全球变化的植被——环境相关性：中国和东北样带（NECT）研究

全球变化与陆地生态系统(GCTE)的研究一直是国际地圈一生物圈计划(IGBP)．全球变化研究的焦点之一，其中植被与环境，尤其是气候的关系研究，虽然古老却又包含许多新的涵义，而陆地样带(Terrestrial Transect)则是近年来发起于GCTE，并拓展到IGBP其它核心项目的研究热点．博士后研究的主要工作有：将全球变化作为主线，以单个树种青冈(Cyclobalanopsisgtauco)为对象，研究其过去、现在和将来的地理分布与气候的关系;分别利用气温和降水指标，拓展Kira指标形成生物热量指数和干湿度指数，以及建立水热积指数，在宏观尺度上研究了中国植被与气候的关系;结合生物群区和植物功能型概念的发展以及生物多样性的研究，进行了以生物多样性保育为目的的我国生态地理区划;在熟悉IGBP陆地样带的科学计划并总结其最新发展动态的基础上，分析了中国东北样带的基本生态地理特征;最后，粗略分析r生物性多样保育与自然保护区建设和管理的关系问题。 1.植被一环境（气候）分类：指标、系统和模型 植被一气候关系是一个古老的命题，但在当今的全球变化研究中成为最基础和最具活力的工作。从单一因子的或多因子简单组合的分类指标，如Koppen，Box指标等，到以可能蒸散为基础的综合分类指标，如Penman，Thornthwaite, Holdridge，Budyko，Kira指标等，科学家们发展了众多的植被一气候分类系统和模型，如Koppen．Thornthwaite，Holdridge. Kira. Box. Neilson.Woodward, Budyko, Prentice系统，以及Holdridge，Uvardy，Matthews. Olson. Bailey．Woodward.Prentice. Box模型，为现今植被一气候关系的研究以及全球变化对陆地生态系统的影响，和大气C02增加对潜在植被变化的响应预测奠定了良好的基础。 2.基于物种的植被一气候关系研究：中国青冈的地理分布与气候的关系 在广泛收集青冈[Cyclobalanopsis glauca (Thunb.) Oerst.]地理分布资料的基础上，利用目前国际上比较流行的研究植被与气候相互关系的指标和方法，包括Kira的水热指标、Penman的公式、Thomthwaite的指标和气候分类、Holdridge的生命地带分类系统指标， 以及年平均气温(TEMP). 1月均温(Tl)、’7月均温(T7)、极端最高气温(TMAX)、极端最低气温(TMIN).≥10℃积温(AT)和年降水量(PREC)，研究了青冈在中国的地理分布与气候的关系，讨论了青冈垂直分布的上限、下限以及北界的Kira热量指标状况。根据孢粉资料和历史文献，探讨r历史时期青冈在中国大陆的分布与变迁及其与气候的关系，并利用Holdridge生命地带分类系统指标预测了C02浓度倍增条件下中国青冈分布区的可能变化。 3.宏观尺度上的中国植被一气候关系 1）用气温、降水指标研究中国植被一气候关系 能够在气象台站直接、方便地测试到的年平均气温、降水量指标，与其它水热气候因子有显著的相关性，用它们来研究中国植被与气候的关系是可行且有用的。利用全国689个气象站点的气象记录，计算得出了中国各植被地带、亚地带的年平均气温，年降水量指标和温雨系数，利用生态信息系统EIS作出了各气候指标在中国的分布，并将年平均气温和降水量作散点图，均较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。总结可得中国各植被地带的气候指标范围及界限。综合孢粉，古生物等资料信息，前人确定在全新世中期中国存在一个大暖期，其中稳定暖湿的鼎盛阶段在7.2—6,0 Ka．B.P.，其时中国境内大部分地区的年平均气温比现在高2℃左右，年降水平均高于现在100 mm，通过数学处理，利用生态信息系统恢复重建了全新世大暖期中国大陆的气温和降水分布状况．参考孢粉、古植物和他人研究资料及现代植被气候关系，恢复编制了大暖期鼎盛阶段中国大陆的植被区划图，与现代植被区划相比较，东部各个植被带在大暖期盛时表现出明显的北迁，温带植被的迁移幅度大于亚热带和热带植被;西部的植被带出现了经向西迁，西北部的草原范围扩张，荒漠缩小;青藏高原地区高寒半荒漠和荒漠植被的范围大大缩小，而且植被带仍有不同程度向北迁移的表现。这可为预测与阐明未来的气候变化和植被变迁提供有力的证据． 2）KIRA指标的拓展及其在中国植被与气候关系研究中的应用 根据Kira以月平均气温5℃为界的热量指数和干湿度指数概念，提出了以月平均气温10℃为界的生物热量指数，包括生物温暖指数BWI和生物寒冷指数BCI，并修正其干湿度指数为生物干湿度指数BK。利用中国689个标准气象台站的资料，分析我国主要植被类型分布与热量因子和干湿度因子的关系，得出两者之间有较好的相关性，生物温暖指数、寒冷指数和干湿度指数的散点图，较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。并得出中国各植被地带的气候指标范围及界限，以1 0℃为界的生物温暖指数不仅对我国森林植被的地理分布和温度气候带的划分具有较好的指示作用，而且对西南部高山、亚高山地区的植被与气候关系指示性较强;生物寒冷指数则对亚热带和热带的指示性很好，能够较好区分亚热带南部及热带地区;由热量指数和降水量综合得出的生物干湿度指数，对中国西北部干旱、半干旱区以至全国的植被分布与水分、热量因子的关系分析有较好的应用价值。 3）水热积指数的估算及其在中国植被与气候关系研究中的应用 试图利用大气年平均气温、年降水量、可能蒸散和土壤水分平衡之间的关系建立一个水热积指数，并应用年平均气温．水分盈亏值和水热积指数三个气候变量来限定植物群落组合，构成一个圆形的生命-气候图式．根据全国689个标准气象台站的气候资料，计算了中国8个植被地带和26个亚地带的年平均气温、年水分盈亏和水热积指数，绘制了各气候指标在中国的分布图及散点图，较好表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局，包括寒温带针叶林、冷温带针阔叶混交林、暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林、热带雨林和季雨林、温带草原、温带荒漠、青藏高原高寒植被，并得到了中国各植被地带的气候指标范围及界限。通过分析可以看出，年平均气温的等值线较好地反映了中国大陆的热量梯度，经度和纬度方向的区分均较明显;土壤水分盈亏曲线的等值线则比较零乱;综合了热量和水分差异的水热积指数，其等值线与热量梯度和水分梯度均有一定的对应性，与植被类型的对应也较好。这是在宏观尺度上进行的植被与气候关系研究的一种尝试，有待于增加机理性的内容，使其得到进一步的改进。 4.生物多样性保育和全球变化研究中的陆地生物群区类型 Biome(生物群区)是当今生物多样性保育和全球变化研究中的一个重要概念，根据此概念及植物功能型概念的发展，评述了9个重要的世界陆地生物群区分类系统，并根据中国的植被分类和区划，尝试划分了在中国的生物多样性保育和全球变化研究中所需要的陆地生物群区类型。 5.中国生物多样性的生态地理区划 利用各种生态地理因子，包括气候指标如与植物耐寒性有关的绝对最低温度(TMrN)，最冷月平均气温(TJAN)，最冷月日平均温度的最大值(MXT)和最小值(MIT);与需热性有关的植物生长季积温(AT);年降水量的季节分配，包括最冷月降水(PJAN)，最热月降水(PJUL)，年降水量，年降水的统计标准差(PSD)和变异系数(年变率PCV);植被指标如植被类型(VEGET)、，植被区划类型(VEGED)、植被的净第一性生产力(NPP)、植物区系类型(FLORA)、动物区系类型(FA UNA).植物特有属的丰富度(EDGENUS)以及度量植物多样性的植物种丰富度(属数GENUS、种数SPECIES);土壤指标如土壤类型(SOILT)，土壤理化性质如土壤酸碱度(SOILPH)、土壤表层阳离子交换量(SOILEXC)等;地形和地貌特征如经度(LONG)、纬度(LAT)和海拔高度(ALT)，利用模糊聚类的手段，综合进行了中国生物多样性的生态地理区划。采用四级区划，即：生物大区(biodomain) -生物亚区(subbiodomain) -生物群区(biome) -生物区(bioregion).全国划分为5个生物大区，7个生物亚区和1 8个生物群区。 I北方森林大区 I A欧亚北方森林亚区 I Al南泰加山地寒温针叶林 IA2北亚针阔叶混交林 II北方草原荒漠大区 II B欧亚草原亚区 II Bl内亚温带高草草原 II B2黄土高原森林草原（灌木草原） il C亚非荒漠亚区 II Cl中亚温带荒漠 ⅡC2蒙古／内亚温带荒漠 III东亚大区 III D东亚落叶阔叶林亚区 m DI东亚落叶阔叶林 III E东亚常绿阔叶林亚区 III El东亚落叶•常绿阔叶混交林 III E2东亚常绿阔叶林 ⅡI E3东亚季风常绿阔叶林 III E4西部山地常绿阔叶林 IV旧热带大区 IV F印度一马来热带森林亚区 IV Fl北热带雨林、季雨林 IV F2热带海岛植被 V亚洲高原大区 vG青藏高原亚区V Gl青藏高寒灌丛草甸V G2青藏高寒草原V G3青藏高寒荒漠V G4青藏温性草原V Gs青藏温性荒漠IGBP陆地样带：科学计划与最新进展 作为国际地圈一生物圈计划(IGBP)的交叉项目(Interproject)的陆地样带(Terrestrial Transect)，已成为IGBP的全球变化研究中最引人重视的发展和新研究方法之一。它以一系列综合性的全球变化研究计划为基础，是由沿着一个主要全球变化驱动因素（如温度、降水、土地利用强度等）的梯度上的一系列研究站点所构成研究区域，并配合以模型模拟和综合分析，其地理范围为1000 km或更大的长度，数百公里的宽度，以涵盖大气环流模型(GCM)运作的最小单元。本节论述了IGBP陆地样带的概念和研究的意义，样带的类型、一般设计和选择标准，国际上IGBP样带的初步设置，包括①经受土地利用变化的潮湿热带系统;②从北方森林到冻原的高纬度地区;③从干旱森林到灌丛的半干旱热带地区;④从森林或灌丛过渡到草地的中纬度半干旱地区，以及其它的一些样带和PAGES核心计划中的PEP样带，主要内容有样带设置的原因、研究内容和主要样带特点等，并总结了样带的最新研究进展和动态． 6.中国东北样带(N ECT)的生态地理特征分析 陆地样带研究已成为国际地圈-生物圈计划(IGBP):全球变化研究的重要手段与热点。中国东北森林-草原样带(NECT)已被列为IGBP国际全球变化陆地样带之一。该样带在东经1120与130030’之间沿北纬43030’设置，长约l 600 km，是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度，具有由温带针阔叶混交林向温带草原的3个亚地带：草甸草原、典型草原与荒漠草原过渡的空间系列。本文给出了样带的基本生态地理特征及其梯度分析，包括其地理位置、设置意义、地形地貌、气候梯度、土壤类型、土地利用格局、植被类型、主要优势种和群落类型的生态地理特征以及全新世适宜期（大暖期）的植被分布格局。NECT将成为我国全球变化与陆地生态系统(GCTE)与其它IGBP核心项目研究的前沿阵地。 7.自然保护区的作用、建设和管理及其与生物多样性的关系 一般而言，“就地保护”是保护生物多样性的主要措施和最根本的途径，生境的“就地保护”是生物多样性保护最为有力和最为高效的保护方法，而就地保护的措施就是建立自然保护区，通过对自然保护区的建设和有效管理，使生物多样性得到切实有效的人为保护。从自然保护区定义和类型划分及生物多样性的定义本身可以看出，自然保护区的主要保护对象是世界上丰富多彩的生物多样性，自然保护区是生物多样性就地保护的重要基地，是物种多样性的基因库，是留给野生动植物的宝贵栖息地，应把保护区的建设和生物多样性的保护与持续利用密切结合起来，合理开发利用自然资源，促进生物多样性的可持续发展。

复合生态系统油画结构与全球变化研究

在分析毛乌素沙地自然、社会经济、人文等条件与现状的基础上，诊断生态经济复合系统运行的限制因素及有利条件。运用线性规划的理论与方法进行系统的优化设计。为保证生态经济复合系统的持续发展，降水量以80%保证率的280mm计算为宜，则径流园林区的种植覆盖度可达到65%;高效农牧区的种植覆盖度可达到75%，最大不超过80%。同时表明在毛乌素沙地高效生态经济复合系统持续发展的限制因子主要是水分。 根据植物的生理生态学特点及诸气候要素建立了农业净第一性生产力模型，经我国27个省区农业生产力资料的验证表明，该模型较自然植被的净第一性生产力模型Chikugo模型和综合模型能更好地反应农业净第一性生产力。 根据自然植被净第一性生产力综合模型、农业净第一性生产力模型计算了我国自然植被及农作物的净第一性生产力，对我国自然植被与农作物对全球变化敏感性的研究表明：在所有可能的气候条件下，我国陆地生态系统的生产力表现出由东南向西北递减的趋势及明显的条带状分布，在西北地区形成明显的低值区。 根据叶面积指数、标准化差植被指数建立了中国森林植被净第一性生产力模型，经我国13组森林植被生产力数据的验证表明，该模型的预测结果与实测相符较好。通过与Chikugo模型和综合模型预测结果的比较，该模型在总体上优于Chikugo模型和综合模型。表明基于NDVI的净第一性生产力模型对我国森林植被有良好的适应性，可用于快速监测与预测我国森林生产力的动态变化。

全球变化下中国东北样带植物多样性梯度分析及气候-NDVI-植被的关系研究

中国东北样带（NorthEast China Transect, NECT）是位于中纬度温带以降水量作为主要驱动因素的陆地样带。本文的工作以此作为研究平台，利用生态信息系统（Ecological Information System, EIS）以及Microsoft Excel 7.0软件包建立了样带的地理数据库和植物多样性数据库，包括气候数据库、植被数据库、遥感数据库和内蒙内C_4植物数据库以及样带内生态系统特征数据库。在此基础上，主要研究了以下四个方面的内容： 1. 利用Holdridge的生命地带方法对NECT内的生物群区进行了划分。 主要是确定了生物群区间过渡带的位置与宽度，并预测了在全球变化三种模式下NECT内生物群区，尤其是过渡带的变化图景。湿度升高2 ℃后，过渡带的面积都呈扩大化的趋势。森林区对于降水量的变化反应很敏感。荒漠灌丛（即荒漠草原类型）由于其水热条件处于样带内较极端类型，因而对于全球气候变化反应也比较敏感。 2. 研究了NECT内的α、β多样性以及包括生活型、水分生态型、区系地理成分等在内的植物群落特征多样性的梯度变化规律。 研究了样带内的多样性梯度，提出了在样带内存在的α多样性测度问题以及β多样性沿样带的变化规律：样带内由东到西，β多样性逐渐升高，群落内物种被替代的速率变慢;两种植被类型边界上的两个样地之间的相似程度由东到西呈上升趋势;同一类型群落之间的物种周转率比不同类型群落间的物种周转率相对要低。同时将各个环境因子与α、β多样性作了回归分析，找出样带内决定α、β多样性的主要环境因子指标。 样带内沿43.5°N一线附近植物群落的生活型共有17类，水分生态型8类，区系地理成分包括17类，以此为基础分析了群落特征沿样带的变化规律。并探讨了生活型分布的历史地理原因。 3. 对样带气候－NDVI间的关系以及植被－NDVI的关系进行了探讨。 利用来自气象卫星的遥感数据一归一化植被指数（NDVI），和数值化后的样带1:100万植被图进行叠加，找到NECT内每种植被类型对应的NDVI值。样带内共有植被类型147种，反映在NDVI变化上的植被类型有106类。其中，自然植被101种。 影响年均NDVI分布的因子主要有经度、辐射日照百分率及7月温度，与经度呈正相关，与辐射日照时数及7月温度呈负相关。回归方程如下： NDVI = -220.426 + 3.273Lon - 80.338Ratio - 1.962T_7 (R~2 = 0.9714, F = 521.52, p < 0.001) 4. 研究了NECT内的光合功能型。 主要包括内蒙古地区的C_4植物及其生态地理特性。揭标C_4植物的分类群特性、生活型、水分生态型与区系地理成分等生态学特性。C_4植物分布的科属极其集中。C_4光合型为维管植物某些分类群（科、属、种）的特性，为它们固有的遗传特性。推断C_4起源于草本的某些科属。C_4植物为喜热、耐旱的类群。世界种、泛热带种、泛地中海种C_4植物较集中。 样带内的C_3、C_4功能型及其与环境因子的相关性。样带内C_4和C_3光合型植物组成比例由东到西表现出两高两低的趋势。分布主要与年均温和降水量呈显著相关。 提出了一种新的C_3、C_4鉴别方法。即根据野外测定的光合数据建立了C_3、C_4的判别模型： f_1(x) = -1.5493 + 0.1427Pn + 0.1035Tr + 0.3768ΔT + 0.1000Gs f_2(x) = -15.6142 + 1.0542Pn - 0.2503Tr - 0.2957ΔT + 0.6491Gs 最后，综合7个GCMs模型（GFDL，GISS，LLNL，MPI，OSU，UKMOH，UKMOL）的输出结果，利用此结果和本文建立的回归模型，模拟了样带内生物多样性的窨分布格局，并预测了末来全球变化下归一化植被指数NDVI的空间分布格局的变化。

四类气候－植被关系模型的比较研究

本研究应用数字地球技术，基于1950年～1980年的全国958个气象站的基本气象数据（包括气象站的经纬度，海拔，月均温，月降水，年均温， 年降水，日照时数，日照百分率，风速等），比较了四个不同的根据水、热平衡原理设计的气候一植被关系模型(Penman模型、Holdridge生命地带系统、和Kira方法Thomthwaite模型)在中国应用的一致性和适用性。结果表明：(1) Penman模型在温带草原区和青藏高原地区的一致性指数超过50%，在青藏高原最出色，最有发展潜力。(2) Thornthwaite模型在热带雨林、季雨林区达到39. 72%，可以弥补Holdridg模型在热带地区分类精度的不足。(3) Holdridg生命地带系统在不同地带间适用性最广;只在热带地区，例如西部季雨林、雨林区域(52)、西部草原亚区域(63)和青藏高原温性荒漠地带(86)以及青藏高原温性草原地带(84)不理想。(4)吉良(Kira)方法在亚热带常绿阔叶林区可与Holdridg模型相媲美;在低海拔和湿润、半湿润地区效果尚可，但在温带荒漠区与青藏高原区的模拟效果与实际相差较远。 这四个传统的分类方法在中国植被区划一级分类上是适用的，Holdridge生命地带系统KAPPA -致性指数达到0.57模拟效果优于其它三者，但在特定地区，如青藏高原，所有模型均需改进优化或启用新的模型因子才能很好地区分植被亚地带。本研究还指出，数字地球技术的应用有助于推动气候一植被关系的研究，尤其在气候一植被指标（气候参数和模型参数）的大范围实时动态监测、气候一植被关系数据的海量信息高效、有序基础管理和功能型模型库支撑框架体系方面。

全球变化的中国北方林生态系统生产力及其生态系统公益

基于我国北方林一兴安落叶松林的实际观测资料对国际著名的CENTURY模型进行了验证，进而模拟了我国北方林一兴安落叶松林的碳循环动态;结合全球变化的预测结果，模拟了全球气候变化下中国北方林生物量、生产力以及碳吸收能力的变化;并且预测了大兴安岭地区的自然干扰因子（林火）和人类活动（采伐、搂除枯枝落叶）对兴安落叶松林碳循环的影响。建立了综合反映兴安落叶松林生物学特性（年龄、蓄积量）及气候因素（年均温、年降水）共同作用下的兴安落叶松林净第一性生产力模型一材积驱动模型。评估了我国森林的生态系统公益价值，并建立了森林生态系统公益价值与其总生产力的回归关系。具体结果如下： (1) 我国北方林的植物总生物量为112. llt．hm-2，净第一性生产力为403. 07gC.m-2.a-l。 (2) 建立了兴安落叶松林的生物气候生产力模型： NPP= (0.3318ln (V/A) +0.4747)×30 (l_e-0'0009695E) 为基于森林资源清查资料与气候资料估算森林生产力提供了方法。 (3) 兴安落叶松林生态系统每年可净吸收碳2.65 t．hm-2，是一个重要的碳汇。 (4) 大气C02浓度倍增将使兴安落叶松林的净笫一性生产力增加9. 8%，并且提高了兴安落叶松林的碳汇功能。 (5) 温度上升将增加兴安落叶松林的生物量和净初级生产力，并且其碳汇功能也有所提高。对兴安落叶松林生长的主要限制因子是温度而不是水分。 (6) 林火使兴安落叶松林的生物量降低，但同时也促进了兴安落叶松的更新及幼树的生长，火烧后兴安落叶松林的生产力均有所增加。火烧的强度越大，烧死的森林生物量越多，火后的恢复期也越长。 (7) 一定强度的采伐有利于兴安落叶松林的更新和幼苗、幼树的生长，从而既得到了直接的经济效益，同时又可以保持一定的生态效益。 (8) 搂除枯枝落叶层在短时间内促进了兴安落叶松林的生长，但长期下去，则将导致土壤越来越贫瘠，不利于森林的生长。 (9) 兴安落叶松林所创造的生态系统公益的总价值约为2409.96×106US$．a-，其生态效益的价值是其所创造的经济价值的2.52倍，反映了生态效益的显著性。 (10) 在对我国各类型森林的生态系统公益价值评估的基础上建 立了森林生态系统公益价值与其生产力的回归关系：Va=108.25×1 06×(Tp)0'93，简化了生态系统公益价值的评估计算工作。

西北干旱区多种植物地理分布与气候的相关性及其可能潜在分布预测

　　作为西部大开发的关键地区，西北干旱区由于地理位置和环境条件的独特性、生态系统的脆弱性以及人类活动的长期干扰，对其周边乃至全国的生态环境有较大的影响，在这一地区研究植物种分布与气候的关系，并模拟预测其可能的潜在分布范围，具有理论上和实践上的重要意义。 　　通过广泛收集了西北干旱区优势种和常见种的地理分布资料，共选择128个植物种，利用Holdridge的生命地带分类系统，计算各植物种的生物温度(BT)、可能蒸散(PE)、降水量(P)及可能蒸散率(PER)，分析植物种与气候的相互关系，并将所有植物种进行经验归纳分类。随后，对这砦植物种及其气候信息进行TWINSPAN定量分类，并与经验分类结果相比较，得出西北干旱区128种植物的生态气候分类，分属于以下几大类型：高寒草甸、森林一草原过渡带、草原（典型草原、荒漠草原）、荒漠（草原化荒漠、荒漠、高寒荒漠）。具体来说，包括以下17个生态气候类型： 1)高寒草甸：异针茅。 2)森林一草原过渡带：牛尾蒿、鬼箭锦鸡儿、沙棘。 3)草原a：沙蒿。 4)草原b：长芒草、百里香（变种）、多叶隐子草、贝加尔针茅、大针茅。 5)草原c：羊茅、小叶锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、线叶菊、华北岩黄芪、廿青针茅、碱蒿、内蒙古沙蒿、裂叶蒿、狭叶锦鸡儿、山竹岩黄芪、女蒿、小蓬、两伯利亚杏、沙地柏、角果碱篷、霸王、糙隐子草。 6)草原d：紫狐茅、紫花针茅。 7)草原一荒漠草原a：包括沙竹、琵琶柴、吉尔吉斯针茅。 8)草原一荒漠草原b：华北米蒿、差巴嘎蒿、星星草、长芒针茅、铁竿蒿、柠条锦鸡儿。 9)荒漠草原：沙生冰草、蒙古冰草、羊草、冷蒿、中亚紫菀木、刺旋花、老瓜头、木贼麻黄、西伯利亚白刺、唐古特白刺、戈壁针茅、石生针茅、盐地碱蓬、冰草、蓍状亚菊、油蒿、木蓼、刺针枝蓼、长枝木蓼、中间锦鸡儿、尖叶盐爪爪、黄花琵琶柴、松叶猪毛菜、珍珠猪毛菜、东方针茅、囊果碱蓬、四合木、白滨藜、短脚锦鸡儿。 10)草原化荒漠，荒漠a：川青锦鸡儿、优若藜、苦艾蒿、无芒隐子草、沙冬青、籽蒿、地白蒿、菭草、齿叶白刺、绵刺、盐角草、多枝柽柳、盐生假木贼。 11)草原化荒漠．荒漠b：蒿叶猪毛菜、短花针茅、芨芨草、灌木亚菊、博乐蒿、小蒿、喀什蒿、南山短花菊、盐爪爪、木本猪毛菜、针茅、细枝盐爪爪。 12)草原化荒漠．荒漠c：白梭梭、白羊草、无叶假木贼。 13）干旱荒漠a：戈壁短花菊、荒漠细柄茅、刺蓬、沙生针茅、多花柽柳、细枝柽柳。 14)干旱荒漠b：梭梭柴、铃铛刺、天山猪毛菜、帕米尔麻黄、座花针茅、旱蒿、克氏狐茅、短叶假木贼、准格尔沙蒿、长穗柽柳、刚毛柽柳。 15)高寒荒漠植被：匍生优若藜。 16)干旱荒漠c：粉花蒿、白杆沙拐枣、膜果麻黄、花花柴、灌木紫菀木、裸果木、合头草、塔里木沙拐枣。 17)超干旱荒漠植被：沙拐枣、胡杨、盐穗木、灰杨、盐节木、圆叶盐爪爪。 　　综合分类结果表明：多数植物种的生态气候类型与实际生境相符，但也有少数植物种有明显偏差，主要原因有三点：首先，某些种的分布范围超出了西北干旱区，在东北、华北、甚至全国范围内分布，所计算的植物种的气候范围本身存在局限性;其次，西北干旱区的研究资料如植物种的分布范围、分布点的气象资料等有许多缺失：最后，由于文献中对某些植物种分布范围的描述比较笼统，无法确定其精确的地理分布界限，使得植物种所对应的分类结果与其真正所属的植 被类型有一些偏差。 　　本文还进一步在这128种植物中选取了10种分布明确、资料齐备的代表性植被类型的优势种，根据它们的降水和生物温度指标，模拟预测了它们的可能潜在分布区，包括其主要中心分布区和最大可能分布区，并与实际分布范围进行比较。结果表明．其潜在分布区的分布范围与实际调查所得资料所处范围基本一致，特别是中心分布区的预测图，而最大可能分布区与实际有一定误差。

土壤有机碳和氮的分布及其对气候变化的响应

碳、氮不仅是生物体必需的营养元素，也是重要的生态元素。大气中温室气体C02、N2O等浓度的增加使得碳、氮的生物地球化学循环及其温室气体的减缓排放措施研究成为全球变化研究中的热点问题。 土壤是陆地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的纽带;它是陆生生物赖以生存的物质基础，是陆地生态系统中物质与能量交换的重要场所，其在全球碳、氮循环中起着十分重要的作用。一方面，土壤有机碳和氮的含量与分布直接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，同时土壤有机碳和氮的转化与迁移又直接影响到温室气体的组成与含量。而土壤本身又是生态系统中生物与环境相互作用的产物。因此，研究土壤有机碳和氮的分布、转化及其对全球变化的响应对于正确理解碳、氮的生物地球化学循环及其对全球变化的响应制定应对策略具有重要意义。 全球变化的陆地样带是从机理上理解陆地生态系统对全球变化的响应，预测全球变化对陆地生态系统的可能影响，实现预警、调节和减少全球变化不良影响，科学地规划和管理陆地生态系统的有效平台。目前，国际地圈一生物圈计划(IGBP)基于不同地区全球变化驱动因素的不同以及全球变化的潜在反馈作用强度的不同，在全球4个关键地区共启动了15条IG8P陆地样带。以水分为主要驱动力的中国东北样带(NECT：Northeast China Transect)即为IGBP的陆地样带之一。 本文以中国东北样带为平台，基于2001年对中国东北样带科学考察所采土壤样品的实测结果和气候资料分析了土壤有机碳和氮的梯度分布及其与土壤、气候等因子之间的关系;借助C02浓度升高和不同土壤湿度的模拟试验探讨了土壤有机碳和氮对气候变化的响应;根据作物残体还田的长期定位试验和盆栽试验研究了作物残体还田对土壤有机碳和氮转化的影响，讨论了农田生态系统通过作物残体还田对减缓温室气体排放的效应。主要结果和结论如下： (1).样带表层土壤有机碳平均为22.3土4.93 g．kg-1，下层土壤有机碳平均为8.9±1.20 g．kg-1。样带表层土壤活性有机碳平均为3.52±0.881 g.kg-1，占表层土壤有机碳的13.1±0.78%;下层土壤活性有机碳平均为1.14±0.250g.kg-l，占下层土壤有机碳的10.9±0.79%。样带土壤活性有机碳与土壤有机碳之间呈极显著正相关关系(相关系数r=0.993，P<0.001)。 (2).不同生态类型土壤有机碳和活性有机碳含量不同。中国东北样带东部(经度126°～131°)为温带针阔混交林山地，植被种类极其丰富，地带性土壤为暗棕壤，并且多为自然土壤，土壤有机碳和活性有机碳含量较高。但由于采样区局部地理环境、植被结构及人类干扰程度的不同，土壤有机碳和活性有机碳含量变异较大，平均为61.9±13.84 g．kg-1和10. 88±2.236g. kg-1。样带中部（经度119°～126°）为松辽平原栎林草原、农田区和大兴安岭山地草甸草原区，属半湿润向半干旱过渡的气候。该区域主要土壤类型为黑土、黑钙土、盐化或碱化草甸土及风沙土，土壤沙化、碱化严重，土壤有机碳和活性有机碳含量明显降低，平均为10.5±1.97 g．kg-l和1. 35±0.327 g．kg-1。样带中西部（经度113°～119°）为内蒙古高原草甸草原和典型草原区域，具有典型的半干旱气候特征。该区地带性土壤为栗钙土，局部丘陵区分布黑钙土，土壤有机碳和活性有机碳含量为14.6±1.65 g．kg-1和2.07±0.342g.kg-1。样带西部（经度111°～113°）为内蒙古高原荒漠草原区域，地带性土壤为棕钙土，土壤较为贫瘠，其有机碳和活性有机碳含量最低，平均为7.99±1.51 g．kg-1和0.51±0.216 g．kg-1。从总的趋势看，样带表层土壤有机碳和活性有机碳的梯度分布趋势一致，都呈现出随经度降低而下降的趋势，局部因土壤退化而出现波动。 (3).样带土壤有机碳和活性有机碳与土壤全量氮、磷、硫、锌及有效氮、磷、钾、锰、锌等均呈显著或极显著相关关系，与土壤PH、容重、持水量及孔隙度也呈显著或极显著相关关系。土壤表层有机碳和活性有机碳与降水量之间具有正的相关关系，其相关系数为r=0.677（P<0.001）和r=0.712（P<0.001）。但下层土壤有机碳和活性有机碳与降水量之间没有显著的相关关系。 (4).样带下层土壤有机碳和活性有机碳与经度之间仍具有显著的相关关系（r=0.454，P=0.026; r=0.473，P=0.020）。样带下层土壤有机碳和活性有机碳的变异小于表层。不同的生态系统，下层土壤有机碳和活性有机碳与表层土壤有机碳和活性有机碳的比率不同。总的来看，土壤活性有机碳含量随深度的增加而下降的幅度大于土壤有机碳。 (5).短期培养条件下，CO2浓度升高及干旱胁迫下，土壤有机碳的变化不大，其变异系数为1.28%;相比较之下，土壤活性有机碳对气候变化比较敏感，其变异系数为29.67%。不同土壤湿度，土壤活性有机碳含量发生变异的幅度因CO2浓度升高而降低。 (6).样带土壤全氮和有效氮与经度呈极显著正相关，其相关系数分别是r=0.695 (P<0.001)和0.636(P<0.001)。土壤表层全氮和有效氮的梯度分布与土壤有机碳的分布基本一致：沿经度呈现东高西低的趋势，局部由于土壤退化而出现低谷。样带除东部山区外，其它各部分土壤有效氮都很低，成为其植被生长的限制因子之一。样带下层土壤全氮和有效氮的含量低于表层，但样带不同部位下层土壤全氮和有效氮下降的幅度不同。总的来看，土壤全氮的剖面分布和土壤有机碳相似，而土壤有效氮则有所不同。 (7).土壤全氮和有效氮是土壤生化环境中两个重要的因子。样带土壤全氮和有效氮和土壤有机碳、全磷、全硫、全锌、土壤活性碳、有效磷、有效钾、有效锰、有效锌、土壤容重、田间持水量土壤总孔度等因子均呈显著或极显著的相关关系。 (8).样带表层土壤全氮和有效氮与降雨量之间呈极显著的正相关关系，相关系数分别是0.682(P<0.001)和0.688(P<0.001)。而下层土壤全氮和有效氮与降雨量之间的没有显著的相关关系（r=0.241，P=0.256; r=0.366，P=0.079）。土壤有效氮占全氮的比例与年均温呈显著正相关关系（相关系数r=0.390，p=0.044）。 (9).短期培养试验中，CO2浓度加倍和不同土壤湿度对土壤全氮和有效氮的影响没有达到显著水平。整个试验中土壤全氮和有效氮的变异较小（变异系数分别是5.55%和3.84%），但仍能反映一定的变化趋势。 (10)．玉米残体还田能够增加土壤氮素含量，减轻因其作为燃烧材料而造成的氮素损失和对大气的污染;玉米残体施入土壤，增加了土壤微生物氮含量，提高土壤氮活性，有利于土壤氮素养分的协调供应;玉米残体还田能够促进氮素从营养器官向籽粒中转移，提高氮素养分的利用效率。同时，玉米残体还田可以降低土壤NO3--N的累 积，减少肥料氮的损失4.7～5.6%。 (ll)．根据国内外文献和我们连续10年作物残体还田的肥料长期定位试验及盆栽试验结果，从减缓CO2排放、增加土壤碳固存、提高土壤生产力入手，分析了农业生态系统作物残体还田的必要性与可行性，讨论了农田作物残体还田，增加土壤碳固存对于减缓CO2排放、提高土壤生产力的作用与意义。提倡作物残体因地制宜地归还土壤，但作物残体还田后土壤固存与减缓温室气体排放的潜力还需要进一步进行研究。

中国植物功能型-生物群区的划分

气候在大尺度上决定着植被的分布、结构和组成，植被结构和生理状态的改变可以通过改变植被的反射率、粗糙度以及水分通量进而影响气候，这样形成了气候一植被的相互作用。在植被一气候相互作用的研究中，植物功能型是重要的概念和方法，它可以在详尽描述植被生物物理和生理特征的同时，有效削减植被的复杂性。植物功能型的概念和方法已经在植物群落、生态系统的复杂性和功能、古植被和古气候研究，以及陆面过程模型和动态全球植被模型中得到了广泛的应用。但是针对我国植被-气候的相互作用和区域尺度的全球变化研究，还需要一套特定的植物功能型．生物群区体系。 　　本论文根据我国植被生态学和植被分类的研究背景，结合植被．气候相互作用和区域全球变化研究的需要，提出了一套适宜于中国的植物功能型．生物群区划分方案。首先，根据中国植被和气候特征，筛选并确定了影响植被生物物理和生理属性以及植被分布的6个关键的植物功能特征：然后，根据这6个特征，对植物进行功能型划分，得到了29类植物功能型：再根据我国植被的实际情况和研究需要，选定了其中的18类作为我国的植物功能型。这套功能型包括了7类‘树’功能型，6类‘灌木’功能型和5类‘草’功能型，其中含有4类高寒植物功能型，专门用于描述青藏高原的植被分布，并根据需要设置了2类‘裸地，功能型。 　　根据我国气候一植被分布定量关系的相关研究以及BIOME1和Box体系的研究结果，选定7个环境变量作为限制我国植物功能型分布的关键气候因子：最冷月平均气温、最暖月平均气温、大于50C的有效生长积温、大于OºC的有效生长积温、Priestley-Taylor系数（实际蒸散与潜在蒸散的比值）、降水量、最暖月和最冷月平均气温之差。采用半峰宽法初步确定每个植物功能型的环境限定因子取值范围。并根据这套植物功能型及其环境参数建立了适宜于我国的生物群区体系，从而得到了我国的植物功能型-生物群区体系(the Chinese Plant functional Types and Biomes，CNPB)。 为了验证这套植物功能型-生物群区体系，将BIOME1和中国的植物功能型生物群区体系(CNPB)对中国植被在当前气候条件和未来气候情景下分布的模拟结果进行了比较。结果表明，这套体系可以更有效地模拟中国植被在当前和未来气候条件下的分布，特别是对青藏高原植被描述的详细程度有实质性的提高。

京北农牧交错区植物功能型研究

植物功能型的研究是全球变化研究当中最重要的创新之一，作为新的研究手段，已经被广泛用来研究全球变化的影响。而关于不同植物功能型对全球变化的生理生态反应、植物功能型对全球变化的适应机制及植物功能型演变在全球变化中的作用等方面的研究报道却很少，相关方面的研究尚处于起步阶段，而这些恰恰是植物功能型研究的基本点和最终目的，尤其对于全球变化预测模型的研究具有深远的意义。因此深入开展区域环境或全球变化下植物功能型的变化和适应机制研究能为最大程度地获得全球变化对未来影响提供重要信息。 　　本研究中我们对京北农牧交错区的植物功能型（光合功能型和形态功能型）进行了研究。利用稳定性同位素判定法对锡林郭勒草原四种不同草地类型植物功能型进行了分析研究，在调查的125种维管植物中有4种C4植物，其中禾本科和藜科各有2种，C4植物约占该地区调查植物总数的3%，C3 植物为94%、CAM植物为3%。研究中发现利用稳定性同位素技术判定CAM类型存在一定的局限性，需要采用辅助实验进行补充。研究结果还表明自东向西，在草甸草原－典型草原－荒漠草原这一系列草原类型中随着降雨量的逐渐降低，植物种类组成逐渐降低，但C4/C3的比例却有升高的趋势，说明植物光合类型的组成与水分梯度相关。在相同的环境梯度下，多年生高禾草和多年生杂类草呈现显著减少的趋势;而一年生杂类草，多年生矮禾草、灌木和鳞茎类植物呈现显著增加的趋势。这些结果为我们预测该地区植物功能型对全球变化影响的响应提供了依据。 　　在北京北部农牧交错区对不同生境类型的植物功能型进行了研究，该区域有C4植物68种。具有C4 植物的科相对集中，主要分布在禾本科（29属43种）、莎草科（4属16种）和藜科（3属5种）。菊科、豆科和蔷薇科这3大科中没有发现C4 植物。C4植物约占该地区调查植物总数的9%，C3 植物为89%、CAM植物为2%。多年生高禾草和多年生杂类草的比例无论从生长条件良好的草地到沙地，还是从草地到弃耕干扰地都呈现显著下降的趋势，而一年生杂类草和一年生禾草的变化却呈相反的变化趋势。C4植物中一年生植物占的比例最大，而且各个生境中C4植物在一年生植物的比例均超过30%，这说明该地区各个生境植被都已有相当程度的退化。上述结果证明植物功能型能在不同生境尺度上反映土地利用的变化。 　　对典型农牧交错区（多伦县）植物功能型研究表明，在该地区调查的11个群落中有4种C4植物（2科3属），其中禾本科3种、藜科1种。 C4 植物约占该地区调查植物总数的4.5%，C3 植物为95%，CAM植物为0.5%。研究结果表明随着土壤水分含量的降低，C4 功能型以及一年生杂草、一年生禾草、多年生矮禾草对群落水分利用的贡献呈现出显著增加的趋势，而多年生杂类草和多年生高禾草则呈现相反的变化趋势。不同植物功能型的水分利用效率是一个相对稳定的指标，可能成为我们进行更大尺度水分变化分析的有力工具。多年生杂类草和多年生高禾草对维持该地区生态系统生产力以及稳定性具有至关重要的作用，随土壤水分的下降，二者的地位和作用均呈现下降趋势，因此可能导致该地区草地生态系统生产力和稳定性的持续下降。在植物功能型鉴定的基础上，分析了多样性与土壤水分和生产力关系，研究发现植物功能型多样性与土壤水分和生产力相关性更为显著。 　　对3个研究地点植物功能型的比较研究发现，就植物光合功能型而言，随降水量减少和温度降低，单子叶C4光合功能型比例呈现显著下降趋势，而双子叶C4光合功能型却呈现显著增加的趋势;植物形态功能型在区域尺度上没有而呈现出明显的变化趋势。研究表明植物光合功能型对于大尺度下环境因子的变化具有敏感的响应，而植物形态功能型可能更适合在中小尺度下研究环境的异质性以及土地利用方式的变化。 　　

克氏针茅(Stipa krylovii Roshev.)草原植物凋落物分解特性及其对环境变化的响应

凋落物的分解对生物地球化学循环起着重要的作用。本研究以位于中国北方农牧交错区（内蒙古多伦县）的半干旱克氏针茅(Stipa krylovii Roshev.)草原生态系统为背景，针对凋落物分解研究中的几个关键过程和问题进行了探讨。研究内容包括该生态系统中几种常见植物凋落物的分解速率，在分解过程中的养分动态，凋落物的混合效应（即非加性效应）及其机制，全球变化引起的土壤有效N、P和降水增加对凋落物分解的影响及其对草原生态系统碳储量的影响等。 通过对克氏针茅、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa Trin.)、双齿葱(Allium bidentatum Fisch.)、野韭(Allium ramosum L. Sp. Pl.)和冰草(Agropyron cristatum Gaertn.)的叶、茎、根凋落物的研究发现，叶和茎的分解速率与凋落物初始N和P含量呈显著正相关，根系的分解速率与初始C/N比呈显著负相关。根系凋落物一般比叶和茎凋落物分解速率快，而且具有更快的养分周转速率。有些凋落物混合在一起分解后对分解速率产生了混合效应（混合凋落物的实际分解速率偏离于基于组分凋落物计算的预期分解速率），同时它们对养分（主要是N、P、Ca、Mg）的固定或释放被延后。混合效应发生与否以及混合效应的方向主要取决于组分凋落物的特点，而与凋落物多样性的高低没有明显的关系。混合凋落物对养分动态的负作用，能降低退化生态系统遭到干扰后养分的损失，而且养分释放时间的延后有助于某些植物更好地生长，有利于退化草原生态系统恢复过程中植被结构的改善。 由于凋落物的质量对分解速率的影响重大，凋落物的化学组成很可能对混合凋落物分解过程中的非加性效应起重要作用，然而迄今为止没有明确的结论。本文研究发现，具有不同初始N、P含量的凋落物（同一物种）混合在一起分解后产生了正的非加性效应，非加性效应的强弱与组分凋落物初始N、P含量的差异大小有关。而且，非加性效应与P含量差异大小的相关性比与N的强，这可能与研究地点土壤中P的含量相对更为缺乏有关。这一研究结果表明，凋落物的化学组成在有些情况下确实与非加性效应有关。 通过施肥和浇水试验，研究了全球变化引起的土壤有效N、P和水分的增加对具有不同生活型和化学组成的两种优势草原植物，即双齿葱和克氏针茅凋落物分解的直接影响。结果发现，向土壤中添加N肥或N、P复合肥，在短期内（100天）加速了这两种植物的分解速率。高质量凋落物（双齿葱）的分解更容易受到土壤水分条件的限制，而低质量凋落物（克氏针茅）的分解对土壤养分有效性更敏感。土壤中有效养分的增加会提高分解凋落物对养分的固定，有利于退化生态系统中养分的保持。双齿葱对内蒙古半干旱典型草原的碳循环和养分动态的贡献，比克氏针茅要更大。研究结果提示人们，对草原生态系统的碳循环和养分动态进行模拟时，需要对不同化学组成的凋落物分别加以考虑。 本文还探讨了土壤有效N长期增加后对两种优势草原植物（克氏针茅和冷蒿(Artemisia frigida Willd)）凋落物分解的综合影响，并进一步区分了由土壤有效N增加引起的凋落物质量改变的间接作用和土壤状况改变的直接作用。结果发现，土壤有效N长期增加后对凋落物的分解速率没有明显影响，但是显著加速了分解凋落物对养分的固定，这可能是由于凋落物质量对分解的促进作用和土壤状况对分解的抑制作用相互抵消的原因所造成的。向土壤中添加N素后，地上部植被生产力不可避免的会提高，尽管短期内会加速凋落物的分解速率，但从长远来看，对凋落物的分解速率不会产生影响，所以估计土壤有效N增加后最终会提高草原生态系统的净碳储量。 通过本研究，对中国北方农牧交错区（内蒙古多伦县）半干旱克氏针茅草原生态系统的养分循环过程有了初步的了解，验证了混合凋落物分解过程中非加性效应发生的可能性，并且证明组分凋落物的初始化学组成对这种非加性效应确实起着重要作用。本研究说明全球变化对不同植物种凋落物分解的影响是不同的，而且因研究时间长短的不同对凋落物分解的影响会发生变化。研究结果为草原生态系统碳和养分循环过程的模拟提供了必要的基础资料，为混合凋落物分解过程中非加性效应发生的可能机制提供了强有力的证据，对在全球变化背景下人们对草原生态系统碳和养分循环过程的认识和模拟有着重要的参考价值。

土地利用方式对内蒙古农牧交错区草地生态系统的影响

陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的基础。由于其巨大的碳储存能力陆地生态系统在全球碳循环过程中发挥着重要作用，尤其是在延缓因大气中CO2浓度升高所引起的气候变化方面作用更为突出。作为世界上最广布的植被类型之一，草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，其面积占到全球陆地面积的五分之一。中国有着世界第二大的草地生态系统，面积为3.55×108 hm2，约占世界草地面积的6％～8％，其碳储量为世界总碳储量的9％～16％。以内蒙古高原为主体的北方草地，面积约占国土总面积的40％左右，是一种重要的可再生的农牧业资源;作为一种重要的绿色生态屏障，北方草地在调节气候，涵养水源，防风固沙，净化空气和美化环境等方面起着重要作用。由于人口的增长和经济发展的需求，许多土地利用方式呈现在北方农牧交错区。地处内蒙古高原南麓的多伦县属于典型的农牧交错区，良好的气候条件和复杂的人文环境决定了多种土地利用方式在这一地区的并存，为开展不 同土地利用方式对草地生态系统影响的研究提供了天然的研究场所。 本研究选择了多伦县境内的6种土地利用方式作为研究对象，即围封禁牧样地、刈割禁牧样地、自由放牧样地、人工（紫花苜蓿）草地、农田（青贮玉米）和弃耕地，主要研究在这几种不同的土地利用方式影响下，土壤碳氮储量、草地生态系统功能（生产力等）和群落结构的变化。通过对土壤碳氮储量变化的研究发现： (1) 不同土地利用方式因其地上净初级生产力的不同而影响了土壤的碳氮储量，但是高的地上初级生产力并不一定能提高土壤的碳氮储量，如青贮玉米地。这主要是因为土壤碳氮储量与根系和凋落的输入相关。 (2) 不同土地利用方式对植被的浅层（0-20 cm）根系影响较大，继而影响了土壤的碳氮储量。这是因为大约80％的根系碳氮和50％的土壤碳氮储量都集中分布在这一层次。而土壤潜在库容的进一步扩大则要依靠深层根系生物量的增加，以提高深层土壤的碳氮含量，如人工（苜蓿）草地。 (3) 在合理利用方式或者科学管理措施下，草地土壤有机碳储量处于8 kg C m-2到10 kg C m-2之间，比过度退化草地的有机碳储量提高了50％。 (4) 经过短期恢复，土壤的库容量会很快增加，表现出较强的储存功能。因此，通过合理的土地利用方式和管理措施，中国北方农牧交错区可以转变成一个巨大的碳汇。 通过对不同利用方式下草地生态系统的功能、群落结构和物种多样性恢复的研究，得到如下实验结果： (1) 与自由放牧相比，短期（5年）禁牧（围封和刈割）提高了草地的地上净初级生产力和物种数目。围封禁牧和刈割禁牧草地的地上净初级生产力分别比自由放牧草地高出107.3％和50％;而物种数目则分别比自由放牧草地增加了14.8％和25.9％。 (2) 围封和刈割禁牧，尤其是后者，主要增加了非禾本科草本植物在群落中所占的比例;而在自由放牧草地，灌木和半灌木种群在群落中占有绝对优势。 (3) 物种多样性和生产力间的关系因外部干扰程度的不同而变化。在轻度干扰（围封禁牧）和中度干扰（刈割禁牧）下，生产力和物种多样性间呈指数正相关关系;而在重度干扰（自由放牧）下，群落地上净初级生产力随着物种多样性的增加呈指数递减的趋势。 通过对不同土地利用（或干扰）方式下，草地生态系统小尺度上的空间属性进行分析后，得到以下研究结果： (1) 群落和物种的地上生物量以及土壤养分均表现出显著的小尺度空间结构特征，并且在不同利用方式影响下，这种空间属性表现出较大的差异。 (2) 禁牧（围封和刈割）草地的土壤有机碳和氮含量比较高。土壤有机碳的变程较小，变化范围为0.83～1.40 m，其在三种类型土地利用的变异系数都维持在18.0％左右;土壤全氮的空间自相关尺度为0.46～14.69m，变异系数为12.10％～30.86％。 (3) 群落地上生物量以禁牧（围封和刈割）草地较高。在围封禁牧和刈割禁牧草地内的变异系数分别为26.48％和19.94％，在自由放牧草地的变异系数为67.47％;其空间自相关尺度为0.74～3.9m。在不同的土地利用方式下，物种、功能群以及多样性指数都表现出显著的空间异质性，并且其空间属性变化各异。 (4) 土壤养分和植被的空间分布相互影响，互为因果关系。这种小尺度的空间格局差异是群落演替的驱动力，而不同的土地利用方式正是通过改变群落内小尺度的空间属性来影响了群落的演替方向。 在不同土地利用方式影响下，草地生态系统不仅在宏观功能，如生态系统生产力、群落结构和土壤的碳氮储量等方面表现出较大的差异，而且在微观结构上，如土壤养分和物种的空间属性等方面也发生了明显了变化，并且宏观和微观上的变化相互促进相互影响，它们的相互作用在很大程度上决定了群落的演替方向和草地生态系统全球变化过程中的具体作用。

全球变化背景下科尔沁沙地生态系统C、N循环过程

工业革命以来，由于人口的快速增加和人类活动的强烈干扰（主要包括煤炭、石油等石化燃料的燃烧、化肥生产和使用）导致土地利用/覆被变化、大气CO2浓度升高、N沉降等一系列全球环境变化问题。有关陆地生态系统生物地球化学循环，尤其是陆地生态系统C、N循环及其耦合过程方面的研究成为全球变化科学研究领域的重要内容。 干旱/半干旱地区占地球陆地总面积的1/3。与湿润地区相比较，干旱/半干旱地区生态系统稳定性比较差，往往属于生态脆弱区。因此，全球变化对干旱/半干旱地区生态系统影响更加敏感。科尔沁沙地位于我国北方干旱/半干旱地区，是我国典型的农牧交错区和生态脆弱区。科尔沁沙地是世界上人口密度最高的干旱/半干旱地区之一，人类活动对其影响剧烈。然而，有关科尔沁沙地生态系统C、N元素生物地球化学循环过程对土地利用/覆被变化、N沉降等全球变化响应及其反馈机制的研究非常缺乏。因此，本文以科尔沁沙地退化沙质草地、农田、不同年龄樟子松和杨树人工林等生态系统为对象，开展了造林、模拟N沉降和凋落物管理对生态系统C、N元素循环过程影响的研究。 在科尔沁沙地东南缘，以退化沙质草地、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林（15、24和30年生）、杨树（Poplus xiaozhuanica）人工林（7、11和15年生）为对象，研究草地转变为林地对生态系统C、N储量影响；以退化草地、榆树疏林草地和32年生樟子松人工林为对象，比较草地造林对土壤C、N循环过程及其土壤微生物性状的影响；以农田和5、10、15年生杨树人工林为对象，研究退耕还林对生态系统C、N储量和循环过程影响；以35年生樟子松人工林为对象，模拟研究N沉降和凋落物管理对生态系统C、N循环过程影响。通过上述研究，得到以下主要结果： （1）草地生态系统总C储量为34.38 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总C储量分别为43.56、60.45和66.59 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总C储量分别为34.54、48.26和78.77 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总C库储量下降13%，而10年和15年杨树人工林分别增加了176%和5倍；随着人工林年龄的增加，地上植被生物量C库储量占生态系统总C库储量的比例逐渐增加，并主要分配在树干。草地生态系统总N库储量为2.54 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总N库储量分别为1.96、2.10和2.19 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总N库储量分别为2.27、1.84和2.60 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总N库储量下降32%，而10年和15年杨树人工林分别增加了47%和76%；农田和草地造林后生态系统N储量依然主要分配在土壤中。 （2）草地和农田造林后土壤C、N库储量的变化受多因子的影响，例如林龄、树种种类以及立地条件等。农田和草地造林初期，土壤C、N库储量表现出下降趋势，随着林龄的增加，土壤C、N储量逐渐恢复。草地营造樟子松人工林30年后，0–60 cm深度土壤C、N储量依然显著低于草地；与草地相比，15年生杨树人工林土壤C、N储量差异不显著。在立地条件较好的情况下，10年杨树人工林土壤C、N储量已显著高于农田；然而，在立地条件相对较差的情况下，15年杨树人工林土壤C、N储量仍然与农田相比差异不显著。 （3）土地利用变化能够强烈地改变土壤C、N循环过程。与草地或疏林草地相比，32年生樟子松人工林土壤C、N、P含量显著降低；土壤C、N矿化过程发生显著变化，并且受季节变化的影响；在不同季节，土壤微生物量碳含量、代谢熵（qCO2）、微生物熵（MBC/TOC）以及土壤酶活性等在不同土地利用条件下表现出规律不一致。同样，农田退耕杨树人工林能够显著影响土壤C、N矿化过程，土壤无机氮（铵态氮+硝态氮）含量，土壤微生物量碳含量以及土壤微生物活性。草地造林在一定程度上导致土壤质量下降。而农田造林有利于土壤质量改善，尤其在在立地条件较好情况下。 （4）N添加增加对沙地樟子松人工林地上和地下C、N元素含量影响不大；N添加1年后，仅林下植被C、N含量显著增加，高氮处理（N15）凋落物N含量显著增加。N添加抑制了沙地樟子松人工林凋落物的早期分解和N、P元素释放。5、6、8和9月份土壤无机N含量均随着N输入增加表现出一定程度的增加，然而，7月份N添加导致土壤无机N含量降低。N添加对土壤潜在N矿化速率影响不显著。7和8月份N添加影响土壤C矿化速率，而其它月份影响不显著。低氮处理（N5）有利于增加土壤微生物量碳含量，而高氮处理（N15）在一定程度上降低土壤微生物量碳含量。 （5）凋落物输入变化（凋落物添加和凋落物移出）在一定程度上改变了35年生沙地樟子松人工林生态系统C、N循环过程。凋落物移出（C0）增加了林下植被C含量，降低了树木叶片N含量。凋落物移出抑制了凋落物分解和P元素的释放，而增加了C元素的早期释放速率，对N元素释放过程影响不显著。凋落物输入变化对不同月份土壤无机N含量和土壤N矿化过程影响均不显著。仅在6月份凋落物移出显著抑制了土壤C矿化速率，其它月份差异均不显著。凋落物管理对土壤微生物量碳含量影响不显著。 以上研究结果表明，土地利用变化、N沉降和凋落物输入改变等能够影响半干旱地区沙地生态系统C、N储量和循环过程。尤其是土地利用变化强烈改变沙地生态系统C、N储量、分配格局和循环过程，并且受到多因子的影响。科尔沁沙地樟子松人工林生态系统C、N元素生物地球化学循环存在密切的耦合关系。今后有必要进一步结合3S技术、同位素技术、模型模拟以及分子生物学技术等，从微观-宏观不同尺度上，研究半干旱地区沙地生态系统C、N循环过程对全球变化的响应及其反馈机制。