基于中国生态系统研究网络(CERN)长期监测数据,选取新疆维吾尔自治区代表暖温带干旱区的绿洲农田生态系统(阿克苏站)、代表暖温带荒漠区(策勒站)以及温带荒漠区(阜康站)的绿洲农田和荒漠生态系统综合观测场、辅助观测场和农户调查点2005-2020年0-100 cm 土层的土壤有机碳(SOC)储量数据,分析新疆农田和荒漠生态系统SOC储量的影响因素.研究结果表明,2005-2020年0-100 cm 土层SOC总储量平均值为阿克苏站(5.17 kg/m2)＞阜康站(4.20 kg/m2)＞策勒站(2.96 kg/m2).0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm 土层的 SOC 分别约占 0-100 cm 土层储量的 27.3％—35.3％、23.1％—24.6％和15.8％—17.5％.在阿克苏站,施肥量最高、灌溉量最低的农户调查点SOC储量最高;而在策勒站和阜康站,农户调查点和辅助观测场的施肥和灌溉措施分别最有利于提高SOC储量.总体来看,土壤含水量、地上生物量与SOC储量呈正相关关系;年平均气温与0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.在单一生态站的生态系统尺度,年平均气温与SOC储量相关性不显著;地上生物量与策勒站和阜康站的SOC储量呈正相关关系,但是与阿克苏站0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系;施纯钾量与策勒站0-60 cm 土层的SOC储量呈正相关关系,但与阜康站40-100 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.总之,与自然状态下的荒漠和农田不施肥相比,灌溉和施肥的农田管理措施有利于增加干旱区SOC储量.不同生态站要根据自身区域特点制定合理的农田管理模式,以维持较高的SOC储量.

明确荒漠降水对细菌群落多样性和群落构建过程的影响,有助于进一步认识荒漠土壤细菌群落结构和功能对降水变化的响应及反馈机制.基于古尔班通古特沙漠区域降水梯度上的土壤细菌群落高通量测序数据,比较分析了降水差异对总细菌、高丰度及低丰度细菌类群多样性和群落组成的影响,使用零模型(null model)方法分析确定性过程和随机性过程对细菌群落构建的相对重要性.结果表明:绿弯菌门是高丰度与低丰度细菌类群优势细菌门.沿降水梯度总细菌和高丰度细菌类群的丰富度及Shannon多样性指数无显著差异,随降水减少,低丰度细菌类群的丰富度和Shannon多样性显著降低(P＜0.05);降水差异显著影响不同丰度细菌类群的群落组成,且沿降水梯度,低丰度细菌的群落变异与物种空间周转大于高丰度与总细菌类群,表明荒漠不同丰度细菌类群差异响应区域小范围降水梯度,低丰度细菌类群对区域降水变化具有强敏感性,而总细菌和高丰度细菌类群对降水变化具有较强的抵抗力;零模型分析显示,扩散限制主导古尔班通古特沙漠不同降水样点细菌的群落构建过程,而荒漠低丰度细菌类群同时还受到强的异质选择作用(43.0％),表明荒漠降水差异增强了低丰度细菌的环境选择作用或者生物间的竞争作用.另外,空间地理距离决定了不同降水梯度总细菌群落的构建过程,而年均降水量对平衡低丰度细菌类群的确定性过程与随机性过程的相对重要性具有重要作用.综上所述,古尔班通古特沙漠小尺度的降水差异显著改变了荒漠表层土壤的细菌群落组成,低丰度细菌敏感响应小尺度范围的降水差异,有助于减缓荒漠细菌对环境变化响应的滞后性;扩散限制对总细菌和高丰度细菌β多样性的决定作用比对低丰度细菌强,显示空间地理距离对荒漠总细菌和高丰度细菌的物种周转解释率高于低丰度细菌,而荒漠低丰度细菌的多样性分布和生态位偏好除受到空间地理尺度的影响外,还具有更强的降水依赖性.

地层孢粉数据是古植被和古气候重建等古环境研究的重要基础.孢粉数据库推动古环境研究从点到区域和全球尺度,从定性到定量,从而实现在大空间尺度和长时间序列上探索植被、气候和人类干扰的相互关系,以更好地理解地球系统的演变.该数据集整合了全国第四纪末期(5万年以来)共372个地层花粉序列,涵盖790个花粉类群,样点分布于中国30个省级行政区与领海.数据集包含地层花粉采样点的地名、经纬度坐标和海拔高度、数据来源、样品类型、沉积物长度、样品数量、测年方法及测年数量、时间跨度和参考文献,以及每个采样点的花粉含量百分比.数据主要来源于20世纪80年代至今.采样点集中分布在温带和亚热带森林、温带草原和荒漠以及青藏高原高寒植被区域;在深海到青藏高原不同海拔高度都有分布,但集中在海拔2 000 m之下.按照数据来源区分,原始数据样点178个,占47.8％;数值化数据194个,占52.2％.按照样品类型分类,多数样点为湖泊样品(151个)、冲积物/洪积物样品(99个)与泥炭样品(67个),占总样点数的85.2％.年代测定的主要方法为放射性碳同位素手段(占样品总数的93.8％),大部分记录有2-10个测年数据.采样点的平均花粉类群数量是19个,以4-30个花粉类群的采样点最多.代表性花粉类群(松属(Pinus)、栎属(Quercus)、蒿属(Artemisia)、禾本科)含量的时空分布格局表明,从末次盛冰期到全新世,这些花粉科属的分布范围扩大,含量也增加,但分布区域具有分异.半个多世纪以来,孢粉学工作者建立中国大部分地区的地层花粉记录,为探究古环境演变及其气候变化、人类活动驱动机制奠定了重要的基础.

分析不同区域植被对极端气候的响应对于加深对植被与气候之间关系的理解以及制定应对极端气候条件的措施尤为重要.基于2001-2020年气候数据和归一化植被指数(NDVI)数据,以植被区划为分析单元,分析中国8个植被区的NDVI和27个极端气候指数的时空变化趋势,探究各植被区植被NDVI对极端气候的响应特征与差异性.结果表明:(1)整个研究区及各植被区的平均NDVI年最大值呈显著增加趋势,其中,温带针叶、落叶阔叶混交林区增加趋势最明显,青藏高原高寒植被区增加趋势最弱.(2)极端高温指数多呈升高趋势.极端降水指数在研究区东部呈升高趋势,在西南部呈减少趋势.(3)在不同植被区对NDVI影响最大的极端气候指数不同,其中在寒温带针叶林区影响最大的指数为温暖时间持续指数(WSDI);在温带针叶、落叶阔叶混交林区和热带季风雨林、雨林区影响最大的指数为最高低温(TNx);在暖温带落叶阔叶林区和亚热带常绿阔叶林区为简单降水强度指数(SDII);在温带草原区为最高高温(TXx);在温带荒漠区为年总降水量(PRCPTOT);在青藏高原高寒植被区为结冰天数(ID).

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.

随着极端气候事件频率和强度的增加,植被物候正在发生深刻的变化.然而,植被枯黄期(EGS)对极端气候的响应机制目前尚未厘清,特别是对于干旱半干旱地区的草地而言.因此,聚焦我国温带草地,基于1982—2015年全球监测与模型研究工作组归一化植被指数(GIMMS NDVI3g)长时间序列数据提取草地物候参数,并分析其时空变化规律;运用随机森林模型等方法探究温带草地EGS对极端气候变化的响应特征.结果表明:(1)全区多年平均EGS主要发生于270—290儒略日(DOY),59.8％的区域呈延迟趋势,其中显著延迟(P<0.05)的区域分布在新疆天山、阿尔泰山一带和准噶尔盆地西部、黄土高原北部、呼伦贝尔高原的西部和东北小兴安岭.(2)EGS与极端气温暖极值(日最低气温的最大值、日最高气温的最大值、暖夜日数、暖昼日数)之间均以广泛的正相关关系为主;相比之下,极端降水事件与EGS之间的关系相对比较复杂,这与各草地类型自身的生理策略和所处环境密切相关.(3)整体而言,持续干旱日数、气温日较差和暖夜日数对全域草地EGS动态变化具有极大的重要性.就不同草地类型而言,温带草甸草原主要受到气温日较差的影响,温带山地草甸和温带沼泽化草甸EGS变化主要受日最高气温的最大值的影响,日最低气温的最大值和暖夜日数分别对温带草丛和温带荒漠草原的影响最大;持续湿润日数和持续干旱日数则分别对生长在水分限制地区的温带盐生草甸和温带典型草原的EGS产生强烈作用.

温带荒漠积雪覆盖是土壤含水量增加的重要方式,在冻融期带来丰富的水分变化.全球气候变化导致温带荒漠积雪深度时空格局发生改变,从而影响荒漠生态系统温室气体的通量.生物结皮在维持荒漠生态系统结构和功能的稳定具有非常重要的作用,但对环境的变化较为敏感,尤其是降水变化.然而,目前有关冻融期不同积雪条件下生物结皮温室气体通量的研究十分匮乏.CH4是重要的温室气体,选择古尔班通古特沙漠藓和地衣2种类型生物结皮为研究对象,以裸沙为对照,设置增雪、自然降雪(对照)和除雪三种处理,通过静态箱-气相色谱法,探究CH4通量在冻融期的变化特征.结果表明:冻融期多数情况下积雪处理和结皮类型对CH4通量影响不显著.荒漠生物结皮对CH4整体表现为吸收作用,是荒漠生态系统CH4重要的"汇".两种结皮类型及裸沙CH4的吸收速率呈现为地衣结皮(-10.12 μg m-2h-1)＞藓结皮(-1.73 μg m-2h-1)＞裸沙(-1.69 μgm-2 h-1).CH4通量通常与土壤5 cm深处的温度和水分的相关性不显著,对其他土壤理化因子响应较弱.研究结果表明,积雪处理不会对冻融期生物结皮CH4通量产生显著影响,全球变化条件下温带荒漠积雪的改变可能对土壤CH4的产生和吸收影响较小.

功能多样性和功能冗余是物种多样性的两个组成部分,也是影响群落稳定性的两个重要因素.基于不同水盐梯度下植物功能多样性、功能冗余、物种多样性和群落稳定性及其相关关系的计算结果,分析功能多样性和功能冗余对群落稳定性的影响,结果表明:(1)功能多样性、物种多样性和群落稳定性均表现为高水高盐和中水中盐群落显著高于低水低盐群落(P＜0.05);(2)高水高盐群落,功能多样性与物种多样性的相关系数小于功能冗余与物种多样性的相关系数,且功能多样性与稳定性的相关系数也小于功能冗余与稳定性的相关系数,而中水中盐和低水低盐群落的相关系数则呈现相反的规律;(3)中水中盐和低水低盐群落的功能多样性的标准化偏回归系数均大于功能冗余的标准化偏回归系数;(4)典范对应分析中,土壤含水量可以解释总特征根的22.7％,而土壤含盐量仅可以解释总特征根的1.3％;(5)高水高盐群落的稳定比最接近20/80,稳定性最高;低水低盐群落远离20/80,稳定性最低.改进后的Godron稳定性测定方法与物种种群密度变异系数方法得出的结果相同.综上可知,功能多样性和功能冗余两者中与物种多样性关系更为密切者对群落稳定性的影响也越大,且两者均可提高群落稳定性,也就证明冗余假说在温带干旱荒漠区域的隐域性植物群落中是成立的;群落稳定性、功能多样性、功能冗余及物种多样性主要是受土壤含水量的影响,土壤含盐量对其影响较小.

利用生态系统分类及生态参量数据产品,运用植被覆盖度年际变异系数、趋势斜率和退化指数等草地覆盖度变化状况评价指标,对陕西北部重大生态建设工程实施关键年份(2000-2010年)内各类型草地植被覆盖度的演替状况进行研究.结果显示:(1)延安市和榆林市的黄土沟壑区草地生态系统面积明显增加,年均植被覆盖度由2000年的27.94％增长到2010年的40.50％,草地覆盖度整体由低覆盖向中覆盖等级转变,其中温带草原和温性草丛覆盖度呈明显上升趋势.(2)陕西北部大部分草地覆盖度波动变化明显,延河以北温带草原稳定性低,延河以南温性草丛稳定性较高、波动变化较小;93.98％的草地区域覆盖度呈上升趋势,其中极显著上升区域主要分布在黄土沟壑区;3.23％的降低区域集中于榆林市西北部的温带荒漠草原分布区.(3)11年间,陕西北部退化草地得到改善恢复的面积由2000-2005年期间的9594.44 km2增加到2005-2010年期间的26 544.39 km2,远大于退化区域,草地极重度退化程度得到扭转.本研究表明陕西北部不同类型草地覆盖度均不同程度得到了缓解和改善.

草地生态系统是巨大的碳库,在全球碳循环中起着重要的作用.该研究以内蒙古中温带草地区典型草原和荒漠草原为研究对象,测定了两种草原类型围封与放牧后地上生物量碳密度、地下生物量碳密度和土壤碳密度,探讨围封对两种草原类型植被-土壤系统碳密度的影响.结果表明:(1)围封显著地增加了典型草原地上和地下生物量的碳密度,对荒漠草原地上生物量碳密度增加影响显著,对地下生物量碳密度增加影响不显著;(2)围封显著地增加了典型草原土壤碳密度,使荒漠草原土壤碳密度有增加的趋势,但影响不显著;(3)典型草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布显著高于放牧样地,而荒漠草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布与放牧样地的差异不显著;(4)围封分别提高了典型草原和荒漠草原植被-土壤系统碳密度的2.2倍和1.6倍,典型草原和荒漠草原分别有超过65％和89％的碳储存在土壤中,两种草原类型的地下生物量碳库均占总生物量碳库的90％以上.研究结果表明围封能够有效地增加草原生态系统的碳储量.