植物根呼吸是土壤呼吸的主要组成,研究根呼吸对生态系统碳收支及碳平衡有重要意义.采用13C脉冲标记技术,在3种供水条件下,对比不同根离体时间(标记后0,6,24,48,216,360 h)的白羊草离体根呼吸速率和根呼吸释放的δ13C同位素比值变化,分析根参数与离体根呼吸相关性.结果表明:1)不同离体时间的离体根呼吸速率变化趋势一致,3种供水条件下无显著差异,均在0-20 min急剧下降,下降范围为32％-39％.2)测定离体根呼吸释放的δ13C在不同离体时间的变化,为实时监测转移到白羊草根系的13CO2在根部释放的过程提供了新思路;不同离体时间,3种供水条件下根呼吸释放的δ13C在2h内均值大小呈:供水充分＞轻度胁迫＞重度胁迫.随离体时间(0-360 h)推移根呼吸释放的δ13C均值先增大后减小,在216 h达到峰值31.46‰;3)离体根呼吸速率和根呼吸释放的δ13C受根系根面积、比根面积、N含量、C/N及根组织δ13C的影响显著.4)轻度水分胁迫可促使根系生长(C固定)和根呼吸(C代谢)同时增加.

在气候变化背景下,干旱频率和强度的增加将对森林生态系统的碳循环过程产生重要影响,掌握土壤呼吸及其敏感性对干旱的响应规律有助于评价土壤在碳收支过程中的源汇角色.本研究用顶棚法野外模拟毛竹林干旱下凋落物不变(LU)、添加(LA)、移除(LR)处理对土壤呼吸动态及其温度敏感性的影响和滞留效应.结果表明:对照(自然降雨)和干旱条件下凋落物不变处理年均土壤呼吸速率分别为3.15和2.34 μmol·m-2·s-1.凋落物移除处理较凋落物添加处理对土壤呼吸的影响大,对照和干旱条件下凋落物移除处理较不变处理分别下降21.0％和20.9％,仅干旱条件下凋落物添加处理较不变处理增加5.3％;说明干旱条件下凋落物添加和移除处理对土壤呼吸的影响均较不变处理明显.干旱条件下土壤呼吸的温度敏感性较对照降低8.4％,凋落物添加处理和凋落物移除处理温度敏感性分别下降15.4％和7.6％.对照和干旱条件下18个月土壤碳累积排放量分别为7.35和5.40 kg CO2·m-2,对照和干旱条件下凋落物添加处理较不变处理分别增加1.8％和10.7％,凋落物移除处理分别下降19.9％和18.0％.凋落物添加处理或移除处理对毛竹林土壤呼吸速率的影响呈非线性,因土壤水分的减少直接影响根系生长和微生物活性致使滞留效应明显,干旱条件下凋落物量对土壤碳排放的影响更明显,凋落物量的变化是气候变化背景下土壤碳排放不可忽视的影响因素.

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要.基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价.研究结果表明(1)在生长季(5-9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0-40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134mm,6-9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分.

激发效应是外源易分解有机质输入在短时期内改变原有土壤有机碳矿化过程的自然现象,是联系土壤有机碳收支过程之间的关键环节,对于土壤有机碳库的积累和稳定具有重要意义.土壤微生物对外源有机质输入的响应是形成激发效应的内在驱动力.外源有机质促进或抑制土壤有机碳矿化的微生物机制主要包括:外源有机质促进多种类群微生物及其分泌胞外酶的协同作用,外源有机质驱使特定类群微生物加强对受限资源的利用,外源有机质的化学计量特征导致微生物对适宜分解底物的选择性利用.对于激发效应现象更符合哪一种理论的解释,以及何种类群微生物主导了激发效应过程,目前尚未形成普遍共识.外源有机质总量、化学组成和碳氮比以及温度、水分等环境因子,都可通过影响微生物对外源有机质和土壤有机质的利用从而作用于激发效应.针对现有研究存在的争议与不足,今后需利用新兴技术手段进一步明确不同微生物类群在激发效应过程中的作用,并从外源有机质化学计量特征与微生物需求之间均衡关系的角度展开研究,以期促成激发效应研究与生态化学计量学相关理论的融合与发展.

细根是植物吸收水分和养分的主要器官.全球变暖背景下,研究森林细根生物量及其环境因子的变化对生态系统碳平衡、碳收支及其贡献率具有重要意义.采用土钻法和室内分析法对青海省森林6个海拔梯度上5种林分类型的细根生物量和土壤理化性质进行测定,并分析了与环境因子之间的相互关系.结果 表明:(1)青海省森林0-40 cm土层总细根生物量平均为8.50 t/hm2,随着海拔梯度的增加先降低后升高,不同海拔梯度细根生物量差异显著(P＜0.05),最大值出现在2100-2400 m处.(2)5种林分0--40 cm土层总细根生物量为:白桦＜白杨＜云杉＜圆柏＜山杨,不同林分间细根生物量差异不显著.(3)细根垂直分布随土层深度增加而减少,且70％的细根集中在表层(0-20 cm).(4)土壤容重深层(20-40 cm)显著大于表层(P＜0.05),并随海拔梯度逐步增加,且林分间差异较大.(5)全碳(Total carbon,TC)、全氮(Total nitrogen,TN)、全磷(Total phosphorus,TP)含量表层显著高于深层.TC、TN随海拔升高先增后降低,TP则随海拔逐步降低.不同林分间土壤养分差异较明显.(6)结构方程模型分析得到海拔、土层、容重直接影响细根生物量,细根生物量直接影响土壤养分.林分类型通过土壤容重间接影响细根生物量.因此,林分和海拔通过影响土壤微环境而影响到细根生物量及其空间分布格局.

为准确揭示三江源区退化高寒草甸生态系统的水分收支状况,本文利用涡度相关系统(EC)和蒸渗仪对退化高寒草甸的蒸散进行了连续观测,结果表明:两种方法测定的蒸散量年变化趋势一致,涡度相关法测定的年蒸散量为481 mm(约占降水量的86％),低于蒸渗仪法的558 mm.涡度相关法的湍流能量与有效能的闭合度(EBR)年均值约为0.78,生长季的EBR要高于非生长季;当摩擦风速(u*) ＜0.25 m·s-1时,EBR随u*的增大而增加,当u* ＞0.25 m·s-1时,EBR随u*的增大无明显变化.此外,土壤热通量相对于太阳净辐射的滞后可能也是导致能量不闭合的原因之一.随着净辐射、温度和风速的升高,涡度相关法测定的蒸散逐渐接近于蒸渗仪法的测定值,而土壤含水量对两种方法观测蒸散的影响不明显.本研究结果说明,涡度相关和蒸渗仪法测定的蒸散具有较好的相关性,但涡度相关法可能会低估该生态系统的蒸散量.

土壤水分是黄土高寒区水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素,基于地统计学研究土壤水分空间分布及其盈亏状况,揭示林地土壤水分的空间分布规律、变异特征及空间结构,对于区域植被恢复具有重要价值.以大通县安门滩小流域人工林地作为研究对象,运用地统计学方法对其5月、7月和9月的土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量进行综合分析.研究结果表明:(1)土壤储水量总体表现为9月＞5月＞7月,而林地耗水量为7月＞9月＞5月,5-7月绝大多数林地的土壤水分呈亏损状态,而7-9月所有林地土壤水分都得到了补充,总体来看,5-9月研究区多数林地的土壤水分有所盈余,土壤储水量、林地耗水量和土壤水分盈亏量均采用指数模型作为最优理论变异函数模型;(2)5月、7月和9月土壤储水量呈南高北低、西高东低的空间分异规律,且西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈;各月林地耗水量在西南-东北方向变异较东南-西北方向剧烈,总体表现为西南部区域低于东北部区域;在5-7月、7-9月和5-9月这三个时期内,土壤水分盈亏量的取值均呈现出东北部区域小于西南部区域的特点.综上,当地土壤水分状况与林地耗水量分布格局并不完全匹配,虽然绝大部分林分能够维持土壤水分收支平衡,但部分山脚处的青杨林地和中部区域的华北落叶松林地出现了土壤水分亏损的现象.为防止林地水分环境恶化,在之后黄土高寒区的植被建设过程中,应适当调整林分配置.

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环重要组成部分,降雨作为扰动因子对土壤呼吸动态的改变将直接影响全球碳平衡.探讨降雨对土壤呼吸的作用机制是陆地生态系统碳循环和碳收支研究的重要内容.本文综述了近年来国内外学者关于降雨引起的干湿交替对土壤呼吸影响机制的研究进展,阐述了土壤水分对土壤呼吸的影响及其机理.土壤水分在适宜范围内促进土壤呼吸,过高或过低均抑制土壤呼吸;降雨引起的干湿交替通过改变土壤水分影响土壤呼吸.一方面,干旱条件下,降雨引起的干湿交替主要通过短时间置换土壤中CO2、增加土壤微生物呼吸底物、提高微生物活性、增强凋落物分解速率等途径提高土壤呼吸速率.另一方面,湿度较高的土壤经过短时间降雨迅速达到水分饱和或积水状态,降雨引发的干湿交替通过限制O2进入土壤,形成厌氧环境,抑制微生物和根系呼吸.此外,降雨引发的干湿交替还通过地表积水淹没部分植株,降低植物叶面积,减少光合产物,显著抑制根系呼吸.为更准确估算降雨变化影响土壤呼吸对陆地生态系统碳平衡的干扰,提出了未来降雨对土壤呼吸影响研究需重点关注的3个方面:(1)降雨对土壤呼吸影响的微生物响应机制;(2)区分土壤自养呼吸和异养呼吸对降雨的响应机制;(3)降雨对土壤呼吸影响模型研究.

蒸散(ET)是陆地生态系统水分收支的重要分量.为探究三江源区退化高寒草甸的蒸散特征,基于2016和2017年涡度相关和微气象系统的观测数据,定量研究了其生态系统的蒸散变化及其环境和生物因子的影响.为深入探讨不同时段的蒸散变化,根据土壤冻融状态和植被生长状况进一步将年蒸散划分为3个时段:冻结期、冻融交替期和消融期,其中在消融期中又划分出植物生长季(5-9月),并探讨了土壤冻融对年蒸散量的影响.结果 表明:研究区2016和2017年的降水量分别为451.8mm和442.3 mm,但2017年ET为485.6 mm,明显高于2016年的428.6 mm,两年ET的季节变化趋势相同,ET的最高值出现在生长旺季的7-8月,最低值出现在12月或1月,生长季ET分别占全年ET的73％和72％.2017年的冻结期和冻融交替期比2016年分别减少了8d,2017年消融期的蒸散量比2016年增加了63.1 mm,其中生长季的蒸散量多36.3 mm.2016和2017年消融期的日蒸散速率分别为1.81 mm/d和1.97 mm/d,其中生长季为2.05 mm/d和2.29 mm/d,冻融交替期分别为0.97 mm/d和0.73 mm/d,而冻结期最低,分别为0.27 mm/d和0.33 mm/d.逐步回归分析结果表明:2016年净辐射(Rn)对ET的影响最大,其次是气温(t)和土壤含水量(SWC5);2017年ET主要受Rn和Ta的影响.生长季和消融期的冠层导度(gc)和解耦系数(Ω)明显高于其他两个时段,且2017年gc和Ω值均高于2016年同期.本研究说明,由于辐射、温度等引起的冻融时间变化和植被的年际间差异,导致三江源区退化草甸各时段及年蒸散量出现明显的变化,该研究结果为全面探讨三江源区蒸散特征提供了参考.

中国西北地区通过大量种植中间锦鸡儿(Caragana liouana)进行生态治理,在荒漠草原带上形成人工灌丛景观,改变了生态系统的结构和功能,影响到地-气水汽循环过程,研究该人工灌丛群落的蒸散特征,对揭示其生态水文效应和指导地方生态治理实践具有重要意义.该文以宁夏盐池荒漠草原带上的人工灌丛群落为例,利用茎流-蒸渗仪法测定了2018年5-8月的灌木蒸腾和丛下蒸散,并分析了环境因子对人工灌丛群落蒸散的影响.结果表明:(1)茎流-蒸渗仪法所测的群落蒸散与水量平衡法、涡度相关法得到的群落蒸散有较好的一致性,茎流-蒸渗仪法能适用于荒漠草原带入工灌丛群落蒸散及其组分结构的测定;(2)观测期内晴天的灌木蒸腾速率和丛下蒸散速率日变化趋势相近,均为单峰曲线,群落蒸散主要发生在日间,但灌丛最大蒸腾速率的出现时间比丛下蒸散最大速率的出现时间晚1 h;(3)5-8月间灌木累积蒸腾为83.6 mm,日平均蒸腾量为0.7 mm·d-1,季节变化呈抛物线状;同期丛下累积蒸散为182.5 mm,日平均蒸散量为1.5 mm·d-1;丛下蒸散明显大于灌木蒸腾;(4)观测期间人工灌丛群落累积蒸散266.1 mm,而同期的降水量为222.6 mm,陆面水分收支处于亏缺状态;(5)净辐射是影响蒸散最主要、最直接的驱动因素,且能够影响其他因子进而对人工灌丛群落蒸散产生作用.综上,人工灌丛引发荒漠草原地带陆面水分收支亏缺的现象,在生态恢复与重建中须引起注意.