草原土壤的碳氮分布与CO2排放通量的相关性分析

利用静态暗箱法,对内蒙古锡林河流域的贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、克氏针茅(Stipa krylovii)等草原群落样地的CO₂排放通量进行了测定;同时采集各样地的不同层次土壤混合样,分析其中有机碳和全氮的含量,探讨其与CO₂排放的相关性.结果发现:不同样地群落的CO₂排放与其土壤中不同层次的有机碳和全氮含量呈高度正相关,相关系数(R)均0.8以上,说明在环境因子相对稳定的情况下,土壤有机碳和全氮含量直接或间接地决定生态系统CO₂排放通量的变化.另外,土壤不同层次的有机碳和全氮含量随深度增加递减,其中70%以上集中在0～30cm土层中,说明它们主要是来自地表有机质的分解;在0～100cm的土层中,土壤有机碳和全氮的总含量从贝加尔针茅草原、大针茅草原、羊草草原和克氏针茅草原依次减少,表明降水量、蒸发量和干燥度是影响土壤有机碳、全氮分布的重要因子.     

内蒙古温带草原羊草叶片功能特性与光合特征对外源氮输入的响应

以内蒙古锡林河流域羊草草原典型植被羊草(Leymus chinensis)为研究对象,探讨了4个不同氮素输入水平(0、5、10和20g·m-·2a-1)下羊草叶片功能特性与光合特征的响应,并分析了外源氮输入背景下草地生态系统固碳潜势的变化.结果表明:中等水平施氮(10g·m-·2a-1)显著增加了羊草叶面积、叶绿素相对含量、叶氮浓度与净光合速率,但与中氮相比,高氮(20g·m-·2a-1)输入下却有所下降;施氮不仅对叶片净光合速率有一定程度的促进作用,而且延长了光合作用高峰期的持续时间;随着氮素添加梯度的增加,羊草叶片蒸腾速率降低,瞬时水分利用效率增高,气孔导度增大,胞间CO2浓度逐渐减小.从光合固碳的角度来看,适量的外源氮素输入有利于草地生态系统固定更多的CO2.     

放牧对内蒙古草原温室气体排放的影响

静态箱-气相色谱法用于测定内蒙古典型草原温室气体排放.禁牧草原及放牧草原吸收CH₄、排放N₂O和CO₂各自有其相对固定的季节变化形式,草原和大气交换温室气体通量的季节变化形式主要受年度气候变化所控制,而土壤、植被类型、降雨量等禁牧因素和放牧强度等人为因素仅影响排放强度.与禁牧草原相比,自由放牧降低了羊草草原对CH4的吸收和对N₂O的排放,但大大增加了CO₂的排放量.随着放牧强度的增加,草原温室气体排放强度呈线性迅速增长.     

羊草草原和贝加尔针茅草原生态系统呼吸的差异分析

应用静态暗箱-气相色谱法对羊草草原和贝加尔针茅草原的生态系统呼吸CO2通量进行了测算,分析了生态系统呼吸的影响因素,比较了2种草原生态系统呼吸的差异并分析了产生差异的原因.观测期间羊草草原生态系统呼吸CO2通量平均为(12.03±2.10)mg·(m2·min)-1,显著低于贝加尔针茅草原[(20.09±4.41)mg·(m2·min)-1];而羊草草原生物量显著大于贝加尔针茅草原(p0.001).羊草草原和贝加尔针茅草原生态系统呼吸都与温度(箱内气温、5cm和15cm地温)具有显著的指数函数关系.通过偏相关分析发现,在地温作为控制变量时,生态系统呼吸与土壤Eh、pH间不再具有显著的相关性,Eh、pH对CO2通量的影响可能是由地温变化间接引起的,而CO2通量与活体生物量呈现出了一定的相关性,与凋落物生物量无显著相关性.2种草原的CO2通量都可以用温度指数模型进行很好地模拟,基于地温的模拟效果(R2为0.568～0.639)显著好于基于箱内气温的(R2为0.323～0.426).地温是2种草原生态系统呼吸最重要的影响因素,它掩盖了地上部植物体对生态系统呼吸的影响.在该区域,土壤呼吸占生态系统呼吸比例较高,贝加尔针茅草原较高的有机质含量导致了其生态系统呼吸CO2通量较高.     

氮输入对沼泽湿地碳平衡的影响

以小叶章沼泽化草甸为对象,利用静态箱-气相色谱法,在三江平原进行野外原位试验,研究氮输入对沼泽湿地碳平衡及其各分量的影响.氮素输入后,沼泽湿地生态系统总初级生产力提高,生物量增大,分别比对照处理增加了10%和26.8%.同时,CH₄和生态系统呼吸CO₂排放量提高,而生态系统CO₂净交换(NEE)和净碳(CO₂和CH₄都转化成对应的碳)交换降低,CO₂、CH₄和NEE的季节变化动态未改变.2004年整个生长季氮输入处理的CO₂和CH₄排放量分别比对照处理升高了34%和145%,NEE和净碳交换分别降低了70%和81.6%,但整个生长季2个处理仍然表现为碳的净吸收.氮输入没有改变沼泽湿地碳“汇”的功能,只是减弱了其作为碳“汇”的功能.     

羊草草原碳循环过程的模拟与验证

根据内蒙古典型羊草草原碳通量和生物量观测数据,验证VIP(Vegetation Interface Proces-ses)模型,并模拟分析1958—2007年该生态系统碳循环特征及其与环境因子的相关关系。结果显示:VIP模型能够较准确地模拟地上生物量(R2=0.70)和净生态系统生产力NEP(R2=0.57)的变化趋势。羊草草原生态系统总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)和生态系统呼吸(Re)在1958—1973年间下降,1973—1993年间增长,1993年后又出现下降的趋势。与环境因子的相关性分析表明,GPP、NPP和Re随CO2和降水的增多而增大,随温度升高和降水的减少而降低,其中降水量与碳通量相关性最高,呼吸与温度、降水、CO2均存在一定程度的正相关关系。NEP年际变化较大,主要受控于年降水量,以228 mm为界,年降水量大于此值时,NEP为正的概率较大。     

长江流域植被净初级生产力对未来气候变化的响应

研究基于气象观测和B2气候变化情景数据,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟了1981—2000年和2010—2050年两个时段内植被NPP的空间分布格局及其时间变化趋势并分析了其时空变化与气温和降水量的关系。研究表明1981—2000年流域内植被NPP的空间分布大致呈现自西向东、自北向南递增的趋势。未来长江流域气温将整体增加,但各地增温幅度不同。流域降水量有增有减,主要增加区域位于长江源头和上游及中游的江北地区。未来在气温增加幅度较小而降水量增加的区域,如长江源头和上游的青海、西藏、川西及云南的部分地区的植被NPP将增加。在气温增幅较大而降水量减少或者降水量增加不多的区域如长江中游和下游的广大地区植被NPP将减少。从植被类型来看,长江流域大部分森林、郁闭灌丛和农作物的NPP在B2气候变化情景下将减少,每年减少量分别在0~4.5 gC.m-2、0~2 gC.m-2和0~2.5 gC.m-2之间。高寒草甸、草地和稀疏灌丛的NPP将增加,每年增长量介于0~2 gC.m-2之间。     

锡林河流域生长季节不同草地类型根系呼吸特征研究

采用根系生物量外推法于2005年生长季对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了野外测定,研究了不同草地类型土壤总呼吸、根系呼吸和根系呼吸占土壤总呼吸比例的季节变化规律,同时就根系生物量和水热因子等环境要素对上述过程的影响进行了具体分析.结果表明,3个样地根系呼吸和土壤总呼吸的季节变化规律基本一致,均表现为单峰曲线,峰值出现在7月下旬,但羊草退化草原受过度放牧的影响,根系呼吸和土壤总呼吸速率均明显高于其它2个样地;根系呼吸占土壤总呼吸的比例在生长季节内波动明显,且3个样地差异较大,但大多介于40%～50%之间,平均值为40.3%.     

人为干扰对典型草原土壤碳密度及生态系统碳贮量的影响

为了了解不同人为干扰形式对典型草原碳贮量的影响,对采取了不同干扰形式（包括开垦,放牧,禁牧2年、禁牧7年和禁牧17年）的典型草原试验样地的土壤碳密度及总碳贮量进行了研究。研究结果表明,0～20cm深土层土壤碳密度在不同干扰之间表现出明显差异(F=78.702, P<0.000 1),其由大到小的排列顺序为禁牧17年>禁牧7年>禁牧2年>放牧>开垦,分别为4.47、4.23、4.01、3.7和2.27kg/m²;0～50cm土层土壤碳密度除开垦明显低于干扰形式以外,几种干扰间没有表现出明显差异;人为干扰对土壤碳密度的影响主要表现在土壤的表层（0～20cm）,对深层土壤的影响不明显。不同干扰形式下碳贮量中都以土壤碳库占有最大的比重,一般在86％～93%之间;根系所占比重在6％～13％之间;植物地上部分所占比重与枯落物大致相当,一般低于1％（开垦除外）。基于0～20cm土壤碳密度计算的总碳贮量分别为5.74 kg/m²（禁牧17年）、5.22 kg/m²（禁牧7年）、4.83 kg/m²（禁牧2年）、4.39 kg/m²（放牧）、2.67 kg/m²（开垦）,不同干扰类型间达到了显著差异（F=8.711,P<0.01）;基于0～50cm土壤碳密度计算的总碳贮量也表现相同的变化趋势。本研究得出如下结论：人为干扰对典型草原土壤碳密度及总碳贮量具有明显影响,即开垦和放牧导致土壤碳密度和总碳贮量明显下降,而禁牧则可以提高土壤碳密度及碳贮量。因此,从提高碳贮量的角度来看,应该严格禁止典型草原的开垦行为,鼓励实行适当的禁牧制度。图5表2参16     

应用根去除法对内蒙古温带半干旱草原根系呼吸与土壤总呼吸的区分研究

2005年生长季分别对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原中的土壤总呼吸速率和去根土壤的呼吸速率进行了野外测定,初步探讨了在草地群落应用根去除法间接进行根系呼吸测定的可能性,并应用该方法对草地群落根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了估测. 结果表明,应用根去除法在不同草地群落进行根系呼吸占土壤总呼吸比例的估测是切实可行的,其比值范围介于25%～45%之间,平均值为3566%,与国内外相关研究比较,大大提高了其比值的估测精度,在草地碳循环研究中具有较高的应用价值.     

气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响

论文利用通用陆面模式CLM4.0-CN对全球陆地生态系统生物地球化学循环过程进行模拟,分析气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响。结果表明：气溶胶直接辐射效应使2007年全球陆地生态系统平均总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）、异养呼吸（R_H）、自养呼吸（R_A）以及净生态系统生产力（R_eco）都呈现出增加的态势。具体的变化特征则随着地区不同而表现出极大的差异,在非洲中西部、中国中东部、美国东南部和欧洲中南部地区GPP增加,在南美洲亚马逊地区及东南亚等地区GPP减少。NPP和R_A与GPP的分布基本一致。分析发现,气溶胶直接辐射效应导致陆地生态系统碳循环发生变化有如下两方面原因： 1）散射施肥效应,即植被阴生叶可以吸收的散射辐射（光合有效辐射）增加使其光合速率增加;2）辐射变化导致温度和湿度条件发生变化,从而改变植物生物物理和化学过程速率。     

放牧与围栏羊草草原土壤呼吸作用及其影响因子

基于静态箱式法连续2a的测定资料,比较分析了内蒙古典型羊草草原放牧与围栏样地土壤呼吸作用及其与各影响因子的关系.结果表明:①围栏内外土壤呼吸作用日、季动态差异不大,但围栏样地土壤呼吸速率明显高于放牧样地,其平均值分别是219.18 mg·(m²·h)^-1和111.27 mg·(m²·h)^-1,围栏样地土壤呼吸作用的升高可能与地下生物量增加和土壤水分改善有关;②对影响土壤呼吸作用的因子分析表明,放牧使土壤水分和相对湿度的影响明显降低,而对气温、大气CO₂浓度和光合有效辐射的影响并不大,且放牧使羊草净光合速率的影响明显增加,而对气孔导度和胞间CO₂浓度影响不大;③围栏样地土壤呼吸作用与各影响因子的相关性从大到小依次为土壤水分、净光合速率、气温、相对湿度、大气CO₂浓度、胞间CO₂浓度、气孔导度和光合有效辐射,其中土壤水分和气温是影响土壤呼吸作用的主要环境因子,净光合速率是主要的生物因子.尽管放牧改变了土壤呼吸速率,但土壤呼吸作用各影响因子的排列顺序基本上没有改变,只是发生了量的变化.     

人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响研究

净初级生产力是草地生态系统生产能力的体现,同时也是草地生态系统固碳能力的重要指标。论文利用MOD17A3净初级生产力数据（NPP）与气象资料,分析了2001—2010年人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响。研究表明：1）锡林郭勒盟草原实际净初级生产力（NPP_A）介于41.32~362.27 g C·m^-2·a^-1,均值为150.78 g C·m^-2·a^-1,有较明显的水平地带性规律,由东向西逐渐减小,草甸草原最大,典型草原次之,荒漠草原最小;2）锡林郭勒盟草原人类活动影响的净初级生产力（NPP_H）介于-185.07~153.92 g C·m^-2·a^-1,均值为-34.80 g C·m^-2·a^-1,人类活动负作用占草原总面积的93.4%,人类活动正作用仅占6.6%;3）人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响主要是由负作用向正作用转变,且空间分布有明显的南北界线,南部表现为负作用增强,北部为正作用增强。研究可为锡林郭勒盟草地资源的管理和可持续利用提供参考依据。     

渭河流域植被WUE遥感估算及其时空特征

论文基于估算NPP的CASA模型和估算ET的三角形模型对水分限制因子算法进行改进的基础上,构建了由NPP子模型和ET子模型组成的WUE遥感估算模型,以2010年相关MODIS影像和气象参量为数据源,实现了渭河流域WUE的估算,并对WUE的时空特征及其与年内气温、降雨的关系进行了分析。研究表明：1）WUE模拟结果与通量观测数据以及生态系统模型模拟结果均具有一定的可比性,各模型模拟结果存在差异可能与WUE定义、模拟区域、使用数据源以及使用植被覆盖分类底图等存在差异有关;2）渭河流域WUE年内分布呈现微“双峰”型格局,以8月最高,春、夏、秋、冬四季WUE分别为0.57、1.05、0.66、0.12 gC·m^-2·mm^-1,呈现夏季>秋季>春季>冬季的特征;3）渭河流域WUE空间分布呈现子午岭、黄龙山、六盘山以及秦岭北坡等林区高,西安市建成区、子流域上游低植被覆盖区以及局部旱作农业区低的分异特征;4）渭河流域尺度上,WUE随年内气温和降雨的变化均呈现5阶段的变化特征,但变化形式存在差异。     

黄土高原半干旱区土壤呼吸对土地利用变化的响应

明确土地利用方式变化条件下引起土壤呼吸差异性的因素,对预测黄土区退耕还草条件下土壤碳循环变化有重要意义。基于建立于1984 年的长期定位试验,于2011 年3 月至2012年12 月,利用Li-8100 系统(Li-COR,Lincoln,NE,USA)监测了退耕还草(苜蓿)处理和农田(冬小麦)土壤呼吸季节变化以及土壤表层(0~5 cm)温度和含水量,研究了土地利用变化下土壤呼吸变化特征及其与土壤温度、水分以及有机碳特性之间的关系。结果发现,退耕27 a 来(自1984年麦地转化为苜蓿地),土壤呼吸速率苜蓿地(3.55 μmol·m^-2·s^-1)达小麦地(1.36 μmol·m^-2·s^-1)的2.61 倍,累积呼吸量苜蓿地(981 g·m^-2)达小麦(357 g·m^-2)的2.75 倍。土壤呼吸温度敏感系数(Q₁₀)苜蓿地较小麦地2011 年提高24.5%,2012 年提高2.4%。苜蓿地SOC含量(10.5 g·kg^-1)较小麦地(6.5 g·kg^-1)提高61.5%,微生物量碳(204 mg·kg^-1)较小麦地(152 mg·kg^-1)提高34%,0~5 cm土壤水分含量同期高于小麦地,但二者土壤温度差异不显著。土壤水分、SOC、微生物量碳等是造成二者呼吸差异的因素。