雨条件下根系地下生物量大于地上生物量,根冠比值为最大;④该两种草原优势种植物幼苗地上生物量、地下生物量、总生物量和根冠比的变化主要由各时间段内降雨量不同而引起的。

降水格局改变及氮沉降对北方典型草原土壤线虫多样性的影响

在全球气候变化的影响下,干旱和半干旱地区的降水格局呈现出降雨强度增加、降雨频率减少但降雨总量不变的趋势。大气氮沉降作为另一个全球气候变化的重要因子,沉降速率逐年加剧,显著影响生态功能及过程。线虫是陆地生态系统中最主要的土壤生物,参与多种地下生态过程。线虫群落的多样性尤其是功能、系统发育多样性如何对降水格局的改变做出响应,以及氮沉降如何调节这些响应,目前仍不清楚。本研究利用中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验研究站长期模拟降水格局改变及氮沉降添加试验平台,开展了5个降雨强度(2 mm、5 mm、10 mm、20 mm、40 mm)处理和氮添加(10 g N·m^(-2)·yr^(-1))对土壤线虫分类、功能和系统发育多样性的影响研究。结果表明,降水强度较强但频率较低可以提高线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性;同时降低了分类β多样性和系统发育β多样性。然而,氮添加降低了中高强度降水处理下线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性,同时提高了分类β多样性、功能β多样性和系统发育β多样性。土壤含水量和土壤微生物量碳含量是影响线虫功能及系统发育多样性的主要因素。本研究结果表明,由于全球气候变化,未来几十年降雨强度的增加可能有利于干旱和半干旱生态系统中的土壤线虫功能多样性和系统发育多样性。然而,在氮沉降严重的地区,这种正效应可能会被氮沉降导致的土壤环境的恶化所抵消。

生长季降水格局变化对科尔沁沙地典型生境植物群落结构、功能和地上生物量的影响

为探究中国干旱、半干旱草地在生长季降水格局变化下植物群落结构、功能和地上生物量的变化规律,以科尔沁沙地为研究对象,于2022年分别在固定沙丘和沙质草地设立5—9月减水60%(P_(60-))、5—9月增水60%(P_(60+))、5—6月减水100%(P_(100-))和5—6月增水100%(P_(100+))野外模拟控制试验,分析了生长季降水格局变化下植物群落特征(物种多样性、植被盖度、植物密度、地上生物量)、植物群落功能性状(高度、叶片厚度、比叶面积、叶干物质含量、叶片碳氮含量)以及土壤理化性质(土壤含水量、pH、电导率、机械组成、碳氮含量)等指标的变化规律和与地上生物量的相关关系。结果表明:干旱(P_(60-)和P_(100-))提高了科尔沁沙地中虎尾草和蒺藜等一年生C_(4)植物的重要值(P<0.05),降低了糙隐子草等多年生植物的重要值(P<0.05);对于固定沙丘而言,生长季前期极端干旱(P_(100-))提高了Simpson优势度指数(P<0.05),降低了Shannon-Wiener多样性指数(P<0.05),整个生长季持续干旱(P_(60-))提高了地上生物量(P<0.05);对于沙质草地而言,干旱(P_(60-)和P_(100-))降低了植被盖度和植物密度(P<0.05);干旱处理下地上生物量的提高主要是由单株生物量较大物种优势度的提高所导致,固定沙丘和沙质草地间土壤含水量和细砂含量的差异会通过影响Shannon-Wiener多样性指数和植物群落高度对地上生物量产生影响。因此,生长季降水格局变化改变了科尔沁沙地草地植物群落的物种组成、植被特征和土壤理化性质,影响地上生物量的同时改变了该区域草地生态系统的结构和功能。