高寒湿地是青藏高原典型的湿地类型,具有重要的生物多样性维持和水源涵养作用,了解其景观格局变化及其影响因素对我国高寒湿地的保护与恢复具有重要意义.本研究基于GEE和Landsat卫星影像,采用随机森林分类方法提取了1987-2022年12期四川南莫且湿地国家级自然保护区沼泽湿地分布信息,分析了沼泽湿地景观格局时空变化及其影响因素.结果表明:(1)保护区沼泽湿地面积先减少再增加,整体减少了10.29％;(2)沼泽湿地与草甸的面积转换最剧烈,沼泽湿地累计向草甸转移4349.44 hm2;(3)沼泽湿地重心先向东北再向西南方向迁移,沼泽湿地分布范围整体向西南方向迁移;(4)沼泽湿地景观格局表现为破碎化程度先下降再升高,连通性先升高再下降,斑块形状趋于复杂,湿地景观趋向离散化发展;(5)生长季累积降水量、生长季均温是影响保护区沼泽湿地变化的主要影响因素.研究结果可为保护区高寒湿地的保护与恢复以及青藏高原高寒湿地生态安全建设提供科学依据.

青藏高原被誉为世界屋脊,是我国重要的生态安全屏障和高寒生物种质资源宝库,也是亚洲乃至北半球气候变化的"调节器",在我国生态保护和修复工作中居于特殊重要地位.青藏高原平均海拔超过4000 m,面积约260万km2,自然生态系统类型复杂多样,分布有森林、灌丛、高寒草原、高寒草甸、荒漠和冻土等多种陆地生态系统,还相间了湖泊、河流和沼泽等湿地生态系统,构成了丰富的生态系统多样性和景观多样性.

为了解青藏高原高寒森林土壤线虫对海拔及林隙的响应,选取藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林为研究区,采用高通量测序技术分析森林内不同海拔和林隙下土壤线虫群落差异.结果表明:在研究区的急尖长苞冷杉林中,土壤线虫多样性随海拔降低而增加;林隙的线虫多样性略高于林内,但差异不显著;海拔变化显著改变土壤线虫群落结构,但林隙与林内线虫群落结构较为相似;刺嘴纲(Enoplea)和三矛目(Triplonchi-da)在该森林的中海拔(4292 m)占比最高;土壤含水量、磷含量(包括全磷和有效磷)和镍含量是影响土壤线虫多样性的主要因子,林隙导致的土壤重金属及养分变化则是影响土壤线虫群落结构的关键因子.

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.

高寒森林土壤是最脆弱的陆地碳库之一,随着全球气候的变暖,冻融格局受到影响,这将导致土壤微生物群落结构发生变化进而影响土壤微生态过程.以西藏色季拉山不同海拔土壤为研究对象,基于16S rRNA测序技术探究微生物群落结构及多样性对季节性冻融的响应.结果表明:门水平上,冻融现象并未改变土壤细菌和真菌群落的优势菌群,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)和酸杆菌门(Acidobacteria)为细菌群落的优势菌门,担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)为真菌群落的优势菌门;属水平上,冻融前后微生物群落结构和组成差异较大,且细菌群落受冻融影响更剧烈,真菌群落受海拔影响更剧烈;OTU水平上,冻融使各海拔细菌群落和海拔 3500 m、4300 m处真菌群落的α-多样性有较大提升,主要受黏粒和粉粒含量的影响;冻融使微生物群落组成在不同海拔间差异增大,且冻融前后的关键驱动因子不同,冻融前主要受碳氮比、速效钾、碳酸盐、土壤含水率、黏粒和粉粒含量的影响,冻融后主要受pH和有效磷的影响;相比于细菌,真菌群落结构的影响因素在海拔间的差异更大.本研究为深入理解气候暖化背景下不同海拔高寒森林土壤微生物对冻融的响应提供重要依据.

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.

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).

以青藏高原典型高寒沼泽湿地为观测研究站,以实际蒸散发为研究对象,结合气象因子(净辐射、气温、土壤热通量、风速、相对湿度、土壤含水率),建立基于多元线性回归(MLR)、决策树(CART)、随机森林(RF)、支持向量回归(SVR)、多层感知机(MLP)7种组合5类算法的预测模型,找出对于蒸散发具有较高精度的插补方法,实现实际蒸散发数据集的构建.结果表明:1)研究区蒸散发与净辐射相关性最大,而土壤热通量是影响蒸散发过程的关键因子;2)7种组合的5类机器学习算法模型的决定系数变化范围为0.58-0.83,均方根误差变化范围为0.038-0.089 mm·30 min-1;2)随机森林回归模型决定系数最高,模型稳定性最佳,插补效果最优;3)插补完整的蒸散发与净辐射、土壤热通量、气温日尺度变化趋势相同,与风速、相对湿度变化趋势相反.日蒸散发主要集中在生长季,日最大值为8.77mm·d-1,出现在7月9日,日最小值为0.21mm·d-1,出现在1月30日.

植被是陆地生态系统不可或缺的部分,气候是影响其动态变化的重要驱动因素.因此,探究植被的时空变化及其与气候因子的响应关系,有助于理解陆地生态系统的内在演化机制.目前,不同生态系统尺度下的植被动态变化与气候因子的时间响应关系仍未被完整剖析.因此,为了厘清过去30年不同生态系统植被生长对气候因子的响应关系,利用GIMMS NDVI3g数据和气候资料数据,通过Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall检验分析了 1985-2015年中国陆地NDVI的时空变化特征,结合时间序列相关分析探究了 NDVI变化与降水、温度和饱和水汽压差的内部关联,探讨了中国不同生态系统植被与气候因子间的时间响应机制.结果表明:(1)1985-2015年中国陆地植被呈现改善趋势,年均NDVI先减小后增加,拐点时间在1995年左右,整体变化率为0.5×10-3/a.农田、森林和草地生态系统的植被显著改善的程度最高,湿地生态系统的植被退化趋势最显著.(2)中国陆地植被NDVI与气候因子的相关性存在明显的空间异质性,且受不同生态系统分区影响.内蒙古高原中部草地生态系统NDVI与降水呈正相关,而在东部森林生态系统和青藏高原草地生态系统呈负相关;农田生态系统NDVI与温度呈明显正相关,在西部高寒、干旱地区呈负相关;中国东部农田生态系统NDVI与饱和水汽压差呈正相关,而在新疆北部和内蒙古高原中部草地生态系统负相关明显.(3)不同生态系统植被生长对气候因子存在月尺度的时间响应差异.降水对森林生态系统植被生长存在累积效应,农田生态系统植被生长对降水的响应最快;不考虑累积时,不同生态系统植被生长对当月或滞后1月的温度相关性最高;不同生态系统饱和水汽压差对植被生长存在两个月的累积效应,且随着滞后时长的增加相关性逐渐降低.研究成果有利于预测和评价全球气候变化背景下的植被动态变化,可为区域生态环境保护提供理论依据.

在陆地生态系统中,植物对土壤有机氮(主要指氨基酸)的获取是一个普遍的生态学现象,然而植物对土壤有机氮的吸收速率及土壤有机氮在植物养分供应中所占比例仍不清楚.为探究土壤无机氮和有机氮对西南高寒森林植物氮源的贡献效应,以川西亚高山针叶林两个主要树种云杉(Picea asperata)和红桦(Betula albo-sinensis)的幼苗为研究对象,采用稳定同位素标记法对K15NO3、15NH4Cl和(U-13C2/15N)甘氨酸3种氮素进行示踪,分析了两个树种对无机氮(NH4+-N和NO3--N)和有机氮(甘氨酸)的吸收速率及其差异.结果显示:(1)云杉和红桦幼苗在施加同位素标记物2h后,两种幼苗细根的 13C和15N均出现明显的富集现象,表明两种树种幼苗均能吸收甘氨酸.(2)与甘氨酸和NH4+-N相比,云杉和红桦幼苗对NO3--N有显著的偏好吸收,其吸收速率为NH4+-N和甘氨酸吸收速率的5-10倍.(3)两个树种的幼苗对甘氨酸也有较高的吸收速率,其吸收速率高于对NH4+-N的吸收速率,表明土壤有机氮(如氨基酸)也是亚高山针叶林植物养分获取的重要氮源.