为了查明高寒地区建植一年生禾本科人工草地的土壤节肢动物群落动态,2019年4月在青藏高原东缘红原县境内建植了黑麦草和燕麦两种一年生单播人工草地,并以天然草地为对照.2019-2022年每年9月下旬对土壤节肢动物群落、植物群落和土壤理化性质开展观测.结果表明:1)土壤节肢动物的群落组成结构在3种草地及年际间差异显著;2)土壤节肢动物密度、类群数、Shannon指数和均匀度指数在3种草地间差异不显著;3)随着年限增加,3种草地的土壤节肢动物密度显著波动;黑麦草和燕麦草地土壤节肢动物类群数和Shannon指数显著降低,均匀度指数仅在第4年显著降低;天然草地的Shannon指数呈显著波动,均匀度指数无明显变化;4)草地的地上和地下生物量、土壤全磷、全钾、有效氮含量是影响土壤节肢动物群落的主要因子.研究表明,在高寒地区种植一年生禾本科牧草对土壤节肢动物群落的组成结构有显著影响,对密度及多样性指数影响不显著;种植年限对群落组成结构、密度和多样性指数影响显著.

鼠害型秃斑是反映草地鼠害的重要表征.利用无人机遥感技术识别高原鼠兔危害型秃斑对于评价其危害情况具有重要意义.本研究基于无人机可见光影像,使用最小距离(MinD)、最大似然(ML)、支持向量机(SVM)、马氏距离(MD)和神经网络(NN)5种监督分类算法对高原鼠兔危害地特征进行分类识别,并采用混淆矩阵对5种分类方法精度进行评价.结果表明:相较于其他3种方法,NN和SVM对高原鼠兔危害地特征进行识别分类的效果更好.其中,NN对草地与秃斑2种目标地物的制图精度分别为98.1％和98.5％,用户精度分别为98.8％和97.7％,模型总体精度为98.3％,Kappa系数为0.97,像元错分、漏分现象较低.经实践验证,NN表现出较好的稳定性.综上,神经网络方法是高寒草甸鼠害型秃斑识别的优选方法.

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.

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题.草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响.为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素.研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69％和55％,P＜0.05).(2)群落地上生物量随沙化程度加重逐渐降低,重度和极重度沙化草地根系生物量显著下降(分别下降47％和99％,P＜0.05).土壤容重、砾石含量随沙化程度加重呈逐渐增加趋势,而总碳、全氮含量和含水量逐渐下降,说明沙化过程导致土壤粗粒化和贫瘠化.(3)进一步分析发现,影响土壤总碳储量的因子中排前三位依次是土壤砾石含量、土壤含水量和植物地上生物量,影响土壤氮储量的因子依次是土壤砾石含量、含水量和土壤微生物丰度.综合这些研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动.沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持.

[目的]门源草原毛虫Gynaephora menyuanensis是为害青藏高原高寒草甸的主要害虫,严重妨碍草地生态和畜牧业发展,了解其在祁连山南麓的实际分布区和潜在适生区对门源草原毛虫的监测和防治以及草地生态的保护具有重要意义.[方法]本研究在对祁连山南麓门源草原毛虫的分布进行大量实地调查(147个位点)的基础上,采用专业统计分析软件IBM SPSS 22.0筛选影响门源草原毛虫分布的环境因子,应用生态位模型MaxEnt 3.4.4和地理信息系统软件ArcGIS 10.8预测祁连山南麓门源草原毛虫2021-2040年的适生区范围.[结果]影响门源草原毛虫分布的主要环境因子为9月平均降水量、9月平均太阳辐射等;2021-2040年门源草原毛虫在祁连山南麓的适生区变化趋势为高适生区和非适生区的面积呈减少趋势,中适生区和低适生区面积呈增加趋势;检测模型的受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线下的面积(area under ROC,AUC)值为0.924,模拟结果准确性较好.[结论]本研究结果为阐明门源草原毛虫的地理分布规律及其监测防治提供了理论参考.全球气候变化为门源草原毛虫的栖息地扩张提供了适宜的条件,建议根据门源草原毛虫的潜在适生等级,构建"分级应对"的监测和早期预警体系与防控模式,以应对害虫为害.

关键种在群落结构、功能与稳定性方面具有重要作用,为探明不同放牧方式下高寒草甸植物群落关键种的变化特征及其影响因素,以青藏高原最主要的5种放牧方式(禁牧、非生长季放牧、传统放牧、生长季放牧和全年连续放牧)高寒草甸为对象,对群落特征、土壤理化特征和酶活性进行了系统研究,采用网络分析法和方差分解探究了不同放牧方式草地植物群落关键种变化特征及其影响因子,并利用优劣解距离法(TOPSIS)-多准则决策模型对不同放牧方式进行综合评价,以筛选最佳放牧方式,从而为高寒草甸科学管理及可持续利用供数据支撑.结果表明:(1)相较于全年连续放牧,禁牧、非生长季放牧、传统放牧及生长季放牧对禾本科、豆科、凋落物和杂类草生物量,群落地上和地下生物量,植物高度,禾本科盖度,多样性指数,土壤养分含量和土壤酶活性均有显著正效应.(2)禁牧样地的关键种为垂穗披碱草,非生长季放牧样地的关键种为冷地早熟禾、矮生嵩和赖草,传统放牧样地的关键种为赖草,生长季放牧样地的关键种为矮生嵩草,全年连续放牧样地的关键种为异针茅.其中,非生长季放牧样地植物群落物种间的关联性、互作强度、群落组织水平和稳定性均最高,而禁牧样地最低.(3)方差分解表明,土壤纤维素酶、脲酶和过氧化氢酶是影响高寒草甸植物群落关键种变化的最主要因素.(4)TOPSIS-多准则决策模型结果表明,非生长季放牧既能有效利用草地资源,又能维持较高的植物群落多样性和稳定性,是高寒草甸的理想放牧方式.研究结果对科学放牧管理制度的制定、草地生态系统稳定性与多功能性维持提供了科学数据支撑.

全球变暖影响物种多样性和生产力及其关系.关于全球和区域的物种多样性与生产力关系已有许多研究,但气候变暖背景下西藏高寒草地物种多样性与生产力的关系及其环境驱动机制研究仍然很少.基于西藏高寒草地实测的35个样点调查数据,利用回归分析、Pearson相关性分析、方差分解和结构方程模型等方法,探究了物种多样性和生产力的关系及其影响机制.研究发现:(1)高寒草地的物种丰富度指数和香农-威纳指数与地上植被净初级生产力(ANPP)呈显著正相关关系,且ANPP对物种丰富度指数的变化更为敏感;(2)物种丰富度指数与经度、土壤有效氮、土壤有效磷、年降水量呈显著正相关;Shannon-Wiener指数与海拔和纬度呈显著负相关,与年均温度呈显著正相关;ANPP与经度、土壤有效氮、年降水量和年均温度呈显著正相关,与海拔、纬度和土壤有效钾呈显著负相关;(3)地理因子、土壤养分和气候因子的交互作用对物种丰富度指数和ANPP的贡献率最大,分别为10.99％和32.91％,地理因子和气候因子的交互作用对Shannon-Wiener指数的贡献率最大,为13.61％;(4)地理因子通过调控土壤养分和气候因子间接影响物种多样性和ANPP,土壤养分和气候因子均直接影响物种多样性和ANPP.研究结果揭示了环境因子对物种多样性和生产力的综合调控机制,为西藏高寒草地生态系统科学应对气候变化提供了依据.

自20世纪70年代开始,归一化植被指数(NDVI)在天然草地地上生物量估测研究中得到了广泛应用.然而,NDVI对高密度植被生物量遥感估测存在饱和现象,使草地生物量遥感估测有较大的不确定性.以青藏高原东缘高寒草甸为例,基于比值植被指数(RVI)探讨了 NDVI的饱和性,并评估了 NDVI饱和性对高寒草甸地上生物量时空动态变化分析的影响.结果表明:(1)虽然基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)NDVI构建的草地地上生物量估测模型精度较基于RVI构建的估测模型高,但模型对高寒草地地上生物量(生物量大于2314.627 kg/hm2)灵敏度较RVI估测模型低,即NDVI阈值大于0.73时,估测模型呈现饱和现象(低估了草地地上生物量);(2)结合RVI和NDVI的相关关系,对饱和部分NDVI遥感植被指数进行校正,校正后最优地上生物量遥感估测模型为线性模型(y=5908.5x-2198.9,R=0.6190,RMSE=902.41 kg/hm2),较调整前RMSE降低了 11.72 kg/hm2;(3)就NDVI饱和性空间分布而言,从全年6月—9月初(全年第161-257天)饱和性呈现先自东南向西北延伸,后自西北向东南消退的变化趋势,平均低估值介于158.45-293.92 kg/hm2之间,最大低估值出现在8月初(全年第225天),超过600 kg/hm2;(4)此外,NDVI饱和性对草地地上生物量年际动态变化趋势分析具有较大的影响,去除饱和性影响后草地地上生物量基本不变的区域减小了 21.44％,而年际变化小于-10 kg/hm2和大于30 kg/hm2的区域分别增加了 8.48％和16.19％.研究探讨了 NDVI饱和性对草地地上生物量遥感估测的影响,以期为精确评估高寒草地地上生物量提供理论依据,同时也为高寒草地资源可持续发展提供科学依据.

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.

为明确春季休牧对中度退化高寒草甸植被特征、土壤理化性质和土壤真菌群落特征的影响,本研究在祁连山区高寒草地设置春季休牧和自由放牧两个处理,休牧结束后于牧草生长旺季,调查草地植物群落特征并采集土壤样本.结果表明,春季休牧后高寒草地植物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数显著升高(P＜0.05),与自由放牧相比,分别升高了80.00％、50.94％和21.89％;植被生物量显著增加(P＜0.05),增幅达52.41％;休牧后草地地上/下生物量比值由8.58％增加到25.59％,休牧改变了植被生物量的分配格局;休牧后土壤有机碳和全钾含量显著增加(P＜0.05),增幅分别为10.64％和1.10％;而土壤容重和pH显著降低(P＜0.05),降幅分别为17.83％和4.60％.春季休牧处理下土壤子囊菌门的相对丰度增加,而被孢霉菌门的丰度下降;土壤真菌群落多样性指数在两处理间差异不显著;PCoA分析结果显示,主坐标1(PCo1)、主坐标2(PCo2)和主坐标3(PCo3)对真菌群落结构差异的解释率分别为17.58％、12.07％和11.51％,累计解释率为41.16％;真菌共现网络模块化分析发现,春季休牧处理下土壤真菌网络复杂性更高,土壤真菌群落更稳定.植被和土壤因子的方差分析结果显示,土壤含水量和植被地下生物量是影响真菌群落重构的两个主要调控因子.