浑善达克沙地稀树疏林草地生态系统研究：生物量、生产力与生态恢复途径

荒漠化是困扰我国干旱和半干旱地区的重要环境问题，我国的四大沙地也是荒漠化最为严重的地区，从生态学角度提高对沙地的认识，探明其生物量和生产力对于了解沙地生态系统的结构和功能是非常有意义的。本研究以浑善达克沙地为例，对沙地的植被特点、生物量和生产力以及退化沙地的恢复策略进行了探讨。 通过对浑善达克沙地进行的植被调查发现，浑善达克沙地的稀树疏林草地景观由草本层、灌丛和榆树疏林构成，彼此呈相间排列、交替出现的格局。在丘间低地以地带性的草本层植物占优势，灌丛主要出现在沙丘和丘间低地的过渡地段，地下水位较高的地方。榆树（Ulmus pumila）是沙地的优势树种，占沙地乔木的95％，榆树疏林主要在固定沙地稀疏分布，占沙地榆树总量的84％。胸径10-25 cm的榆树占60％，幼树少见，这和放牧干扰有关。沙地的稀树疏林草地是不同于周围草原地带的隐域植被，带有明显的超地带性，同时因受地带性气候的影响，兼有地带性特征。 在碳循环方面，为了估测沙地植被的碳存储潜力，我们对浑善达克沙地的生物量进行了估测。整个沙地被分为六种生境，分别求算生物量，然后汇总。对于其中的榆树生物量建立了异速生长关系进行估算。结果表明，浑善达克沙地植被的平均生物量为21.30 Mg ha-1，其中丘间低地的贡献为65％。从生活型上看，草本层的贡献占优势，而榆树的贡献很小，仅为10％。平均地下/地上生物量的分配比例为2.9。与草地生态系统相比，浑善达克沙地的生物量要高出90％，表明沙地植被是草原地带内的隐域植被，特殊的土壤水热条件使它具有更高的碳存储潜力。沙地的大范围恢复将使该碳库通过碳获取得以实现。 净初级生产力（NPP）是生态系统功能的重要体现，它可以反映植被碳固定的能力。为了了解稀树疏林草地NPP的特点，我们对浑善达克沙地六种生境的NPP分别进行了求算，然后汇总。浑善达克沙地植被的平均NPP为11.06 Mg ha-1 yr-1，各生境的贡献不同，以丘间低地的贡献最大，达65％。生活型上看，草本层植物占优势，乔木的贡献仅为1.3％。地下/地上NPP为1.7，降水利用效率达10.9。浑善达克沙地稀树疏林草地的NPP比草地生态系统的平均值高59％。NPP的研究结果表明，沙地植被是和周围地带性草原植被存在显著差别的，这种高生产力将伴随沙地的恢复而实现，并有可能对沙地地区的碳循环产生影响。 为了探索荒漠化防治的新途径，在浑善达克沙地巴音胡舒嘎查开展了为期5年的退化草地恢复试验。结果表明，通过“以地养地”的模式可以使退化草地充分利用潜在恢复力进行自然恢复，并取得了明显效果。开辟高效地，种植高产玉米，在草地得到恢复的同时，牲畜仍然有充足的草料供应，牧民生活水平也有所提高。这种适合半干旱地区环境条件的恢复模式比在同样地区造林要有效和经济。据此，文章最后探讨了当前荒漠化防治中存在的误区和今后荒漠化防治应采取的策略。

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。

典型草原物候特征及其对生态系统功能的影响研究

植物物候反映的是植物(包括农作物)和环境(气候、水文、土壤条件)的周期性变化之间的相互关系。在气候变化背景下，植物物候已经发生了显著变化，并且对生态系统产生了重要影响。然而，目前的物候研究大多是针对木本植物，对于草本植物的研究则相对缺乏，而且草本植物的物候节律表现出较木本植物更为复杂的特征，不但受温度影响，亦受到水分因素的影响。 本研究利用内蒙古典型草原区克氏针茅草原建群种羊草和克氏针茅自1985～2003年19年的物候资料和气象数据，分析了物候特征及气候因子的变化趋势，探究了两种植物返青期和枯黄期的主导因子。结果表明，克氏针茅草原近20年来的气候发生了显著的变化，总体表现为温度升高、降水量降少、土壤水分含量减少。与以往物候研究结果不同的是，羊草和克氏针茅返青期在气候变暖的背景下却显著滞后。相关分析显示返青前期土壤水分是导致返青滞后的主要原因。对于枯黄期的相关分析同样显示水分因子是制约两种植物生长季结束的关键因子。在检验现有返青期和枯黄期物候模型对于典型草原适用性的基础上，本研究选择应用广泛、计算简便的CTM(Cumulative Temperature Model)模型作为改进返青期物候模型的基础，在其中加入了水分的影响，使得改进返青期物候模型可以很好的模拟典型草原植物返青期，模拟误差小于7天。同时，构建了考虑水分和温度共同影响的枯黄期模型。改进后的物候模型提高了DCTEM(Dynamic Chinese Terrestrial Ecosystems Model)模型的模拟精度。 基于耦合改进物候模块的DCTEM模型对影响生态系统NPP(Net Primary Productivity)、NEP(Net Ecosystem Productivity)和AET(Annual Evapotranspiration)的因子加以分析。结果显示，降水量是影响克氏针茅草原生态系统功能的主要因子，其对于NPP、NEP、AET以及土壤异养呼吸等均有不同程度的影响。其次，生长季长度变化对于克氏针茅生态系统功能呈现出显著的影响作用，其影响程度仅次于降水量。 为了量化在实际的气象条件下单位生长季长度变化所引起生态系统NPP、NEP和AET的变化幅度，设置了三个引起生长季长度变化的物候模拟情景(动态枯黄情景、动态返青情景、动态起止情景)以及对照情景。研究结果显示，不同情景下植物生长季长度变化对于生态系统功能有着不同程度的影响。动态枯黄情景下由于草原枯黄期使整个生长季每延长一天NEP增加3.11％，NPP为0.34％，对于AET的影响最小为0.06％;动态返青情景下，由于草原返青期波动使得整个生长季延长一天则NEP增加1.54%，NPP为0.15％，对于AET的影响最小为0.01％;在动态起止情景下，生长季延长一天则NEP增加3.37%，NPP为0.39％，对于AET的影响最小为0.06％。总体而言，由于枯黄期引起的生长季变化对生态系统功能影响程度比由于返青期引起的程度高。此外，不同的生态系统功能要素对于物候变化的影响程度也有所不同。在几种模拟情景下，NEP受到生长季变化的影响最大，其次为NPP，AET受物候变化影响最小。

改变土壤碳输入对我国北方温带草原土壤碳、氮库和碳、氮循环的影响

土壤是陆地生态系统最重要的碳库和氮库，在陆地生态系统碳氮循环过程中起着举足轻重的作用。植物光合作用产物向地下的分配(根系分泌、细胞凋亡和根系分解)和地上凋落物分解是土壤碳两个最主要的来源，关于这两种碳输入途径和量如何影响陆地生态系统土壤碳氮库和循环的有限理解，限制了我们预测陆地生态系统碳循环对于全球气候变化的响应和反馈。本实验以我国北方广泛分布的温带典型草原生态系统为研究对象，通过添加和去除地面凋落物以及割草改变植物对土壤的碳输入途径和量，观察温带草原土壤有机碳库和氮库各个组分(微生物生物量碳氮、活性碳、可溶性碳、轻重组碳、总有机碳、总有机氮)及碳氮循环(微生物呼吸、土壤呼吸、生态系统气体交换、净氮矿化)的变化，来区分和量化凋落物分解和根系分泌、分解这两种碳输入方式对草原土壤碳库和循环的相对贡献和影响，有助于揭示在全球变化背景下温带典型草原生态系统碳库和碳循环的响应机制，并为预测其未来变化动态以及对全球气候变化的反馈提供参数估计和模型校正和验证。 我们对各处理样方土壤温度、土壤水分以及土壤呼吸进行了一个生长季的测定，结果表明，添加和去除凋落物都使得土壤呼吸与对照相比都有所增加，但是都没有达到显著水平;而无论地上凋落物的量添加、去除还是不变，植物光合作用对土壤呼吸的影响则比较显著，去除植物显著地降低了土壤呼吸。这说明处理一年后，植物对土壤呼吸起主导作用，而凋落物处理对土壤呼吸的影响还需要更长时间的观察。此外，生物量的结果也表明了地上凋落物的改变会影响到植物生长，从而影响到植物对土壤的碳输入，但是都没有达到显著水平，仍然需要我们进行更长时间的处理和观察。 通过在生长季前期、中期、后期进行了三次氮矿化的测定，以及在生长季后期进行了一次微生物生物量测定，我们得出以下结论：添加凋落物加快了净氮矿化速率，但是没有达到显著影响水平;同样，去除凋落物降低了净氮矿化速率，也没有达到显著水平。此外，添加凋落物处理微生物生物量碳、氮都有所增加，与对照相比没有显著差异，但是显著高于另外几个处理。 通过本研究，我们对于根系分泌和地上凋落物分解这两种碳氮输入途径对我国温带草原碳氮循环的影响有了初步的了解。与森林生态系统相比，由于草原生态系统土壤碳氮含量低，土壤碳库和转化对碳输入途径和量的变化更为敏感，在处理第一年，土壤微生物量和土壤呼吸都发生了显著的变化。然而，由于改变土壤碳库是长时间日积月累的结果，草原生态系统某些指标对碳输入途径和量的变化的响应还需要较长时间才能显示出来，例如添加和去除凋落物虽然使得土壤呼吸值有所增加，但是还都没有达到显著的水平;另外碳输入途径和量的变化对草原生态系统氮矿化还没有产生显著的影响。这些都需要更长时间的处理和观测来验证。

内蒙古草原温度梯度上3个典型群落的能量平衡研究

通量测量点的能量收支总是表现出不平衡，即使在地势平坦、植被分布均一、稀疏植被下垫面的情况下也有约30%的能量失衡状况。能量平衡闭合 (EBC) 问题在验证涡度相关系统质量方面，得到了广泛的关注。实验在内蒙古草原3个地点，通过涡度相关系统附近移动能量平衡系统的测定手段，采用能量平衡余项法和最小二乘 (OLS) 线性回归法，研究了土壤热通量、净辐射及可供能量空间变异对能量平衡闭合的影响。 结果显示，EBC 在三个研究点的平均余项为8~19 W m-2，OLS 斜率为0.83~0.96。EBC 在土壤湿润情况的站点要高于干旱站点。 土壤热通量的空间变异三站点平均为白天48 W m-2 (占同时间 Rn 的13%)，夜间15 W m-2 (34%)，平均29 W m-2 (24%)。通过8个工作站的测量，这个变异会造成9% (从0.93到1.01) 的 OLS 斜率差别。夜间的能量平衡不闭合可以由土壤热通量的空间变异解释。如果在本研究的的三个草原站点上忽略了土壤热通量，则会造成较大的余项 (峰值时110 W m-2) 产生，从而使 OLS 斜率增大23%。特别是通量板埋置在地面以下30 mm处时，上层的土壤热储部分占到全部土壤热通量的50%，这不仅影响到 EBC 的大小，更起到调节土壤热通量与“真实的波形” 相一致的作用。如果该部分热储被忽略掉，EBC 余项会增加60 W m-2，OLS 斜率也会变化 (减少) 9%。用大尺度多点测量与涡度塔附近的小尺度测定相比较，后者表现出稍高的闭合率，即 OLS 斜率增加4%。 相对于土壤热通量，净辐射的空间变异较小，三站点平均为白天17 W m-2 (5%)，夜间7 W m-2 (13%)，平均 12 W m-2 (5%)。可以引起3% (从0.88到0.91) 的 OLS 斜率差异。研究结果还表明，风速校正应该在 Q7.1 净辐射仪中应用，校正后的结果与 CNR1 的结果在白天有吻合较好，但在其它时段仍有较大差异，特别是在夜间，风速校正基本不起作用，使得两种仪器间差异达20 W m-2。比较表明，风速校正可以提高白天 Rn 的6%，仅降低夜间0.3%。因此，无论是用余项法还是用 OLS 线性回归法，在比较使用不同仪器的站点间的闭合状况时 (本研究的结果适用于草地 Q7.1 与 CNR1 间的比较)，可以用9：00-15：00 h 时段的数据进行比较，这样可以避免因使用不同仪器的差异所造成的影响。用该时段的数据进行比较，仪器间的差异余项法小于6 W m-2，OLS 法小于3%。 受可供能量空间变异影响，三个站点平均 EBC 的不确定性为白天66 W m-2 (19%)，夜间23 W m-2 (50%)，平均42 W m-2 (36%);或者改变 OLS 斜率11%。用最大值和最小值来衡量，EBC 最大不确定性，正午时在站点 I、II 和 III 中分别为81，114和91 W m-2。故在探讨能量平衡和能量平衡闭合问题时，必须充分考虑到这种不确定性，否则会产生偏差，或者得出错误结论。 研究还表明，即使考虑到白天所有可供能量的最大不确定性，仍然不能使能量平衡闭合。中午 (12：00 h)，站点 I，II 和 III 仍然有14±15，48±12和47±14 W m-2 的失衡不能够归因于可供能量的空间不确定性。因此，其它影响因素也需进行细致的探讨。 在两站点不同测量深度土壤热通量结果的差异性比较实验中，无论在站点 I 还是 III，均表现出一致的结论，即随通量板布置深度加深，其测量结果会越高，与浅层布置的相比，差别可高达150 W m-2。深层土壤热通量的计算仍是个难题，需进一步研究。 在不同植被结构对净辐射测定影响的实验中发现，随刈割强度增加，一天中大部分时间净辐射均减少。正午依次为413，395和388 W m-2。无论正午还是全天合计，重度刈割地点的净辐射均比不刈割对照处理少6%，而且，在整个生长季也少6%，约合40,000 W m-2。测量高度不同，不同处理间对测定结果影响不同：刈割处理中，由于下垫面较均一，结果相差不显著;而对照则表现出较高的差异，用两配对样本T检验表明差异达到极显著 (P<0.000，9:30-15:00 h data)。当使用不同新旧程度的 domes 时，对净辐射结果会产生明显的影响。新 domes 的测量结果白天明显高，晚上明显低，使用了11个月的旧 domes，峰值时，白天低估25 W m-2，晚上高估10 W m-2。说明该差异在进行能量平衡闭合计算时，不能忽略。而全用新的和全用旧的进行比较，晚上仅有2-3 W m-2差异。 考虑生态系统中非生物因子对干扰条件下生物多样性动态和功能的影响，有助于更精确地阐明生物多样性-稳定性功能的关系。为此，设计了一个单因子刈割实验——内蒙古地区一种广泛存在的土地利用方式。主要目的是研究不同强度刈割影响下，微气候变量特别是能量平衡各分量和群落结构的变化及二者的关系。连续4年刈割，占第一位的优势种明显由低矮半灌木冷蒿 (Artemisia frigida) 取代了高大丛生禾草克氏针茅 (Stipa kylovii)。重度刈割下，针茅的盖度、生物量和丛重，群落叶面积、绿色生物量、凋落物量和群落高度一致低于轻度刈割/不刈割处理。微气候由于群落特征的这些变化也呈规律性变化。与对照相比，重度刈割降低了生长季土壤含水量的47.5%，但中午和日均土壤表面温度分别增加了7.4和1.2 °C，并且增加地表下2 cm土壤温度日较差 (日最高与最低温度之差) 4.2 °C。刈割处理由于凋落物少、反射强而表现出较低的净辐射，但土壤热通量显著提高，表现为土层加热和冷却快。因此，重度刈割处理较对照降低了可供能量8%，约合52,000 W m-2 。不同刈割强度间来看，NPP 或 LAI 与土壤热通量和净辐射的比值 (G/Rn) 以及波文比 (H/LE) 间呈负相关。重度刈割处理感热通量显著提高，但潜热通量在处理间差异不显著，表明未刈割处理虽然冠层伸展大，但是并没有导致更大的水分亏缺。未刈割处理增加了抵抗物种改变的能力，而刈割处理在连续一年一割的第四年显著增加了物种数，可能与因刈割影响而导致的群落结构与微气候的改变有关。本研究表明，未刈割处理可以减轻高温干旱季节的高温和干旱胁迫，表现出对环境变化的高抵抗性。未刈割处理的凋落物层和较高的垂直结构所形成的遮荫，可以形成一个阻挡蒸发的篱笆，这是维持其水分的保证。因此，为了恢复退化草原生态系统功能，需要修复能导致微气候变化的植物群落结构，否则难以成功。 本研究立足于原创性的实验研究，在中国特有的自然草原生态系统上开展，结合不同温度梯度的三地区涡度相关系统进行了能量平衡闭合的移动比较实验，以及结合常用土地利用方式的定点能量平衡实验。在翔实的数据基础上，为涡度相关方法的陆地表面能量平衡失衡问题提供了解释。增加了对两个主要能量流——土壤热通量和净辐射空间变异规律的认识，研究对于能量平衡和湍流通量相关研究是有价值的。在三个代表性地区首次利用多个净辐射仪和土壤热通量板的结果与三个标准的涡度相关系统进行了比较，这类量化失衡原因的相关研究应受到高度重视并进一步拓展，以提高对能量失衡的认识，进而推进水热和碳循环研究向更深层次发展。

草地生态系统土壤呼吸及其影响因素研究进展

土壤呼吸在全球碳收支中占有重要的地位,笔者对草地生态系统土壤呼吸在陆地生态系统碳平衡中的作用、土壤呼吸的分类及其影响因素等方面进行了综述。结果表明,草地生态系统土壤呼吸在不同时间空间各组分所占比例不同,生物、非生物及人为活动等因素对草地土壤呼吸影响各异,主要从土壤温度、气候变暖、土壤湿度、降水、干旱化、土壤C/N等非生物因素,叶面积指数、植物光合作用、植被凋落物等生物因素以及人类干扰活动等方面具体阐述这些因素变化对土壤呼吸产生的影响,并对草地土壤呼吸的Q10值及各影响因素间的交互作用进行归纳总结。提出草地生态系统土壤呼吸研究存在的问题和今后重点发展方向,并对未来草地生态系统土壤呼吸的研究工作做了进一步的展望。

黄土高原草地封育与放牧条件下土壤种子库特征

对半干旱区黄土高原草地在封育和放牧条件下土壤种子库种子密度、种子库组成、种子库物种多样性及均匀性进行了比较研究,并得出主要结论:1)封育提高土壤种子库的植物种类和密度,使优良禾草和多年生植物增加。2)种子库的垂直分布规律是随着土层的加深,种子在数量上递减的速度较快。3)坡向和坡位对土壤种子库有较大影响,种子库密度变化趋势是阴坡>阳坡;坡下部>坡中部>坡上部。4)从丰富度、Shannon-Wiener多样性和均匀性3个方面比较分析封育和放牧样地土壤种子库多样性,得出封育样地Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener指数都高于放牧地,Pielou均匀性指数低于放牧地。

川西北高寒草甸土壤呼吸研究：季节动态和放牧效应

除植被冠层的光合作用之外，土壤的呼吸作用是陆地生态系统碳收支中最大的通量。土壤呼吸即使发生较小的变化也能显著地减缓或加剧大气中CO2浓度的增加，从而明显影响到全球气候变化。土壤呼吸速率变化与否以及变化的方向可以反映生态系统对环境变化的敏感程度和响应模式。尽管如此，土壤呼吸仍是一个为人们了解不多的生态系统过程。 草地生态系统是陆地生态系统的一个重要组成部分。针对草地土壤呼吸进行野外实验研究和相应方法论的探讨将对区域乃至全球碳源汇性质的准确估算具有重要的科学意义。然而，近几年来关于草地土壤呼吸的主要研究工作都集中在温带草原和部分热带草原，而针对高寒草甸生态系统土壤呼吸的研究报道还很少。 2008年4月至2009年4月期间，我分别在2008年6、8、10、12月和2009年2月和4月分6次对川西北的典型高寒草甸群落的土壤呼吸进行观测，分析了不同类型高寒草甸群落土壤呼吸的季节变化特征以及环境因子和放牧模式对其影响。主要研究结果如下： 1）该地区高寒草甸生态系统在生长季（6月～8月）土壤呼吸速率较大（6.07～9.30μmolCO2¡m-2¡s-1 ） ， 在非生长季（ 12 月～ 2 月） 较小（ 0.16 ～0.49μmolCO2¡m-2¡s-1 ） 。土壤CO2 年累积最大释放量为3963 ～ 5730gCO2¡m-2¡yr-1，其中，生长季土壤CO2的释放量占年总释放量的85%～90%。非生长季占10%～15%。非生长季所占比例略小于冬季积雪覆盖地区的冬季土壤呼吸占年土壤呼吸量的比例（14%～30%）。温度，尤其地温，是影响该地区高寒草甸生态系统土壤呼吸速率的最主要环境因子。土壤呼吸速率与地上生物量和土壤水分之间没有显著相关性，但是土壤含水量过大会导致土壤呼吸速率下降。 2）在观测期内，草丘区的土壤呼吸显著高于对照区的土壤呼吸，其最大土壤呼吸速率为16.77μmolCO2¡m-2¡s-1，土壤CO2 年累积最大释放量为8145gCO2¡m-2¡yr-1，是对照区的近2 倍。由于草丘在高寒草甸中占有较大的面积比例（近30%），因此，它将对高寒草甸生态系统的碳循环起着重要的作用。 3）放牧模式不仅可以影响高寒草甸群落的土壤CO2 排放，而且还可以改变土壤呼吸的温度敏感性（Q10）。本研究表明，在生长季有长期放牧活动干扰时将会增加土壤向大气中释放二氧化碳的速度，促使土壤碳库中碳的流失。禁牧样地的土壤呼吸速率在刚禁牧时先迅速增大，随着禁牧时间的延长土壤呼吸速率将会下降。此外，与其它放牧模式相比，冬季放牧将高寒草甸群落土壤呼吸速率在生长季达到最大值的时间明显向后推迟。不同放牧模式下高寒草甸群落土壤呼吸的Q10 值大小顺序为：禁牧一年群落>冬季放牧群落>禁牧三年群落>夏季放牧群落>自由放牧群落。 4）基于呼吸室技术的观测方法中，测量前的剪草处理可以明显改变该地区高寒草甸群落的土壤温度和土壤呼吸速率。在生长季，剪草处理将使土壤呼吸速率的瞬时响应增加90%左右。由于剪草处理明显增加了剪草样方白天的土壤温度，而土壤温度与土壤呼吸之间存在着极显著的指数相关关系，因而剪草处理导致土壤呼吸速率迅速增加。因此，在高寒地区基于呼吸室技术观测的土壤呼吸应当进行校正。 综上所述，川西北高寒草甸生态系统土壤呼吸速率在生长季较高，而在非生长季较低。土壤温度是影响该地区土壤呼吸的最主要环境因子。在实验观测期，草丘区土壤呼吸速率显著高于对照区的，是对照区土壤呼吸速率的近2倍。由于测量前的剪草处理可以明显改变待测点的土壤呼吸速率，因此，应对在高寒地区基于呼吸室技术观测的土壤呼吸进行校正。 Soil respiration is the second largest component (less than plant phtotosynthesis) of carbon dioxide flux between terrestrial ecosystems and the atmosphere. A minor change in soil respiration rate can significantly slow down or accelerate the increase of atmospheric CO2 concentration that is closely related to global climatic change. In turn, the change in the flux direction and rate of soil respiration may indicate the elasticity and stability of ecosystems to global changes and human disturbance. However, soil respiration is still an ecosystem process that has been poorly understood. Grassland ecosystem is an important component of the terrestrial ecosystem. Accurately estimating the CO2 flux from soil to atmosphere in situ is the key to evaluating the carbon resource and sink regionally or globally. Despite of extensive studies on the temperate and tropic grasslands, the soil respiration of alpine meadows has not substantially been measured. In the current study, soil respiration was measured for an annual cycle from April, 2008 to April, 2009 for the alpine meadow in northwestern Sichuan Province of China to determine the seasonal variation of soil respiration for the typical plant communities. The results are shown as follows: 1) Large seasonal variation of soil respiration was observed in the alpine meadow. The rate of soil respiration was the greatest (6.07～9.30μmolCO2¡m-2¡s-1) in June and the smallest (0.16 ～ 0.49μmolCO2¡m-2¡s-1) occurred from December to February in the non-growing season. The total emission of soil CO2 was estimated as 3963～5730 gCO2¡m-2¡yr-1, 85%~90% of which was released during the growing season, and 10%~15% during the non-growing season which was slightly less than the ratio of winter and annual CO2 flux from soil. Temperature, particularly the soil temperature, was the major environmental factor regulating the soil respiration. Significant and positive relationships were not found between soil respiration and soil moisture and between soil respiration and plant above-ground biomass, but excessive soil water content would decrease in the rate of soil respiration. 2) The rate of soil respiration in grass hummock communities was up to 16.77μmolCO2¡m-2¡s-1, which was about twice as great as in the controls (communities located in low and even sites). Considering the large proportion (about 30% on average) of hummock area in the meadow, it can be concluded that the hummocks played an important role in the carbon cycling of the study ecosystem. 3) Grazing patterns affected the flux of CO2 emission and the temperature sensitivity of soil respiration (Q10) in the alpine meadow. Grazing during growing season increased the rate of soil respiration. The rate of soil respiration increased significantly immediately after the alpine meadow being fenced, but thereafter decreased. In addition, grazing in winter delayed the peak respiration rate relative to the non-grazing mode. The Q10 value was the largest in the non-grazed area for one year, and next came the area with grazing in winter, followed by the non-grazed area for three years, the area with grazing in summer, and the non-limited grazed area. 4) In the chamber-based techniques, clipping manipulation before each measurement increased the transient rate of soil respiration by about 90% in the summer of the alpine meadow. As increase in soil temperature at daytime in the clipped plots by clipping and the exponential relationship between soil respiration and temperature, clipping manipulation led to increase in the rate of soil respiration. This suggested that a correction should be done for the techniques if employed in alpine and cold regions. In summary, the rate of soil respiration in the alpine meadow was the greatest in June and the smallest occurred from ecember to February in the non-growing season. Soil temperature was the major environmental factor regulating the soil respiration. The rate of soil respiration in grass hummock communities was up to 16.77μmolCO2¡m-2¡s-1, which was about twice as great as in the controls. A correction should be done for the techniques if employed in alpine and cold regions, because of the effect of clipping manipulation on soil temperature and respiration.

牦牛粪便对青藏高原东部高寒草甸土壤养分系统的影响

川西北高寒草甸位于青藏高原东部地区，是我国四大牧区之一，也是长江和黄河等江河源区的重要水源涵养功能区。近几十年来，大量牦牛粪便被牧民作为生物能源、肥料或者食用菌产业的原料而利用，为草原生态系统的养分平衡增加了生态风险。鉴于在青藏高原地区针对牦牛粪便的相关研究尚未见报道，本文从粪便和土壤养分相互变化趋势的角度出发，研究了粪便在夏秋两季的分解状况和粪便其下及其周围土壤的养分变化。通过此研究，将有助于了解牦牛粪便在自然状态下的分解速率以及粪便对土壤养分及土壤微生物生物量的影响，为粪便对草地土壤生态系统的贡献提供概念性认识，同时也为高寒草甸草地这种脆弱生态系统的可持续管理提供理论依据。 针对牦牛粪便自身养分释放及其对土壤在时间和空间尺度上的影响，本文通过模拟牛粪堆积，在不同时间和固定区域内对牛粪和土壤进行了夏秋两季的采样测定，分析了牛粪及土壤NO3--N、NH4+-N、速效K、无机P、有机C、全N 和全P 含量随时间的变化趋势。得到如下结果： 1. 在研究区域内，牛粪对草地生态系统具有较强的养分（N、P）贡献能力。据初步统计，其估值大致为氮素699~932 kg ha-1，P 素为110~147 kg ha-1。牛粪（湿重、干重）在夏秋季节的分解速率具有较大差异，夏季显著快于秋季。夏季牛粪湿重、干重在2 个月左右之后分别降为初期的14%和24%，而秋季同期分别降为35%和52%。牛粪养分（NO3--N、NH4+-N、速效K、无机P、有机C、全N 和全P）的分解速率在夏季也要显著快于秋季。秋季经过2 个月左右的分解之后，牛粪以上含量分别降至初始态的32%、60%、36%、64%、58%、63%和43%，远高于夏季的同期水平。 2. 在不同季节，牛粪周围的土壤养分（NO3--N、NH4+-N、速效K 和无机P）含量变化随时间改变呈现相同的趋势。但是，牛粪周围不同远近下土壤养分随时间的动态变化幅度略有不同。粪下土壤养分含量随时间变化波动较大，距粪便越远，随时间变化的变幅越为平缓。总体来说，在夏季由于粪便分解较快，对土壤养分的持续作用时间不及秋季，秋季粪便分解变慢，表现出养分的缓释特征。其次，牛粪对粪下土壤影响的持续时间也长于对周围土壤的作用时间。 3. 粪便对土壤养分（NO3--N、NH4+-N、速效K、无机P）影响的范围在不同季节具有差异。夏季要高于秋季，但对周围土壤养分影响的持续时间低于秋季。在夏季短期内，牛粪对土壤NO3--N 和速效K 含量的影响范围能够超过30cm，而对NH4+-N 和无机P 的影响范围则介于10cm 和30cm 之间。在2 个月左右之后，牛粪对周围土壤养分的影响能力基本消失。在秋季，牛粪对周围土壤养分影响范围难以达到30cm 处。粪便在夏季对其下土壤和周围土壤的有机C、全N 和全P 含量并无显著影响，但在秋季能显著增加其下土壤有机C、全N 和全P 含量。 4. 牛粪在秋季对土壤SMB-C、SMB-N 和SMB-P 含量的影响能够持续2 个月以上，由于秋冬季节牛粪分解缓慢，因此推断这种效应持续时间至少能够1 年左右。另一方面，牛粪在秋季对土壤SMB-C、SMB-N 和SMB-P 含量的影响范围主要集中在其下土壤，而周围的影响效应并不明显。 The grassland on the eastern fringe of Qinghai-Tibetan Plateau was one of the four greatest pasture zones in our country and the main water conservation function zones in the hesastream of Yangtse River and Huanghe river. Rencent years, lots of dung in this area was used as biological energy, fertilizer or material of fungoid growing, leading to high risk of nutrient banlance in grassland ecosystem. In view of the researches on the impact of yak dung in this area are relatively rare, the present study focused on the relationship of dung and soil nutrient transformation in sunmer and autumn, which could profoundly illuminate the mechanism of dung decomposition and the effect of dung on soil chemical properties and soil microbe biomass. The present study also contributed to a basic understand and provided scientific management in the high-frigid ecosystem. Decomposition of yak dung and its effect on soil chemical properties in eastern grassland of Qinghai-Tibetan Plateau were determined. The study simulated the real dung pats, took dung and soil samples at different time and fixed-point in summer and autumn. The samples were analysed for NO3--N, NH4+-N, available K, inorganic P, total organic C (TOC), total N (TN), total P (TP). It was concluded that: 1. In study area, the yak dung supplied to ecosystem substantial nutrient. It is estimated that the N contribution of dung was approximately 699~932 kg ha-1, P contribution was approximately 110~147 kg ha-1. The rate of yak decomposition was more rapid in summer than autumn, the wet and dry weight of yak decreased to 14% and 24% respectively after 2 months when dung excreted in summer, with 35% and 52% in autumn. The content of NO3--N、NH4+-N、available K、inorganic P、TOC、TN and TP in dung decomposed more rapid in summer too. After 2 months when dung excreted in autumn, the content of above nutrient decreased to 32%、60%、36%、64%、58%、63% and 43% respectively，which were significantly higher than summer. 2. The content of NO3--N、NH4+-N、available K and inorganic P in soil around dung had the same transformation trend in each season, whereas it was distinguishing at different gradient of distance from dung, the nutrient in soil below dung had the most significant change while the more far from dung, the less change in soil. It was concluded that the yak dung had prolong impacts on soil in autumn compared with summer, besides, it aslo showed that the yak dung had protract effect on soil below dung compared with soil around dung. 3. The yak dung had expansive impact on soil around dung in summer whereas had relatively short effect compared with autumn. In short-term at summer, there was a significant increase about the content of NO3--N and available K around 30cm radius from dung pat while the content of NH4+-N and inorganic P between 10cm to 30cm. After 2 months, the impact almost disappeared. In autumn, the effect was hard to reach 30cm. The yak dung had no significant effects on the content of TOC、TN and TP in soil below or around dung in summer whereas there was a obvious increase in soil below dung pat in autumn. 4. The duration of effect of yak dung on soil microbial biomass(SMB) C、N and P was at least 2 months, maybe even more than 1 year. On the other hand, the impact of dung on SMB-C、SMB-N and SMB-P mainly acted on soil below dung while no obious effect on soil around dung.

Algorithm Studies on How to Obtain a Conditional Nonlinear Optimal Perturbation (CNOP)

The conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP), which is a nonlinear generalization of the linear singular vector (LSV), is applied in important problems of atmospheric and oceanic sciences, including ENSO predictability, targeted observations, and ensemble forecast. In this study, we investigate the computational cost of obtaining the CNOP by several methods. Differences and similarities, in terms of the computational error and cost in obtaining the CNOP, are compared among the sequential quadratic programming (SQP) algorithm, the limited memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS) algorithm, and the spectral projected gradients (SPG2) algorithm. A theoretical grassland ecosystem model and the classical Lorenz model are used as examples. Numerical results demonstrate that the computational error is acceptable with all three algorithms. The computational cost to obtain the CNOP is reduced by using the SQP algorithm. The experimental results also reveal that the L-BFGS algorithm is the most effective algorithm among the three optimization algorithms for obtaining the CNOP. The numerical results suggest a new approach and algorithm for obtaining the CNOP for a large-scale optimization problem.

Long-term grazing alters species composition and biomass of a shrub meadow on the Qinghai-Tibet Plateau

Livestock grazing has long been the most widespread land use on the Qinghai-Tibet Plateau, one of the world's highest ecosystems. However, there has been increasing concern during recent decades because of the rapid increase in livestock numbers. To assess the possible influences of grazing on the vast grassland, a long-term grazing experiment in a shrub meadow on the northern Qinghai-Tibet Plateau was carried out. The experiment included five treatments with different stocking rates and one non-grazing (N) treatment. After 17 years of grazing, treatment differences were clear. The species composition differed markedly between grazing intensities, with a decrease in palatable grass species and an increase in unpalatable forbs at higher grazing intensities. The species richness and species diversity, however, were not significantly different between treatments. Vegetation height decreased significantly at higher grazing intensities. Total above,ground biomass declined considerably and the biomass of forbs increased significantly under the higher grazing intensities. The amount of litter was significantly lower under the higher grazing intensities. The results suggest that long-term grazing alters the species composition, vegetation height and biomass production of the alpine grassland ecosystem without significantly changing species richness.

Effects of temperature on CO2 exchange between the atmosphere and an alpine meadow

The alpine meadow ecosystem on the Qinghai-Tibetan Plateau is characterized by low temperatures because of its high elevation. The low-temperature environment may limit both ecosystem photosynthetic CO2 uptake and ecosystem respiration, and thus affect the net ecosystem CO2 exchange (NEE). We clarified the low-temperature constraint on photosynthesis and respiration in an alpine meadow ecosystem on the northern edge of the plateau using flux measurements obtained by the eddy covariance technique in two growing seasons. When we compared NEE during the two periods, during which the leaf area index and other environmental parameters were similar but the mean temperature differed, we found that NEE from 9 August to 10 September 2001, when the average temperature was low, was greater than that during the same period in 2002, when the average temperature was high, but the ecosystem gross primary production was similar during the two periods. Further analysis showed that ecosystem respiration was significantly higher in 2002 than in 2001 during the study period, as estimated from the relationship between temperature and nighttime ecosystem respiration. The results suggest that low temperature controlled the NEE mainly through its influence on ecosystem respiration. The annual NEE, estimated from 15 January 2002 to 14 January 2003, was about 290 g CO2 m(-2) year(-1). The optimum temperature for ecosystem NEE under light-saturated conditions was estimated to be around 15 degrees C.