我国东北主要森林类型的凋落物产量及其影响因素

在中国东北长白山、帽儿山、凉水、根河的主要森林类型中设置27个样地，连续3年（2004～2006年）观测森林凋落物的生产量，以研究我国东北地区森林凋落物产量及其与环境因子的关系。结果表明，不同森林类型凋落物年产量存在显著差异，针阔叶混交林显著高于落叶针叶林和常绿针叶林，落叶针叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林的年平均产量分别为2337、2472、3130和4146kg·hm^-2;树叶、枝条、繁殖器官和其它组分占总凋落量的平均比例为71％、22％、6％和1％，不同森林类型凋落物组分的比例差异较大。森林凋落物产量主要受温度限制，降水、森林类型和群落结构无显著影响。不同组分凋落物量的影响因素不同；树叶凋落量主要受温度和森林类型的影响；枝条凋落量主要受降水和蓄积量的影响；而繁殖器官凋落量则与树种的繁殖特性以及年降水有关。各组分占总凋落量的比例主要受降水影响，树叶占凋落物比例随降水增加而下降，枝条所占比例很小，表现出与叶相反的变化趋势。

桫椤生态系统生物量与生产力

活化石植物是最接近于化石物种的现存相似种,并且具有一定的生态学保守性。利用活化石植物生态系统来估算陆地生态系统碳固存能力的进化趋势是一种有效的手段。该研究中利用标准地-标准木法调查了活化石物种树蕨桫椤(Alsophila spinulosa)生态系统的生物量和生产力。与现存的裸子植物为优势种的生态系统和被子植物为优势种的生态系统相比,桫椤的生物量(36.151±8.159MgC·hm–2)和生产力(2.535±0.174MgC·hm–2·a–1)都比较小。与植物化石调查方法相比,活化石生态系统生物量和生产力数据在描述古生态系统碳固存能力进化趋势方面提供了一种有意义的手段,并且有助于进一步的理解全球碳平衡演变的过程。

基于陆地生态系统模型的气候变化条件下中国未来水分状况趋势分析

评估区域陆地生态系统未来水分平衡是生态系统与全球变化科学研究的重要科学问题之一。利用IPCC相关气候模式生成的历史及未来的气候情景数据作为陆地生态系统模型的输入,并考虑CO2浓度的变化,研究了气候变化及CO2浓度倍增效应对中国未来水资源状况的影响。结果表明:对不同情景的模拟(HC3AA,HC3GG,SresA2,SresB1),未来中国全国平均降水水平基本呈现出逐渐增加的趋势,气温水平呈显著上升的趋势,蒸散发水平表现出持续增长的态势,径流则出现了不同的丰水与枯水的时段;在CO2浓度倍增的情景下,蒸散发量相对于CO2浓度非倍增的情景下的水平要稍低,而径流相对于CO2浓度非倍增的情景下的水平则要稍高,这一点在2050年之后表现更为明显。

植物功能群去除对高寒草甸群落结构、多样性及生产力的影响

群落中物种的丧失在干扰下普遍存在,但对生态系统过程和功能的影响仍存在较大不确定性。选取青藏高原东缘典型高寒草甸为对象,开展优势植物功能群的梯度去除试验,以模拟长期过牧干扰下物种的损失。经过连续两个生长季的功能群去除,我们对群落的物种组成、结构、多样性和生物量等特征进行了分析,探讨了上述指标的响应过程和机制。研究结果表明:(1)功能群的去除降低了群落高度,增加了物种均匀度,并显著影响了禾草、杂草优势比以及功能群多样性和优势度;(2)同时,去除操作显著减小了凋落物量与禾草生物量,并显著影响了群落地上生物量;(3)进一步分析还发现,禾草、莎草和杂草功能群之间存在显著的竞争关系,群落生产力主要取决于禾草功能群并随物种均匀度的增大而显著减小。上述结果表明,禾草在高寒草甸群落中占据竞争优势地位,植物功能群的损失主要通过改变种间竞争关系、引起有机物质丢失影响群落过程和功能。

基于过程模型的青藏高原湿地甲烷排放格局评估

甲烷(CH4)是大气中最丰富的碳氢化合物,是仅次于二氧化碳(CO2)的温室气体。湿地是甲烷的重要来源,在全球碳循环中发挥着重要作用,其排放的甲烷占所有天然甲烷排放源的70%,占全球甲烷排放总量的24.8%。青藏高原平均海拔4000 m以上,占有中国约三分之一的湿地。近几十年来,由于全球气候变暖和降水增加,该地区甲烷排放率和湿地面积都发生着巨大变化,因此,青藏高原湿地CH4排放的长期变化在很大程度上仍存在较大的不确定性。利用TRIPLEX⁃GHG模型模拟了青藏高原湿地1978—2008年CH4排放的动态特征,研究结果表明:(1)1978—2008年青藏高原湿地CH4排放速率呈逐渐增加趋势。(2)青藏高原大多数湿地区域CH4排放速率为0—6.13 g CH4 m^-2a^-1;东北部分湿地区域CH4排放速率为6.14—20.19 g CH4 m^-2 a^-1;较高的CH4排放速率分布于青藏高原南部湿地区域,为56.14—74.97 g CH4 m^-2a^-1。(3)青藏高原湿地CH4排放量在1978、1990、2000年和2008年分别为0.21、0.23、0.27和0.32 Tg CH4 a^-1。在1978—1990年,尽管CH4排放速率增加,但湿地面积减少,因此这一时期青藏高原湿地CH4排放量并未发生明显变化。随后由于降水增加和冰川融化,使得湿地面积逐渐增加,青藏高原湿地CH4排放量也呈现增加趋势。

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。

生长季增温对黄土高原甘青针茅和铁杆蒿群落及其土壤养分的影响

为探究全球变暖背景下草原优势种变化规律及其土壤养分作用机制,本研究以黄土高原典型草原-宁夏云雾山国家级自然保护区优势种甘青针茅(Stipa przewalskyi)和铁杆蒿(Artemisia sacrorum)群落为研究对象,探究植物生长季增温条件下群落地上生物量及地下不同土层土壤有机碳、全氮、速效磷、微生物生物量碳、微生物生物量氮、硝态氮、铵态氮含量变化规律。结果表明:1)生长季增温分别使甘青针茅和铁杆蒿群落地上生物量提高了122.87%和36.65%,两者对增温响应的差异与其对磷等养分利用的差异有关。2)生长季增温使不同深度土壤平均温度升高2.03~2.93℃,表层(0-5 cm)土壤温度增幅高于深层;土壤温度的升高导致土壤水分含量降低。3)表层土壤养分对于增温的响应程度强于下层,增温使甘青针茅和铁杆蒿群落表层土壤有机碳含量分别显著降低了18.47%和2.35%(P <0.05)。此外,在甘青针茅群落中,增温极显著提高了表层土壤速效磷含量、降低了微生物生物量氮含量(P <0.01)。总之,生长季增温通过影响土壤温度、水分条件进而对甘青针茅、铁杆蒿群落的土壤养分状况及其地上生物量产生影响,甘青针茅群落对增温的响应更为敏感。本研究对了解全球增温黄土高原草地生态系统不同优势种的群落变化特征以及土壤养分变化及驱动机制具有重要意义。

基于区块链技术的生态观测数据存储与共享模式

生态数据存储规模随着生态学领域研究尺度的拓展不断扩张,而传统中心化数据存储方式面对日益庞大的海量生态数据越来越难以维持,观测数据易重复、易篡改、难共享以及存储成本高、数据利用效率低等弊端进一步诱发了生态学研究对更高效数据存储技术的需求。与此同时,衍生于比特币交易的区块链技术凭借其分布式数据存储成本低、数据安全共享程度高等优势迅速得到青睐。在此背景下,本研究立足于生态学领域研究生态观测数据使用与共享等环节中的现实问题,从区块链技术视角出发,通过数据标签实时发布、数据修改实时验证等技术手段,设计开发"生态系统观测数据安全保障系统"(Ecosystem Observation Data Security System, EODSS)。研究结果表明,本研究基于经典C/S架构开发可执行脚本文件框架设计,能够有效满足生态学领域研究中的常见功能需求。相比于传统中心化数据存储方式,本研究使用Hash算法对系统数据层中原始数据进行加密处理,并引用时间戳技术保证数据的实效信息,有效规避传统中心化数据存储中面临的安全问题。作为对区块链技术在生态学领域实际应用的一次探索,本研究试图将区块链技术优势应用到生态数据管理中,用以解决生态学领域研究中长期存在的数据安全存储与共享难题,以期为后续相关探索提供有益参照。

冬季增温和减雪对黄土高原典型草原土壤养分和细菌群落组成的影响

冬季增温和积雪变化可改变土壤-微生物系统结构和功能。微生物作为陆地生态系统关键生物因子,发挥着调控土壤养分循环的重要作用,并对环境扰动,特别是冬季气候变化十分敏感。开展半干旱区典型草原土壤养分和微生物特性对冬季气候变化的响应研究,对预测未来气候变化情景下草地生态过程和功能变化意义重大。该研究以宁夏云雾山国家级自然保护区半干旱草原为研究对象,于冬季布设增温、减雪、增温减雪互作及对照4种处理,探究了黄土高原典型草原0–5 cm土层土壤养分、酶活性、土壤细菌群落组成对冬季温度和积雪变化的响应规律。结果表明:(1)冬季增温、减雪及互作均提高了0–5 cm土壤温度,降低了土壤相对湿度,但却显著增加了土壤冻融循环次数;(2)与对照相比,不同处理整体上降低了微生物生物量及其多样性,降低了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)、碱性磷酸酶(AKP)活性,增加了土壤有机碳、全氮、速效磷及铵态氮含量,硝态氮含量有所下降;(3)研究区土壤细菌以酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、芽单胞菌门为主,优势菌纲以酸杆菌纲、γ-变形杆菌纲、嗜热油菌纲及σ-变形菌纲为主。冗余分析显示,速效磷含量对细菌群落构成影响最显著,对群落变异的解释度为21.3%。总之,冬季气候变化可通过影响土壤温湿度,特别是冻融循环进而作用于土壤养分循环、酶活性和土壤细菌多样性变化,这些结果对丰富和拓展气候变化对草地生态系统影响过程与机制的认识,准确预测典型草原中长期动态变化具有重要意义。