气候暖干化导致高寒地区泥炭地土壤氮排放急剧增加,但是潜在的微生物调节机制尚不清楚.本文综述了高寒泥炭地土壤氮转化与排放过程对温度升高、水位变化的响应,土壤厌氧氨氧化(Anammox)与NO3-异化还原过程的相互作用,土壤N2O产生路径及其贡献.当前研究的不足体现在:1)只关注土壤N2O排放,忽视了 N2的释放,导致高寒地区泥炭地氮的损失量被严重低估;2)Anammox过程对泥炭地N2排放的贡献未被量化;3)Anammox、细菌反硝化和真菌协同反硝化过程对N2损失的相对贡献缺乏定量评估;4)气候暖干化情景下Anammox和NO3-还原过程的解耦机制尚不清楚.未来研究重点应着力于:构建野外增温、水位控制暖干化模拟试验平台,结合稳定性同位素、分子生物学和宏基因组学技术,围绕格局-过程-机理这条主线,系统评估高寒地区泥炭湿地氮排放(N2O、NO、N2)的量级、组成比例与主控因素,探讨土壤主要脱氮过程的相互作用规律,量化硝化、厌氧氨氧化和反硝化对N2O、N2产生的相对贡献,甄别对暖干化响应敏感的微生物类群,明晰土壤脱氮转变与微生物群落演替之间的耦联关系,揭示土壤脱氮过程对气候暖干化响应的微生物学机理.

全球变暖是当前全球气候变化的主要现象,影响着陆地生态系统的碳循环.森林土壤是陆地生态系统中最大的碳库,森林土壤有机碳及其不同组分的积累受到气候变暖的影响,许多研究普遍发现短期增温减少土壤有机碳及其活性碳组分,但尚不清楚这种负效应在长期增温下是否仍存在和有机碳组分是否变化.以鼎湖山季风常绿阔叶林为研究对象,采用红外辐射模拟增温,探究长期增温对南亚热带森林土壤有机碳及其组分的影响.2017-2021年的连续增温观测结果表明:与对照相比,在表层土壤中,增温处理下土壤有机碳含量显著增加4.5％,其中土壤重组有机碳库显著降低9.1％,轻组有机碳库显著增加9.8％,易氧化有机碳含量显著增加5.8％,但微生物生物量碳、可溶性有机碳、惰性有机碳和络合态碳含量不变.增温持续时间显著影响土壤有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳、轻组有机碳库、重组有机碳库、惰性有机碳和络合态碳.增温处理与增温持续时间的交互作用显著影响微生物生物量碳、易氧化有机碳和重组有机碳库,但对土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、惰性有机碳、络合态碳和轻组有机碳库无显著影响.综上所述,长期增温背景下南亚热带季风林的土壤有机碳因土壤活性有机碳组分的增加而增加,使总有机碳增加的生物调控作用可能比矿物保护作用强,但减少的惰性碳组分和增加的活性碳组分可能会使土壤有机碳稳定性下降.本研究结果探讨了南亚热带森林表层土壤有机碳及其组分对长期增温的响应,与大多数研究所发现的短期增温使表层土壤有机碳含量减少形成对比,结果可为预测未来该地区土壤碳库的变化特征提供科学依据和理论支持.

草甸生态系统具有强大的碳汇功能,在全球碳循环过程中发挥着重要作用.区域尺度草甸生态系统碳通量的精准模拟,可以为揭示草地碳循环对全球变化的反馈机制提供理论依据.生态过程模型则是分析和预测区域碳平衡的重要途径.以甘南州高寒草甸生态系统为研究对象,利用参数优化后的Biome-BGC模型,模拟1979-2018年高寒草甸总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)和净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP),以表征该区域碳收支的时空分布特征.以上述40年实测气象数据为基准,并结合第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 6,CMIP6)中的3种共享社会经济路径(Shared Socio-economic Pathways,SSPs)情景,对甘南州2019-2100年高寒草甸碳收支进行情景模拟.结果表明:(1)参数优化后的Biome-BGC模型能较好的模拟甘南州高寒草甸GPP和NEP,且GPP模拟对比NEP的模拟效果更好;(2)甘南州高寒草甸在整个研究阶段表现为碳汇,过去40年GPP、NEP波动范围为600-1100 g C m-2 a-1、150-300 g C m-2 a-1,GPP显著上升,NEP呈波动性上升趋势.未来暖湿化情景下,高寒草甸碳收支年际波动较大,NEP呈先上升再下降趋势,2060年前后出现极小值,年均增幅约为2.02 g C m-2 a-1,气温、降水和大气CO2浓度升高共同影响该地碳收支格局;(3)季节尺度上表现为冬春季节为碳源、夏秋季节为碳汇,植被生长季固碳作用增强.年内GPP、NEP呈倒"U"型变化趋势,峰值均出现在7、8月,低温以及持续增温对碳汇具有抑制作用,生长季降水量与植被生产力呈正相关;(4)碳汇/碳源的空间分布随时间而变化,具有明显的地域差异性,总体上碳汇增长率由西南向东北递减.

气候变化对青藏高原高寒区生态系统带来潜在风险,而植物叶片性状能反映出植物对气候变化的响应过程和机制.本研究在青海海北高寒草甸群落采用 自由空气红外加热法模拟增温,以高寒草甸8种主要植物叶片为对象,研究了增温对8种植物叶片性状的影响.结果表明:经过8年模拟增温,部分植物的叶片大小、叶脉密度、叶脉率、比叶质量、叶片碳同位素千分值等5种性状发生显著的变化,而碳氮含量和碳氮比没有显著的变化.植物叶片大小比植物其他叶片性状对温度变化的响应更敏感.增温对叶片性状具有显著的长期影响,但不同植物叶片性状的响应方向和程度存在显著差异.增温对不同分布类型和叶脉类型植物的叶片性状的影响存在差异.植物应对环境变化的对策多样,这表现在不同植物的同一性状对于气候的差异化响应,同时也表现在同种植物不同性状对于气候变化的协同响应.

为揭示羌塘草原2001-2020年植被时空变化格局及其影响因素,并预测气候变化条件下羌塘草原植被可能的变化趋势,本研究基于MODIS NDVI数据以及温度、降水和风速数据,探究了羌塘草原植被覆盖变化与气象因子的关系;利用随机森林、支持向量机和随机梯度下降回归3种机器学习算法建立NDVI预测模型,筛选模拟精度最优模型,进行多情景下植被变化模拟.结果表明:2001-2020年羌塘草原NDVI呈现轻微增加趋势,增长率为0.0003 a-1.NDVI对温度的响应滞后3个月,降水滞后0～1个月,NDVI与风速呈负相关且无滞后.随机森林算法的模拟精度最高(Adjusted R2=0.958).未来植被覆盖度整体提升的情景是增温1.0℃、降水增加25％、风速降低25％.研究结果有助于预警植被退化问题,为气候变化背景下该区域植被生态保护提供科学依据.

研究气候变暖对树木径向生长和生物量分配的影响,对准确评价气候变化背景下树木的固碳能力具有重要意义.该研究于2004年将4个纬度地点(从北往南依次为塔河、松岭、黑河和带岭)的落叶松(Larix gmelinii)幼树向南移植到黑龙江帽儿山森林生态研究站的同质园内,模拟气候暖化.在同质园和移栽来源地同步测定树木径向生长和生物量及其分配.结果表明:(1)气候变暖显著促进了松岭和塔河落叶松树木的径向生长,胸径(DBH)、树干距离地面10 cm处直径(D10)及其相对增长率和单位增温相对增长率均随增温幅度的增加而增大;松岭和塔河树木DBH的相对增长率分别为58.62％和101.49％,单位增温相对增长率分别为16.11％·℃-1和18.79％·℃-1.(2)气候变暖显著减小了塔河树木叶、枝和根生物量的占比,增大了树干和地上生物量的占比;气候变暖也显著减小了松岭树木根生物量占比,增大了树干生物量占比.气候变暖后,松岭和塔河树木根冠比均显著减小.气候变暖会影响落叶松树木的径向生长和生物量的分配,且这种影响因暖化程度的不同而存在一定的差异.

荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力(GPP)和蒸散(ET)如何响应全球气候变化,不仅是全球变化生态学研究的核心问题,也关乎干旱半干旱风沙区生态建设的可持续性.利用参数优化后的生物群区生物地球化学循环(Biome-BGC)模型和气象环境驱动数据,考虑不同气候变化情景和未来趋势,模拟了盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET对气候变化的响应.结果表明:(1)增温会显著抑制生态系统的GPP,大幅度的增温(3℃)会导致GPP急剧下降,但增温对ET的抑制作用非常微弱;(2)降水是限制ET变化的重要因素,相对于增温诱发干旱胁迫所引起的ET小幅下降,降水多寡则更直接地控制着生态系统的ET大小;(3)中国西北地区未来气候的"暖湿化"趋势和大气CO2浓度升高会对荒漠草原区人工灌丛生态系统产生综合驱动效应,增强陆地和大气间的碳水交换通量.研究成果可为干旱半干旱区应对全球变化及指导地方政府制定生态保护修复政策提供科学依据.

[目的]为探究短期增温和降水减少对沙质草地植物群落物种多样性、功能性状及生产力的影响,进一步揭示沙质草地植物群落特征对气候变化的响应.[方法]以科尔沁沙质草地植物群落为研究对象,利用开顶式生长室(OTC)模拟增温,研究降水减少0％、20％、40％和60％与增温的交互作用对沙质草地群落组成、物种多样性和功能性状的影响及群落特征与环境因子关系.[结果](1)短期增温和降水减少使沙质草地植物群落组成和物种优势度发生变化,其中优势物种猪毛蒿和达乌里胡枝子重要值显著降低,植物群落盖度和地上生物量显著降低.(2)短期增温显著降低Margalef丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数;短期降水减少对沙质草地物种多样性指标均无显著影响.(3)短期增温显著提高植物群落高度和叶干物质含量,显著降低叶片厚度;短期降水减少显著提高叶干物质含量和叶片厚度,显著降低植株高度和比叶面积.(4)短期增温是影响沙质草地物种多样性和功能性状的主要环境因素.[结论]短期增温和降水减少改变沙质草地群落特征,而且温度是影响沙质草地群落特征的主要环境因子.

狭叶坡垒(Hopea chinensis)种子为典型的顽拗性种子.为探究种子萌发对温度和水分的适应性,该研究在人工气候培养箱内设置3种温度(15、20、25℃),采用6个聚乙二醇(PEG-6000)浓度(0％、5％、10％、15％、25％和35％)模拟干旱胁迫处理,研究狭叶坡垒种子的萌发特性.结果表明:(1)温度对种子萌发具有显著影响.同一干旱胁迫浓度下,种子的萌发率、萌发势、萌发指数、胚根长、芽长和活力指数随着温度升高呈上升趋势,萌发时滞随温度升高而降低,萌发历期随温度升高而波动性上升.(2)干旱胁迫对种子萌发具有显著影响.同一温度下,种子的萌发率、萌发势、萌发指数、萌发历期、胚根长、胚芽长和活力指数随着干旱胁迫程度加重呈降低的趋势,萌发时滞随干旱胁迫程度加重而升高.(3)温度和干旱胁迫的交互作用对种子萌发具有显著影响.干旱胁迫下,不同温度条件下种子萌发的表现不同.在35％PEG-6000胁迫下,20℃和25℃时,种子萌发率分别为8.89％和15.55％,显著高于15℃(0％).综上所述,适宜种子萌发的温度为20℃和25℃,适宜幼苗早期生长最佳温度为25℃;干旱程度越大,种子萌发受到的抑制作用越强,干旱胁迫对种子萌发的影响高于温度因素,适当增温可缓解干旱胁迫对种子萌发的抑制作用.

林木细根物候是观测全球变暖影响的重要指标.全球变化背景下,细根物候不仅反映林木的生长状况变化,也揭示着陆地生态系统碳循环和地下碳分配动态.林木细根物候对气候变化的响应是全球变化研究的热点和难点,国内外已开展了大量研究工作,目前部分研究认为土壤增温将延长林木细根的物候期,并且北半球一些地区春季物候期、生长高峰期均提前,而大气增温有可能抑制细根生长,推迟其物候期,此外还有研究发现表层土壤中的根系物候受增温的影响可能比深层根系更大.同时,一些学者将细根物候与根际土壤环境、微生物和地上物候几个方面相联系以研究其响应机制,但细根物候如何响应气候变暖以及这些响应可能的机制仍未有定论.为此,该文系统阐述了全球变暖背景下林木细根物候的研究进展,以期为地下物候学研究以及林木对全球变化的响应和适应机制研究提供参考,并认为今后还需加强以下几个方面的研究:1)改进和探索更精确的模拟增温方式并开展更长时间尺度的量化研究;2)探究变化环境下林木根系不同功能模块(如吸收根/运输根,纤维根/先锋根)与其物候的联系,即将"环境-性状-物候"相关联;3)综合考虑根系物候的控制因素在不同地下物候相(根系生长开始、生长峰值、生长停止)、物种、土层的差异性;4)关注地下、地上物候相互关联及其对植物生产力影响的研究;5)增温与其他环境因子(CO2浓度、氮沉降等)综合作用下的林木地下物候与生态系统功能变化(如碳汇、养分循环等)间联系应是未来研究的重点方向.