全球变暖影响物种多样性和生产力及其关系.关于全球和区域的物种多样性与生产力关系已有许多研究,但气候变暖背景下西藏高寒草地物种多样性与生产力的关系及其环境驱动机制研究仍然很少.基于西藏高寒草地实测的35个样点调查数据,利用回归分析、Pearson相关性分析、方差分解和结构方程模型等方法,探究了物种多样性和生产力的关系及其影响机制.研究发现:(1)高寒草地的物种丰富度指数和香农-威纳指数与地上植被净初级生产力(ANPP)呈显著正相关关系,且ANPP对物种丰富度指数的变化更为敏感;(2)物种丰富度指数与经度、土壤有效氮、土壤有效磷、年降水量呈显著正相关;Shannon-Wiener指数与海拔和纬度呈显著负相关,与年均温度呈显著正相关;ANPP与经度、土壤有效氮、年降水量和年均温度呈显著正相关,与海拔、纬度和土壤有效钾呈显著负相关;(3)地理因子、土壤养分和气候因子的交互作用对物种丰富度指数和ANPP的贡献率最大,分别为10.99％和32.91％,地理因子和气候因子的交互作用对Shannon-Wiener指数的贡献率最大,为13.61％;(4)地理因子通过调控土壤养分和气候因子间接影响物种多样性和ANPP,土壤养分和气候因子均直接影响物种多样性和ANPP.研究结果揭示了环境因子对物种多样性和生产力的综合调控机制,为西藏高寒草地生态系统科学应对气候变化提供了依据.

地形是影响森林生产力和碳收支空间分布格局的主要环境因素.青藏高原地形复杂,森林类型丰富,是研究地形对森林碳收支格局影响的理想场所.然而,由于青藏高原森林区域的野外调查存在难度,目前对于地形因子对青藏高原森林碳收支动态的影响缺乏全面认识.因此,本研究旨在模拟青藏高原森林碳收支变化的时空格局并分析不同地形条件下森林生产力及碳收支动态的差异.本研究利用生态系统过程模型(FORMIND)模拟了青藏高原中高海拔森林总初级生产力(GPP)、地上生物量(AGB)及净生态系统交换量(NEE)在不同地形条件下的时空动态,并对模型在研究区的适用性及模拟结果的精确性进行验证,分析当前(2000-2014年)及未来(2015-2040年)生产力、碳收支状况,并利用XGBoost机器学习算法分析地形因子对GPP、AGB和NEE影响的相对重要性.结果表明,FORMIND模型模拟的青藏高原森林GPP(6.73±0.53 t C·hm-2·a-1)、AGB(167.23±17.45 t·hm-2)和 NEE(0.32±0.12 t C·hm-2·a-1)与样地调查数据和遥感观测数据基本一致,模拟结果可信.未来青藏高原森林AGB呈明显增加的趋势,GPP增加趋势不明显,NEE呈减少的趋势,但总体上仍表现为碳汇.森林AGB和GPP与海拔呈负相关,AGB和NEE与坡度呈微弱正相关,阳坡森林GPP、AGB和NEE均高于阴坡.相较于坡度和坡向,海拔对青藏高原森林生产力和碳收支动态的影响更大.本研究结果有利于深入了解青藏高原森林生产力和碳收支空间分布格局.

在掌握典型荒漠植物油蒿化学计量学特征沿随降水量变化的响应特征,并从叶片间的养分协调分配的角度阐明油蒿维持生产力的生物学机制,为气候变化背景下荒漠植被的演变预测提供依据.通过野外降水控制实验的方法,设置 6 个降水量梯度(减雨 70%、减雨 50%、减雨 30%、自然降水、增雨 30%和增雨 50%),分别测定不同降水量下油蒿群落生产力及叶片、土壤的化学计量参数.结果表明:1)降水量增加的情况下,油蒿群落土壤TP含量由于淋溶作用而显著降低;降水量减少情况下,油蒿林地土壤SOC、TN、TP含量并未改变.油蒿叶片的SOC、TN含量在降水增加时无显著变化、降水减少时含量增加,降水过多或过少都会降低叶片TP含量.2)不同成熟度的叶片养分元素含量对降水变化具有差异响应.成熟叶片养分含量容易受到环境的影响,幼叶养分元素含量较为稳定,在降水减少的情况下,油蒿优先将C、P分配给了幼叶,选择牺牲成熟叶以维持幼叶的生长.3)油蒿的生产力随降水量的增加而升高,油蒿ANPP在增雨 30%处理组达到最大值,但在增雨 50%时ANPP降低,这与过量的降水引发土壤养分流失有关.ANPP与幼叶TP含量相关性极显著,与成熟叶各元素含量相关性均不显著,由此可以推测,在降水变化的情境下,油蒿存在养分内在生物学调节机制以实现植株最优生产效率.

为明晰中等放牧强度下不同放牧家畜组合如何调控高寒草地地上净初级生产力,进而提高高寒草地管理水平,本研究以青藏高原东端高寒草地为对象,设置中等放牧强度下不同放牧家畜组合样地(牦牛、藏羊单独放牧及1∶2混合放牧)和不放牧样地,分析了不同放牧家畜组合下高寒草地植物群落特征、土壤理化性质及地上净初级生产力变化.结果表明:不同放牧家畜组合对物种丰富度与多样性指数无显著影响,但显著降低高寒草地植物群落的高度与盖度,并改变功能群重要值占比;藏羊单独放牧显著增加高寒草地土壤速效氮、磷含量以及土壤容重;放牧弱化高寒草地植物多样性对地上净初级生产力的调控作用并加强土壤环境因子的作用强度;牦牛、藏羊混合放牧时高寒草地地上净初级生产力、家畜采食量均最高.为提升高寒草地管理水平,建议基于中等放牧强度进行牦牛、藏羊适宜比例的混合放牧,采用植被-家畜-土壤耦合管理方式以实现高寒草地生态功能维持与可持续利用.

植物群落斑块化是天然放牧草地最基本的特征之一,影响着草地生态系统结构和功能.本研究以不同放牧强度下典型羊草草原植物群落斑块为研究对象,对植物群落多样性特征、初级生产力、土壤理化性质、植物养分含量及其相关关系进行研究.结果表明:随着放牧强度的增加,斑块群落内植物种类组成发生改变并趋于简单化,放牧敏感物种消失,物种多样性降低;高放牧强度显著降低了植物群落的地上净初级生产力;初级生产力与土壤氮含量具有显著的正相关关系;随着放牧强度增加,土壤碳、氮、磷含量呈现增加趋势;由于放牧强度及斑块结构的影响,土壤碳、氮、磷含量存在空间分布差异;同时,斑块群落中植被碳、氮、磷含量与土壤碳、氮、磷含量之间没有显著的相关性.研究表明,放牧能够改变草地群落结构和功能,引起植被-土壤养分之间的非同步性发展.

全球气候变化带来降水格局的改变.土壤呼吸是土壤碳库向大气释放CO2的重要途径,其对降水变化的响应对陆地生态系统碳循环和全球气候变化进程有着重要的意义.该研究收集了来自全球各地土壤呼吸对降水变化响应的控制试验结果进行分析,以揭示降水格局变化对土壤呼吸影响的普遍规律和控制机制.结果显示:增加降水促进土壤呼吸2％-135％,减少降水抑制土壤呼吸19％-24％,当降水改变量标准化到所有处理的平均值(当年当地降水量的41％)时,增加降水促进的土壤呼吸量(49％)显著大于减少降雨抑制的土壤呼吸量(21％).土壤湿度是降水变化下驱动土壤呼吸改变的主要因子,其一方面直接影响土壤呼吸,另一方面通过影响土壤微生物碳库、地上/地下净初级生产力来影响土壤呼吸,总解释度高达98％.同时土壤呼吸对降水变化的响应程度随着环境温度和降水量发生变化.土壤呼吸对降水增加的敏感性随环境温度的升高没有显著变化,但对降水减少的敏感性随着环境温度的升高逐渐增强.随着环境降水量的逐渐增加,土壤呼吸对降水增加和减少的敏感性均呈现下降趋势.说明在未来全球降水格局的改变下,土壤呼吸对降水变化的响应有很大的区域差异,受当地气候条件的影响.

为揭示凋落物去除和添加处理对草原生态系统碳通量的影响,2013和2014年连续两年在成熟群落围封样地进行凋落物去除实验、在退化群落放牧样地进行凋落物添加实验,并运用静态箱法探讨碳通量变化规律并分析其主要影响因子.结果表明:两种群落的净生态系统CO2交换(NEE)有明显的季节性变化.对成熟群落而言,去除50％凋落物显著增加了NEE,去除100％凋落物显著降低了NEE,而对生态系统总初级生产力(GEP)和生态系统呼吸(ER)均无显著影响;对退化群落而言,凋落物添加显著增加了GEP和NEE,而对ER无显著影响.两种群落的GEP与10 cm土壤温度显著正相关,但NEE和GEP的变化规律与土壤温度相反,与10 cm土壤湿度相同.由此可见,凋落物去除和添加处理对生态系统碳通量的影响主要是改变土壤湿度和地上生物量,而不是改变土壤温度.该研究为合理利用凋落物改善草地生态系统管理和促进草地恢复提供了理论依据.

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同期遥感EVI植被指数建立线性模型,反演了2000-2016年地上净初级生产力(ANPP),结合同时期气象数据,以生长季降水量(GSP)表征降水总体状况,改进的降水集度指标(PCI)表征生长季降水分配,降水重心(PC)表征降水集中时间,并结合生长季均温(GST),利用结构方程分析了气候因子对当雄草地降水利用效率和地上生产力的影响.结果表明:当雄草地ANPP主要受生长季降水影响,GSP与ANPP呈显著正相关,而GST与PUE、ANPP无显著相关关系;PCI与PUE呈显著正相关,表明降水集中分布有利于PUE增加;PCI与ANPP相关的间接系数大于直接系数,表明PCI通过PUE影响ANPP;降水集中时间(PC)变化则对PUE和ANPP没有显著影响.在青藏高原显著的气候变暖背景下,降水量和降水集度的变化都将会对藏北高寒草地的地上生产力产生重要影响.

基于2006-2015年青海海北站10年生物量及气候因子监测数据,分析了青藏高原高寒矮嵩草草甸生物量的季节及年际动态,并探讨了气候因子对其影响.结果表明:(1)季节尺度上,高寒矮嵩草草甸地上生物量表现为单峰变化曲线,8月为其峰值点,为(345.72±27.01)g/m2,代表了高寒草甸的地上净初级生产力.而地下根系的现存量变化较为复杂,其中5-7月呈现持续上升趋势,8月快速下降,之后9月份急剧,且各月份之间未达到显著水平(P＞0.05);年际尺度上,10年间高寒矮嵩草草甸地上生物量整体呈现波动增加趋势,2014年为其峰值点,达(437.12±32.01) g/m2.地下生物量呈现波动性变化,变异较大,10年间平均值为(2566.99±138.11)g/m2;(2)高寒草甸光合产物分配主要分布在地下,80％地下根系生物量分布于地表0-10 cm土层,且不同土层根系生物量占总地下生物量的比值在不同月份较为稳定.(3)气候因子中,大气相对湿度是影响高寒草甸地上生物量大小的主要因素;而气候因子对地下根系生物量的影响极为微弱.研究表明,高寒嵩草草甸对环境变化具有较高的自我调节能力,且高寒草甸的演化受制于人类干扰,而非气候变化.

生态学家对土壤呼吸开展了大量研究,但很少评估“底座”对土壤呼吸测量结果的影响,特别是底座入土深度和面积对土壤呼吸测定结果的影响.为此,该研究在内蒙古典型草原设置了2个底座面积(15 cm×15 cm和30 cm×30 cm)和2个底座入土深度(2 cm和5 cm)处理,采用气室法在植物生长季对土壤呼吸进行了测定,分析评估了底座面积和入土深度对土壤呼吸测定结果的影响.结果 显示:与底座入土较浅和面积较小的处理相比,底座入土较深和面积较大的处理,土壤呼吸测定值分别降低了8.0％-9.7％和9.1％-10.8％;这两个处理的底座内土壤温度显著升高,土壤含水量显著下降,地上净初级生产力显著降低.结构方程模型分析表明,底座入土较深、面积较大的处理,主要通过降低地上净初级生产力和土壤含水量,增加土壤温度,使土壤呼吸下降,各因子共同解释了土壤呼吸变异的89％.研究发现,在使用气室法测定土壤呼吸时,底座入土深度和面积对土壤呼吸测定结果具有显著影响,评估底座处理效应对准确测定土壤呼吸强度具有重要的意义.理论上,适当降低底座入土深度和底座面积大小,将有助于准确测定土壤呼吸.但在实践中,由于土壤异质性的影响,减少底座面积可能会增加新的测量误差,只能考虑适当降低底座入土深度.