生态系统突变是指生态系统在受到超过临界值的干扰后,系统由一种状态急剧变为另一种状态的过程.尽管寒旱区常见的土地沙漠化、草地退化属于渐变过程,但当干扰持续时间或干扰强度超过一定阈值时也可能发生突变.研究生态系统突变对寒旱区生态系统管理具有重要意义.本文综述了生态系统突变的内涵演变及预警研究的进展,分析了寒旱区常见的土地沙漠化和草地退化的问题,阐明了系统状态对不同胁迫的多种响应方式,提出了针对干旱荒漠区雨养人工固沙系统和高寒草甸演变过程及突变特点的研究框架.最后指出,未来需要甄别生态系统突变不同阶段的关键驱动因素,并确定相应阈值;重视极端气候事件诱发的水分限制型突变的发生机制和预警;推动突变研究成果在寒旱区生态系统管理中的应用.

在全球气候变化影响下,中国西北部干旱半干旱荒漠区降水格局发生显著变化,表现为极端降水和干旱事件增多,对荒漠植物群落结构和功能的影响引发广泛关注.以毛乌素沙地典型荒漠灌草植被黑沙蒿群落为研究对象,利用人工遮雨装置进行小区降水控制,设置降水量(W-:减水30％,对照组W:自然降水,W+:增水30％)和降水间隔(对照组T:降水间隔5d,T++:降水间隔15d)的双因素完全随机控制实验,监测各降水处理下黑沙蒿群落物种组成和生产力.结果表明:(1)与降水间隔5d的对照组相比,降水间隔期的延长显著提高了灌木和杂草的重要值,而降低了禾草的重要值.(2)与对照组自然降水相比,降水量的增加提高了黑沙蒿植物群落的多样性.(3)降水量的增加或降水间隔的延长均可以提高黑沙蒿的地上初级生产力.延长降水间隔会增加深层土壤的含水量,这有助于黑沙蒿对土壤水分的利用进而促进其生产力积累并增强了其在群落中的优势度.

为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40％、+20％、CK、-20％、-40％)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了 26.6％、27％、25.8％和26.8％;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55％;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价.

降水和生物多样性是维持干旱区荒漠草原生态系统平衡和稳定的关键因素,研究降水变化背景下荒漠草原植物多样性、微生物多样性以及二者相互关系具有重要的理论和实践意义.本文以宁夏盐池荒漠草原为研究对象,采用遮雨棚和滴灌技术模拟了5个降水梯度,分别为正常降雨量的33％、66％、100％(CK)、133％和166％(记为R33,R66,RCK,R133,R166),全面分析了降水变化对荒漠草原植物多样性和微生物多样性的影响.结果表明:(1)降水减少(R66)会显著降低植物群落的多样性和均匀度,降水增加(R133)会使植物群落丰富度显著增加(P＜0.05);(2)细菌群落的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Ace指数以及真菌群落的Ace指数随降雨量的增加显著增加,降水变化对真菌群落的Shannon-Wiener指数和Simpson指数影响显著(P＜0.05);(3)增水处理对土壤微生物群落β多样性有显著影响;(4)细菌与土壤碳氮比、碳磷比之间存在显著正相关关系(P＜0.05),真菌与土壤碳氮比、碳磷比及氮磷比之间均存在极显著正相关关系(P＜0.01);(5)植物群落多样性与细菌Shannon-Wiener指数显著正相关,与细菌Simpson指数、Ace指数及真菌Ace指数显著负相关(P＜0.05).因此,降水变化对荒漠草原植物多样性和微生物多样性产生了显著影响,且二者之间存在紧密关联,这不仅为模拟和预测荒漠草原生态系统对气候变化的响应和反馈提供借鉴,也为该地区的生态保护和恢复提供了科学依据.

物种编目是生物多样性研究和保护的基础,长期开展野生动物多样性监测、提供物种分布影像资料佐证对于更新本底物种编目至关重要.祁连山国家公园青海祁连县片区自东向西差异明显的自然生态系统孕育了诸多野生动物类群.2017年9月至2021年12月,为了调查该片区内雪豹(Panthera uncia)及同域分布物种本底数据,在雪豹适宜生境选取187个位点利用红外相机开展野生动物监测.调查期间,累积获得44946个有效相机工作日,收集独立有效照片14330张(含雪豹466张),共鉴定出野生动物78种,其中兽类5目12科27种,鸟类7目18科51种.记录到国家Ⅰ级重点保护野生动物9种,包含雪豹、荒漠猫(Felis bi-eti)、白唇鹿(Cervus albirostris)、马麝(Moschus chrysogaster)、藏野驴(Equus kiang)、胡兀鹫(Gypaetus barba-tus)、秃鹫(Aegypius monachus)、金雕(Aquila chrysaetos)和红喉雉鹑(Tetraophasis obscurus);国家 Ⅱ 级重点保护野生动物20种;"三有"动物40种.被IUCN红色名录评估为濒危(EN)的野生动物1种,易危(VU)3种,近危(NT)5种;被《中国脊椎动物红色名录》评估为极危(CR)、濒危、易危和近危的分别有3、5、7和17种.相对多度指数(RAI)排名前5位的兽类依次是岩羊(Pseudois nayaur,RAI=128.18)、喜马拉雅旱獭(Marmota himalayana,RAI=50.17)、赤狐(Vulpes vulpes,RAI=11.30)、灰尾兔(Lepus oiostolus,RAI=10.72)和雪豹(RAI=10.37);RAI 排名前 5 位的鸟类依次为赭红尾鸲(Phoenicurus ochruros,RAI=8.30)、藏雪鸡(Tetraogallus ti-betanus,RAI=5.18)、红嘴山鸦(Pyrrhocorax pyrrhocorax,RAI=3.87)、棕颈雪雀(Pyrgilauda ruficollis,RAI=4.32)和喜鹊(Pica pica,RAI=3.65).本次在祁连县境内监测到的斯氏高山?(Alticola stoliczkanus)、藏雪雀(Montifringilla henrici)和黄腰柳莺(Phylloscopus proregulus)为祁连山地区新记录物种.此外,红外相机还监测到较多的放牧活动(RAI=56.09).本研究为祁连山国家公园区域物种编目以及制定野生动物保护与管理政策提供了数据支持.

以塔里木荒漠区建群种胡杨(Populus euphratica Oliv.)为实验材料,研究3种典型异形叶的渗透调节物质和抗氧化酶活性沿地下水埋深(GWD)梯度的变化规律及适应干旱胁迫的策略.结果显示:(1)随GWD的增加,3种异形叶的相对含水量、叶水势、可溶性蛋白质(SP)含量和过氧化物酶(POD)活性呈降低趋势,水分饱和亏缺、游离脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量和丙二醛(MDA)含量呈增加趋势,而超氧化物歧化酶(SOD)始终保持较高活性且较稳定.(2)条形叶Pro、SS含量与GWD呈极显著正相关,卵形叶SS、SP含量与GWD呈显著正相关,锯齿阔卵形叶SS含量与GWD呈极显著正相关.(3)条形叶主要以Pro和SS协同维持细胞渗透势以应对水分胁迫,卵形叶以增强渗透调节能力(SP、Pro、SS)来提高其抗旱性,锯齿阔卵形叶则以SS、Pro维持细胞膨压,并通过POD、SOD清除活性氧(ROS)协同适应干旱的荒漠环境.

了解陆地生态系统的脆弱性和基本机制是适应和减轻全球气候变化影响的决策基础.生态系统的脆弱性可以通过生产力对气候变化的敏感性和适应性进行量化.采用1982-2018年青海省境内基于遥感的现实净初级生产力(NPPR)和气候驱动的潜在净初级生产力(NPPC),量化了高寒生态系统的敏感性(Sensitivity)、适应性(Adaptability)和脆弱性(Vulnerability).然后探讨了生态系统脆弱性的时空变化,并分别从人类活动和气候变化的影响方面分析了其基本机制.结果表明:(1)基于NPPR和NPPC的生态系统脆弱性在空间上呈现出中度脆弱的模式,脆弱性从东南向西北由不脆弱依次递增到极度脆弱等级.(2)耕地的脆弱性较低,基于NPPR和 NPPC的指数分别为-1.31和-0.93,这是由于其适应水平较高而敏感性较低;森林次之,指数为-1.18(NPPR)和-1.06(NPPC);草原的指数为-0.17(NPPR)和-0.17(NPPC);而荒漠的脆弱性较高,指数为0.77(NPPR)和0.78(NPPC),这是由于其敏感性较高,适应性较低.(3)基于NPPR的高寒草地的脆弱性有两个温度阈值(-2.2±0.8)℃和(5.5± 0.8)℃,一个降水阈值(387±45.6)mm,两个干旱指数阈值为(14.2±20.2)和(78.2±20.2).而基于NPPC的脆弱性也发现了同样的阈值,并且数值相似.阈值表明最佳气候条件下,生态系统将具有较高的适应性和较低的敏感性,即较低的脆弱性.但如果气温较低或较高,或者降水较低,生态系统的脆弱性将会更高.(4)人类活动对东部地区生态系统的脆弱性产生了强烈的影响,但就整个青海省的生态系统而言,这些影响在区域平均水平上较小.这项研究表明,在高寒脆弱的生态系统中,气候条件决定了脆弱性在空间上的分布情况,这应该被视为生态保护决策的理论基础.此外,本研究发现的阈值将为生态系统生态学提供一个案例研究,并应在世界各地的脆弱生态系统中广泛探索.

垫状驼绒藜(Krascheninnikovia compacta)群落分布于人迹罕至的极端寒冷、干旱的高海拔地区,是青藏高原高寒荒漠最为典型且分布较广的植被类型.该群落已有的研究多为定性描述,均未提供珍贵的样方数据.本文以2018、2019及2022年野外调查数据和相关文献资料为基础,记录整理了垫状驼绒藜群落的空间分布、群落特征、群落结构及其气候等环境特征,构建了垫状驼绒藜群落数据集.数据集结果显示:(1)垫状驼绒藜群落主要分布在青藏高原的中昆仑山、北天山、阿尔金山、当金山山口;(2)垫状驼绒藜群落的高度、盖度、生物量和物种丰富度均相对较低,22个典型样地共记录到种子植物29种,分属11科22属;其生活型以地面芽植物居多,共18种,占植物总种数的62.07％,主要为多年生禾草和多年生杂类草;(3)群落结构简单,恒有度＞50％的仅有垫状驼绒藜,灌木层、草本层都未出现次优势种,伴生种、偶见种居多(93.10％);(4)群落垂直结构可划分为2层,第一层是以垫状驼绒藜为主的稀疏垫状小半灌木,第二层是稀疏的草本层;(5)群落的生长环境具有气候寒冷、降水少且集中于最暖季的高寒荒漠气候特点.本数据集是国内目前已知唯一垫状驼绒藜群落数据集,是揭示垫状驼绒藜群落物种组成和结构等特征的重要凭证,数据集中的地理气候信息和群落物种信息可为垫状驼绒藜群落研究及《中国植被志》的编研提供基础数据.

局域取样单元对beta多样性的贡献可用于测度每个局域群落物种组成的生态特异性(ecological uniqueness).温带荒漠生态系统广泛分布于全球干旱和极端干旱区域,极易受到气候变化和人类活动的影响.然而目前温带荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其形成机制的系统研究还很缺乏,制约着我们对荒漠植物群落多样性维持机制的认知.本文在温带灌木、矮半乔木及草原化灌木荒漠等6个中国温带荒漠区的主要地带性植被类型中设置了948个样方,通过开展系统的野外调查采样和室内分析,以及量化每个取样单元对beta多样性的贡献,并结合土壤和气候变量等环境数据,探讨了中国荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其影响因素.结果表明:(1)温带荒漠植物群落生态特异性存在显著的经度、纬度和海拔分布格局,随着经度增加显著降低,但随着纬度或海拔的升高呈现出先下降后增加的变化趋势;(2)土壤、气候、群落特征(植物物种丰富度和群落盖度)对植物群落生态特异性都有着显著的单独影响,植物群落生态特异性随着物种丰富度增加呈先下降后上升的变化趋势;经度、土壤、气候和植物群落特征共同解释了温带荒漠植物群落生态特异性33.5％的空间变异,其中气候因子有着更强的单独解释率.上述结果说明环境过滤和中性过程以及其他未知过程共同调控了温带荒漠植物群落的生态特异性大尺度分布格局的形成,且气候和土壤因素的过滤作用有着重要影响.

NAC转录因子在植物胁迫应答中起关键作用,单叶蔷薇(Rosa persica)主要分布于我国新疆,研究其耐旱能力对治理荒漠地区生态问题具有重要意义.对单叶蔷薇NAC基因家族进行全基因组鉴定,分析基因家族特征和表达模式,利用RT-qPCR验证NAC基因在干旱胁迫下的表达情况.NAC基因家族的基因特征变化较大,而基因结构和基序相对保守.启动子分析表明RbeNAC在调节激素合成和适应环境胁迫方面具有重要作用.基于转录组数据分析发现RbeNAC基因的表达表现出组织特异性和对干旱胁迫的响应.实时荧光定量PCR(RT-qPCR)结果表明,7 个基因(RbeATAF、RbeSOG1、RbeNAC17、RbeNAC71、RbeNAC72、RbeNAC90 和RbeNAC96)在根和叶中积极响应干旱胁迫.本研究鉴定了单叶蔷薇NAC基因,初步探究了不同基因可能发挥的功能,获得了 7 个响应干旱胁迫的候选基因,为后续开展单叶蔷薇抗逆性育种提供参考依据.