祁连山海北高寒草甸地区紫外辐射特征及其对植物生理作用的探讨

利用祁连山海北高寒草甸地区 2 0 0 0年植物生长期内的太阳辐射观测资料 ,分析了该地区太阳紫外辐射 (UV)在植物生长期内的日、季节变化特征 ,以及在太阳总辐射 (Eg)中所占的比例 (η)。结果表明 :海北站地区UV较强 ,瞬时极大值可达 77W·m-2 ,日总量最大达 1.8MJ·m-2 以上 ;实际天气状况下月总量最大可达 4 1.6 2 0MJ·m-2 (5月 ) ,植物生长期内的 4月到 10月总量达 2 18.6 5 1MJ·m-2 。UV有明显的日、季节变化规律。日间UV所表现的单峰式曲线变化过程 ,与总辐射变化有关。在晴天状况下 ,η的变化下午高于上午 ,日平均约为 0 .0 4 8;阴天状况下在 13:0 0～ 14 :0 0较高 ,早晚低 ,且随云层厚薄而发生显著的变化。同时表明 ,阴天状况下的η值 (0 .0 5 3)高于晴天。就生长期实际情况来看 ,η值在植物生长的前期较高 ,植物生长后期较低 ,植物生长期内平均约为 0 .0 5 2。受强UV的影响 ,高寒草甸几种主要植物 ,其植物根、茎、叶的可溶性糖含量、淀粉含量、非结构性碳水化合物均较高 ,且表现出日出后迅速增加 ,植物根茎粗壮等 ,植物的生理适应性及其植物体的结构发生改变 ,致使高寒草甸植物具有明显的抗寒性功能机制和形态结构。     

高寒植被类型及其植物生产力的监测

监测并分析了高寒草甸二种不同植被类型的生态环境条件、植物种类组成、生物量变化规律及其差异。研究表明：距离相近且海拔高度基本相同的矮蒿草草甸和金露梅灌丛草甸二种群落内部,由于受地形部位影响,虽然降水基本相同,但地表受热及蒸发量不同,土壤湿度存在明显差异。受上述环境条件特别是受土壤温湿度条件的限制,二种群落内的植物种类不同,地下、地上生物量的变化也不同,一般在山地阴坡主要分布着以金露梅灌丛为优势种外,多以线叶蒿草、小蒿草、羊茅、及其它杂草类为伴生种的金露梅灌丛草甸植被类型,而主要分布于滩地的矮蒿草草甸多以垂穗披碱草等植物为伴生种的湿中性植被类型,属典型的高寒草甸植被类型。生物量监测结果的比较分析表明,群落的地上生物量为：矮蒿草草甸 > 金露梅灌丛草甸;地下生物量随植被类型的不同,其峰值与谷值出现时间不一致。年内地下净生产量为：金露梅灌丛草甸 > 矮蒿草草甸。地下生产量周转值为：矮蒿草草甸 > 金露梅灌丛草甸。     

高寒草甸植被生产量年际变化及水分利用率状况

分析了海北地区高寒草甸植被2001-2011年11 a耗水量、 生物现存量、 净初级生产量、 水分利用率及其相关性, 结果表明: 植物生长期5-9月耗水量416.30 mm, 植被地上净初级生产量(ANPP)、 地下净初级生产量(BNPP)以及总的净初级生产量(NPP=ANPP+BNPP)分别为393.07 g·m^-2、 945.26 g·m^-2、 1 338.33 g·m^-2, BNPP与ANPP之比为2.404. 8月底植被现存生物量达3 422.92 g·m^-2, 其中地上和地下现存量分别为411.07 g·m^-2、 3 011.85 g·m^-2, BNPP与ANPP之比高达7.327, 说明植被现存量巨大, 归还土壤碳能力强. NPP与5-9月植被耗水量相关性很差, 但与5-9月平均气温具有显著的正相关关系, 表明高寒草甸地区水分条件可满足植物生长的基本需求, 而同期温度是影响NPP提高的重要因素. 11 a来BNPP、 ANPP和NPP平均水分利用率分别为0.958 g·m^-2·mm^-1、 2.326 g·m^-2·mm^-1和3.284 g·m^-2·mm^-1, 表明高寒草甸植被净初级生产具有较高的水分利用率.     

牧压梯度下高寒杂草类草甸土壤持水能力及影响因素分析

以祁连山南麓坡地夏季牧场高寒杂草类草甸为研究对象,进行了封育对照（CK,禁牧）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）下土壤持水能力及影响因素的分析. 结果表明：牧压梯度下0～10 cm层土壤最大持水量和毛管持水量均在LG最大,土壤自然贮水量LG略小于HG;而在10～20 cm和20～40 cm持水量均在HG最大,说明放牧对表层土壤的持水能力影响比深层更明显. 0～10 cm层土壤容重随牧压强度增加而增大,较深层次土壤容重基本一致,表明放牧对较深层土壤容重造成的影响远小于表层. 牧压梯度下植被地上地下生物量、枯落物、地表半腐殖质随放牧强度增大而减少;0～10 cm土壤有机质含量在MG最大,CK最小,10～20 cm和20～40 cm层土壤的有机质含量CK最大,说明不同土层有机质含量对牧压梯度的响应有所不同. 土壤持水量与多种因素有关,主要受到地下生物量、有机质和容重等因素的影响,表明随放牧强度增大,践踏使土壤表面硬度增加,土壤空隙度减少,同时家畜过度采食使地面植被覆盖降低而增加土壤水分的蒸发. 这些综合作用下引起放牧地土壤持水能力降低.     

寒冻雏形土不同地形部位土壤湿度及其与主要植被类型的对应关系

寒冻雏形土不同地形部位土壤湿度均有较高的水平,0cm～60cm整层土壤湿度北坡＞滩地＞南坡.土壤湿度在年内可分为春季水分消耗期、雨季初水分补给期、水分波动消耗期和冬季冻结水分稳定聚集期.在垂直方向随深度加深湿度逐渐降低,北坡极为明显,南坡及滩地降低幅度均匀.土壤湿度随时间的变化过程分解为周期性变化项、随机性分量项及趋势项.同时表明,在土壤湿度较低的南坡,以小嵩草等为主的草原化草甸植被类型;土壤湿度适中的滩地,多以矮嵩草为主的高寒嵩草草甸植被类型;湿度较高的北坡,多以金露梅为主的灌丛草甸植被类型;而在土壤湿度很高、地表长久积水的河边,多以藏嵩草等为主的沼泽化草甸植被类型.     

基于涡度相关通量数据的植被最大光能利用率反演研究

准确估计和预测陆地生态系统碳循环时空变化是预测气候变化的基础,也是目前全球变化研究中最为重要的前沿领域之一。最大光能利用率(ε_(max))是遥感估算陆地生态系统初级生产力的关键参数之一,本研究基于CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型,采用马尔科夫链-蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo,简称MCMC)方法,利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)8个野外台站的涡度相关通量观测数据对ε_(max)进行反演,得到ε_(max)的最优估计值及其不确定性,并利用优化后的ε_(max)对2003~2008年各生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,简称GPP)及其不确定性进行了模拟。结果表明:8个生态系统ε_(max)后验估计结果均呈近似正态分布,森林、农田和草地生态系统ε_(max)分别为0.737±0.026~0.850±0.035g C/MJ·PAR,1.056±0.090g C/MJ·PAR和0.199±0.068~0.469±0.043g C/MJ·PAR;ε_(max)估计的不确定性将导致内蒙、当雄和海北草地生态系统GPP年总量的模拟值产生9.17%~14.20%的误差,长白山、鼎湖山、千烟洲和西双版纳4个森林生态系统GPP年总量的误差为3.52%~7.79%,禹城农田生态系统GPP年总量的误差为8.52%。对ε_(max)进行优化后,GPP年总量模拟值的相对误差显著降低,有效改善了原模型对内蒙草地生态系统GPP年总量的高估和除当雄草地生态系统外其他6个生态系统GPP年总量的低估。     

海北高寒草甸生态系统定位站气候、植被生产力背景的分析

首先分析了中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站近40多年来气温、降水的变化特征；其次分析和总结近20年来海北高寒草甸生态系统不同植被类型分布及地上生物量；同时探讨了对气象条件影响牧草产量的机制及关系，以及高寒草甸植被对气候变暖的响应。本文的目的是为高寒草甸生态系统的结构、功能、能量流动及物质循环等研究，以及提高生物生产力途径模式的建立提供依据，也为从事海北站不同学科的研究工作提供气候及植被的背景情况。     

三种高寒草甸植被分布及与湍流交换通量关系的比较

对海北定位站分布的金露梅灌丛草甸、矮嵩草草甸、藏嵩草沼泽化草甸3种高寒植被类型群落结构、感热(H)和潜热(LE)通量比较观测表明,3种植被类型年地上净初级生产力表现出矮嵩草草甸(318.600g/m2)>藏嵩草沼泽化草甸(258.341g/m2)>金露梅灌丛草甸(217.695g/m2)。植物种类组成有矮嵩草草甸(54种)>金露梅灌丛草甸(47种)>沼泽草甸(24种)。3种植被类型区近地表大气能量交换过程中,LE和H的月际变化明显,而且随植被类型的不同月际变化差异显著。3种不同植被类型在年内均表现出H LE>0,表明在青海海北高寒草甸地区,太阳辐射强烈,近地层湍流输送明显,地表为一热源。3类型高寒草甸植被的年地上净生产量基本与波文比(β)呈现正效应,与LE H呈现明显的反效应。植物种类组成基本与LE H有反效应,与β呈明显的正效应。     

牧压梯度下海北高寒草甸土壤速效氮变化特征及其影响因素分析

在青海海北高寒矮嵩草草甸设置封育禁牧(CK)、轻牧(LG)、中牧(MG)和重牧(HG)放牧梯度试验样地, 进行了土壤速效氮变化特征及影响因素的分析. 结果表明: 植物生长期的5-9月, 土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N和速效氮(NH₄⁺-N和NO₃^--N之和)含量季节变化明显, 基本表现为植物生长初期高, 末期低. CK、LG、MG和HG条件下, 5-9月0~40 cm土壤NH₄⁺-N平均含量分别为17.62 mg·kg^-1、17.84 mg·kg^-1、18.63 mg·kg^-1和16.67 mg·kg^-1, NO₃^--N平均含量为8.91 mg·kg^-1、8.23 mg·kg^-1、7.99 mg·kg^-1和7.94 mg·kg^-1, 速效氮平均含量为26.53 mg·kg^-1、26.07 mg·kg^-1、26.62 mg·kg^-1和24.61 mg·kg^-1, 基本表现出随放牧强度增大而降低. 土壤速效氮月际变化与地上绿体生物量具有一定的负相关关系, 表明地上生物量越大, 消耗土壤速效氮越趋明显; 与枯落物有一定的正相关关系, 与地下生物量关系不甚明显, 与湿沉降呈现负的相关性. 土壤NH₄⁺-N含量与土壤有机碳有负相关关系, 而NO₃^--N含量与有机碳相关性差, 表明土壤有机碳越高, 土壤NH₄⁺-N消耗越明显.     

海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用

海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能.