土壤碳循环主要过程对气候变暖响应的研究进展

目前,土壤呼吸等碳循环过程对气候变暖的响应仍是气候变化预测模型中不确定性的主要来源。本文以土壤呼吸为切入点,首先论述了土壤呼吸对气候变暖的响应及适应机制,并从土壤微生物(土壤呼吸的主体)、土壤有机碳分解的温度敏感性(土壤呼吸的反应底物)两个方面探讨了土壤碳循环过程对气候变暖的响应;随后论述了气候变暖与其他气候变化因子之间、地上与地下部分之间的协同作用对土壤碳循环过程的影响。得到以下主要结论:气候变暖可以影响土壤微生物的生理活性,甚至改变其群落结构,从而使土壤呼吸对增温产生适应;土壤有机碳分解对增温的敏感性由有机碳的化学组成结构、环境因子对其的保护作用、土壤微生物的生理特性等因素决定。并在此基础上提出了未来的研究重点:1)将土壤微生物过程耦合到气候变化模型中;2)积极探索新的土壤微生物研究方法;3)设置长期定位实验,研究多个气候变化因子之间的综合作用;4)加强地上、地下生态过程的系统研究。

中国绿洲化及其研究进展

绿洲化是干旱区人与自然因素共同作用下荒漠向绿洲转变的过程。中国绿洲面积从20世纪50年代初期的20 000km2扩展到2000年的86 000km2,扩大了3.3倍。绿洲化过程不仅伴随着景观格局的变化,而且会引发土壤、生物、气象和水文等要素的变化。分析了近2 000a来中国干旱区绿洲的演变过程,评述了绿洲化过程中景观变化、其对绿洲稳定性的影响及绿洲化过程中土壤要素、气象水文要素变化等诸多方面的研究进展,同时提出未来的研究中应加强绿洲化过程研究框架的建立、绿洲化过程中关键因素变化及绿洲化关键过程研究。

河西走廊绿洲玉米农田生态系统呼吸特征及温度响应

准确评估农田生态系统碳排放对评价陆地生态系统碳平衡具有重要意义。研究利用中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站玉米农田生态系统涡度相关和微气象监测数据,分析了2009年生态呼吸速率(RE)和呼吸敏感性指数(Q10)的季节变化规律,探讨了环境因子对RE的影响,比较了不同模型估算生态系统碳排放量的差异。结果表明,河西走廊荒漠绿洲玉米农田生态系统夜间平均呼吸速率表现为单峰型的季节动态,平均最大呼吸速率12.54μmol CO2·m-2·s-1;空气温度(Ta)比土壤温度(Ts)更明显地影响着玉米农田生态系统呼吸,且影响过程表现出明显的季节差异;基于Q10模型拟合的4—10月各月的参考呼吸速率RE10和敏感性指数Q10也表现出单峰型的季节变化模式,最大值先后出现在6月和8月,其值分别为2.68μmol CO2·m-2·s-1和2.62。Logistic模型能较好地反映RE与Ta的关系,可以解释半小时呼吸速率55.9%的变异,但在高温情况下的预测值偏低;Q10、Quadratic、Lloyd&Taylor;和Logistic模型模拟的玉米农田生态系统呼吸速率的平均日变化和季节动态差异明显,估算的河西走廊荒漠绿洲玉米农田生态系统年呼吸碳排放量介于1 122~1 252 g C·m-2·a-1。

间伐对祁连山青海云杉人工林土壤水分的影响

利用EM50土壤水分监测仪,在样地尺度上,测定了祁连山青海云杉天然林、无间伐和间伐强度为20%的人工林地生长季节的土壤水分,对比分析间伐对人工林土壤水分的影响。结果表明:未间伐人工林林地表层(10 cm)土壤含水量显著高于间伐强度为20%的人工林和天然林,间伐导致了人工林林地表层土壤水分下降;而对于深层土壤含水量而言,间伐措施又显著提高了深层60 cm处的土壤含水量。与天然林地土壤含水量相比,无间伐人工林深层60 cm和80 cm处的土壤体积含水量仅为天然林的49.7%和52.1%,深层土壤已经出现旱化现象,间伐措施能够减缓这种旱化现象。

科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris)人工固沙林演变过程中物种多样性和土壤水分特征

人工固沙植被是干旱、半干旱区荒漠化防治的重要内容,研究人工固沙植被演变过程中物种多样性和土壤水分变化特征对于人工固沙植被的经营与管理有重要意义。对科尔沁沙地营造的5~45a的樟子松(Pinus sylvestris)人工固沙植被林下植被的物种多样性和土壤水分变化特征进行了研究。结果表明:在樟子松固沙林演变过程中,群落中禾本科和菊科植物种始终占主导地位,且随着樟子松栽植年限的增加,禾本科植物所占比例显著增加。物种总数和草本植物数量都随着栽植年限的增加显著降低,呈显著的线性关系。而灌木数量和栽植年限呈抛物线形关系,随着樟子松栽植年限的增加先增大后减小。草本植物盖度和地上生物量与樟子松栽植年限也呈抛物线形关系,在栽植25a后草本植物盖度达到最大值。樟子松人工固沙林演变过程对土壤含水量也有显著影响,土壤平均含水量和樟子松栽植年限呈显著线性关系,栽植45a后,土壤平均含水量由3.5%降至1.4%。土壤水分的急剧下降是樟子松人工林演变后期面临的主要挑战。

绿洲农田土壤优先流特征及其对灌溉量的响应

优先流是土壤养分和水分快速通过土壤剖面的普遍物理现象.研究农田土壤优先流特征及其影响因素,对量化绿洲灌溉深层渗漏量、提高水肥利用效率以及降低浅层地下水质污染的风险具有重要意义.在绿洲农田利用亮蓝溶液进行原位染色示踪试验,结果表明：沟与垄位置处的染色路径数目在土壤深度7.3~16.7 cm差异显著,而优先流最大入渗深度差异不显著.优先流最大入渗深度主要受蚂蚁洞穴和灌溉量的影响,平均灌溉量120 mm下优先流的最大入渗深度为（43.1±5.9）cm;受到蚂蚁洞的影响,灌溉量55 mm的样方优先流最大入渗深度达（68.3±7.6）cm.细根（Φ≤2 mm）与优先流显著相关,粗根与优先流相关性不显著,表明植物根系中的细根对优先流的产生有重要作用.绿洲农田土壤优先流特征受到灌溉量、垄沟耕作、蚂蚁洞穴和根系等因素的影响,而蚂蚁洞穴是影响优先流最大入渗深度的不确定因素.

沙柳(Salix psammophila)丛生枝生物量最优分配与异速生长

茎叶生物量分配的权衡关系是植物生活史研究的重要内容。以毛乌素沙地南缘的优势灌木沙柳(Salix psammophila)为对象,用生物量分配份数的方法分析了沙柳丛生枝尺度上茎、小枝、叶生物量分配与个体大小的依赖关系,并用标准主轴回归(SMA)检验茎、小枝、叶生物量的异速生长关系。结果表明:(1)随着沙柳丛生枝的增大,茎、小枝、叶各构件生物量积累明显,基径比枝长能更好地反映生物量随个体大小的变化规律;丛生枝茎、小枝、叶和总生物量随基径变化的幂函数分别为y=0.1861x2.2950、y=0.0194x2.9794、y=0.0875x2.1421和y=0.1863x2.5454。(2)随着沙柳丛生枝个体的增大,总资源中分配到茎和叶的份数下降,分配到枝的份数增加;基径能更好地解释茎和小枝生物量分配份数的变化,枝长能更好地反映叶生物量分配份数的变化。(3)沙柳丛生枝茎、小枝、叶生物量相互间均存在显著的异速生长关系,异速指数αT-S、αL-S和αL-T分别为1.557、1.087和0.6916,随个体大小的变化,小枝生物量的变化速度最快,叶生物量的变化次之,茎生物量的变化速度最慢。最优分配理论和异速生长分配理论能互为补充,较好地解释沙柳丛生枝构件的生物量权衡关系。

毛乌素沙地南缘沙柳(Salix psammophila)丛生枝年龄结构与动态特征

沙柳(Salix psammophila)是毛乌素沙地典型的优势灌木,对维持沙区生态系统稳定起着重要作用。在自然生长过程中,随着年龄增加,沙柳死亡枝条数增多,植株生命活力衰退,沙区生态系统的稳定受到挑战。研究沙柳丛生枝结构随年龄增加的变化规律对保育沙柳生命活力、保障沙区生态系统稳定具有重要意义。本研究通过对沙柳丛生枝分枝收获,查数年轮计数枝龄,绘制丛生枝的年龄结构图,编制静态生命表,分析存活曲线、生存函数等参数变化,并运用时间序列模型预测丛生枝的年龄结构动态。结果表明:沙柳丛生枝中以3a生枝条最多,年龄结构呈两头小中间大的纺锤型;当年生的枝条生命期望最高、5a生枝条的死亡率和消失率最高,存活曲线趋于Deevey-Ⅱ型;枝条生长4a时死亡密度开始下降,生长5a后的累计死亡率和危险率稳定,枝条动态为前期衰退、后期稳定;丛生枝动态指数趋近于0,趋于稳定型;在未来的2、4、6、8a时间后沙柳丛生枝数量逐渐增多,但幼龄枝条补充不足,沙柳稳定性难以长期维持。因此,在沙柳生长4a后需要通过适当的平茬抚育来调整丛生枝的年龄结构以维持沙柳生命活力。

沙柳丛生枝代谢指数的龄级效应

新陈代谢速率是植物最基本的生物学速率,与地表植被的水碳代谢过程密切相关.表征代谢速率及其替代指标（如叶生物量等）与个体大小间相关生长关系的代谢指数是生态学研究的一个热点,WBE模型论证的3/4恒定代谢指数最为经典,但也饱受争议.本研究以毛乌素沙地南缘沙柳为对象,检验了WBE模型的可用性,揭示代谢指数随丛生枝生长发育的变化规律.结果表明：基于叶生物量和茎叶生物量估计的沙柳丛生枝代谢指数α为0.97,显著大于WBE模型的恒定指数3/4;分支半径指数1/a和分支长度指数1/b分别为2.67和3.83,均显著大于理论值2.0和3.0.分龄级估计的丛生枝分支半径指数和分支长度指数分别为2.64-3.24和2.86-4.30,各龄级代谢指数的估计值和计算值分别为1.01-1.29和0.94-1.13,龄级差异均不显著.斜率异质性检验表明,不同龄级的丛生枝共有代谢指数估计值1.08和计算值1.00、分支半径指数2.84和分支长度指数3.35,均显著大于理论值.在各龄级丛生枝共有代谢指数1.08下,代谢常数在y轴上的负向漂移幅度随龄级增加而显著增大.尽管枝龄未引起沙柳丛生枝代谢指数的显著变化,但在给定大小的枝条上,大龄枝较低龄枝的代谢活性下降明显.

荒漠草原带沙源及灌丛对灌丛沙堆形态的影响

灌丛沙堆是干旱区一种典型的景观类型,经常出现在靠近流沙地带。在地处荒漠草原带的宁夏盐池北部的流沙边缘就发育有典型的白刺(Nitraria tangutorum)灌丛沙堆。本文对不同沙源距离和灌丛生长状况下的白刺灌丛沙堆形态特征进行了研究。结果表明:荒漠草原带白刺灌丛沙堆的高度0.2~4.8m,90.05%的高度小于3.0m;体积0.11~805.17m3,6.08%的体积小于150m3;面积0.86~333.3m2,72.26%的小于50m2。灌丛沙堆长轴长和短轴长、高度和面积、高度和体积、面积和体积间都存在很好的幂函数关系,随着灌丛沙堆高度的增加,其面积和体积也增加。沙源对白刺灌丛沙堆的分布特征有显著影响,灌丛沙堆的高度、面积和体积和沙源距离都有很好的抛物线形关系。白刺灌丛的生长状况对灌丛沙堆的形态特征也有明显的影响,即白刺灌丛生长状况越好,灌丛沙堆的高度、面积和体积也增大。