Impacts of water conservancy and soil conservation measures on annual runoff in the Chaohe River Basin during 1961-2005

National Key Technology RD Program [2006BAD03A02]

Effects of temperature change on water discharge, and sediment and nutrient loading in the lower Pearl River basin based on SWAT modelling

National Natural Science Foundation of China [U0633002, 30670385]

白扦的树木年轮生态学研究

树木年轮生态学是利用树木年轮来评价生态环境及其变化的学科，其基本依据是系列年轮宽度和结构特征的变化。一般情况下，半干旱草原的环境条件不适宜树木的生长，但在我国内蒙古锡林河流域的草原沙地上，存留着一片天然白扦林，它们被认为是第四纪早期的残遗植被。鉴于锡林河流域半干旱的环境条件已接近白扦的生存界限，此片残遗白扦林可认为是进行树木年轮生态学研究的理想材料。 本文应用树木年轮生态学的方法，结合木材解剖、气候资料、历史文献记录等，研究了这片残遗白扦林中白扦的生长与环境、年龄结构与环境干扰事件、白扦年轮宽度与羊草地上生物量的关系，以及全球变暖可能对该白扦林的影响等。主要结果归纳如下： 1)依据国际树木年轮库的标准，建立了65年的白扦标准年轮年表。年表的平均序列相关系数为0.47，信噪比为14.44，平均敏感度为0.18。白扦的年轮宽度年表与上年9月、当年2、5月份的降雨量之间存在显著的正相关关系。 2)通过对白扦年轮结构的观察确认，1966、1968、1972年存在高频率的窄年轮，这些年轮通常仅有两至三层晚材细胞，因此可以认为它是一类特殊的树木年轮一浅轮。 　3)白扦的年轮分析结果显示，锡林河流域的小片白扦林可能形成于20世纪20年代末至30年代初期。白扦年表( XLPI)与大青山(HHT)油松、准格尔旗(JGB)油松以及白云敖包(BYAB)红杆云杉年表之间存在显著的正相关关系;尤其值得提出的是，在20世纪20年代，HHT、JGB和BYAB年表都同时出现明显的生长下降现象。 　4)根据相关函数的分析，羊草的生长对当年5月份、7-8月份的降雨量较为敏感，与白扦的年轮宽度之间也存在两组显著的生长关系。基于这两种生长关系和白扦年轮宽度序列，本文重建了1955-1994年的羊草地上生物量动态。 5)当地气象资料显示，近40年来锡林河流域的年平均温度和各季节平均温度都呈增加的趋势，但只有夏季平均温度与白扦的年轮宽度之间存在显著的负相关关系。本文研究也发现白扦的生长与5月份的平均温度、平均最高温度以及5、6月份的极端最高温度之间存在着显著的负相关关系。 白扦标准年轮年表的统计特征表明，锡林河流域残遗白扦年轮序列包含丰富的环境信息，适合于树木年轮生态学的研究。白扦5月份开始生长，此时的降雨是最显著的生长限制因子，从而造成了白扦年轮年表与5月份降雨量之间的显著正相关关系。8-10月份，锡林河流域的降雨为全年降雨量的1/3，由于沙地土壤可以减少地面径流和有效防止土壤水分蒸发，所以此阶段内的降雨能存留在沙地内，以供笠年白扦生长发育的需要。因此，这种降雨分布和沙地基质的特征可能是白扦在年蒸发量为降雨量4-5倍的锡林河流域仍能正常生长的主要原因。 1966、1968和1972年浅轮的出现与前年和当年的特殊气候有关。气候资料的分析表明，这三年的上年生长季末至当年生长季都干旱少雨，并且生长季后期伴随着异常高温天气，这种干旱伴随高温的气候特点是造成白扦浅轮的主要因素。因此，白扦浅轮与亚北极区针叶树浅轮的发生机理是完全不同的，为迸一步研究浅轮的形成机制提供了新线索。 白扦年表与HHT、JGB和BYAB年表之间的年轮宽度变化的同步性显示，这些年表能间接地反映30年代以前造成白扦林较小年龄结构的环境干扰事件，降雨是华北半干旱区树木最突出的生长限制因子，在20世纪20年代，HHT、JGB和BYAB年表同时出现的生长下降，反映了该时期华北地区可能发生了大范围的旱灾，这一结论也为历史资料所证明。20年代白扦林的消失以及30年代后这片天然白扦林的重新出现表明了，20年代的旱灾可能是影响白扦年龄结构的主要干扰事件，它还有可能是造成白扦成片死亡的直接原因。 在锡林河流域，7-8月份是降雨最充沛的时期。相关分析表明，建群种羊草能充分利用这一水热配比最佳的时期快速生长，但白扦对当年7-8月份的降雨反应却不敏感，而与上年8-10月份的降雨量之间有显著的正相关关系。这些都证明白扦和羊草对半干旱草原环境具有不同的适应方式。羊草地上生物量与白扦年轮宽度之间的两组显著的关系可归结于两种季节降雨分配模式，它为利用白扦年轮宽度重建羊草的地上生物量的变化奠定了基础。羊草产量的重建不仅延长了锡林河流域草产量的记录，而且还开拓了用年轮宽度重建草产量的方法。 白扦年表与温度变量之间的相关分析进一步表明，不同季节温度的升高对白扦的生长产生不同的影响，尤其是夏季温度的变化，可以直接影响白扦的生长。白扦年表与5月份温度资料之间的相关分析还揭示，用月平均最高和最低温度来替代月平均温度更能说明温度变化对树木生长的影响。5、6月份是锡林河流域白扦形成层活动较旺盛的时期，因此，这期间极端高温严重影响白扦的生长。近40年来，随着大气温度的升高，白扦受到日益严重的干旱胁迫影响。如果大气变暖的趋势继续发展下去，最终将有可能导致这片残遗白扦林从锡林河流域消失

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应_锡林河流域羊草草原生态系统循环研究

本研究从三个方面研究了草地生态系统的碳循环及其对全球变化的响应： 1)系统整理了世界范围内各种类型草原群落碳循环主要过程和影响因素的有关资料，在此基础上，对草地生态系统巾的碳素贮量和主要流量进行了全球估计;在CENTURY模型碳循环业模型的基础上，对草地生态系统碳循环的分室模型进行了说明;阐述了土壤呼吸作用在草地碳循环中的作用，综述了草地土壤呼吸的测定方法、影响草地呼吸的主要环境因素，对世界范围内草地土壤呼吸量和土壤中的有机碳周转速度进行了初步估计;讨论了全球气候变化、 C02浓度增加和土地利用变化对草地生态系统的可能影响。 2)对内蒙古锡林河流域一个固定样地内的羊草草原群落的碳循环特点进行了初步研究;采用实测数据和CENTURY模型模拟相结合，对该群落中碳素的输入与输出量，碳素贮量和土壤中有机碳的周转口寸间进行了首次估计，得出了“未利用状态下羊草草原群落基本处于碳素平衡状态”的结论。 3)对世界范围内草地利用现状的资料分析表明，全世界70%的草地出现了不同程度的退化， 过度放牧是导致草地退化的主要原因，在退化草地总面积中，约有35%是由于过度放牧造成的。过度放牧是锡林河流域羊草草原退化的主要入为因素，40年来，过度放牧共导致了羊草草地O - 20cm土层中23%的土壤有机碳损失。结合CENTURY模型的预测结果，土地利用变化对羊草草原土壤有机碳贮量的影响将比气候变化和C02浓度增加的影响更加重大。

内蒙古锡林河流域空间生态学研究

本文从物种和景观两个组织水平上研究了气候、土壤、地形等自然环境因子和人类活动因子对生物空间分布格局的影响。基于锡林河流域地理信息系统各环境因子的专题数据，利用空间异质性分析方法研究了锡林河流域环境因子的空间分布格局;基于锡林河流域野外调查数据，运用空间异质性分析方法研究了重要物种的空间分布格局，并采用典范对应分析(Canomc Correspondence Analvsis，CCA)方法分析了物种分布与环境因子的关系：基于锡林河流域地理信息系统各环境因子的专题数据，研究了锡林河流域植被斑块的空间格局特征及其与环境因子的关系，并采用典范对应分析方法分析了植被类型组成与环境因子的关系：基于内蒙古草原生态系统定位研究站放牧样地的样方调查数据．采用空间异质性分析方法，研究了放牧压力对物种空间分布格局的影响：基于多年的卫星遥感数据，采用建模和对比等方法，研究了定居放牧方式下植被状况空间变化规律及植被状况时空变化与人类活动、社会经济发展的关系。通过上述分析，得到的主要结论如下： 1、锡林河流域各个环境因子都具有自己的空间特征尺度，共同形成多尺度等级体系，按特征尺度的大小可以分为如下3个组： ·小尺度组(15km左右)：有机暖、全N的较小的特征尺度 ·中尺度组(30～50km)：T1，碳酸钙含量．PER、全N和海拔高度的较小的特征尺度 ·大尺度组(100km左右)：ANNR，PER、全N和海拔高度的较大的特征尺度多尺度等级的生态学意义是它反映生态变量异质斑块的镶嵌和包含特征，环境因子多尺度等级体系反映共性，具有普遍性：反映生态关系，具有生态学意义。 2、对物种空间异质性的Mantel检验和半方差分析得到了一致的结果产即羊草、糙隐子草和星毛萎菱菜在锡林河流域的空间分布呈现随机特征，而大针茅和冷蒿则表现为十分显著的格局特征。按分布格局的显著程度从大到小排列为冷蒿>大针茅>星毛萎菱菜>糙隐子草>羊草。理论半方差图显示大针茅和冷蒿的空间自相关域分别为30．447公里和30公里。物种空间分布格局是受自然条件、人类活动以及它们自身的生理生态特征综合决定的，物种自身的生理生态特征决定了它们对外界环境变化的适应性反应机制，而自然与人类活动这两种因素在空间的交错配置决定了物种适应性反应的方向和程度，从而综合导致物种空间分布格局的形成。 3、对锡林河流域物种分布与环境因子关系的CCA分析和交叉半方差方法分析显示：1)气候因子(11个指标)、土壤性状因子(3个指标)和地形因子(3个指标)对物种分布的贡献率分别为11．2％、9．5％和11％，三者总和为31．7％。2)各个环境因子对物种分布空间作用方向具有一致性，物种分布与环境因子几乎都在135。和157．5。两个方向上具有相对明显的相关性，从锡林河流域来看，这两个方向反映了气候、土壤以及地形从东南往西北的变化梯度方向。 4、对锡林河流域14个植被景观指数进行的PCA分析表明，锡林河流域植被斑块空间分布的物理特征主要表现在斑块的数目和大小方面，其次是在斑块的多样性方面，并可将它们分为4个组，分别反映锡林河流域植被斑块的不同特征： ·第一组：NP、PRD、LPI、MPS、PSSD和TE，主要反映景观斑块在数量和大小方面的特征; ·第二组：SHDI、SIDI、SHEI和SIEI，主要反映景观斑块的多样性特征; ·第三组：PSCV和[J]．主要反映景观斑块之间的相互邻接程度; ·第四组：MSI和AWMSI，主要反映景观斑块的形状特征。 MPS和PSSD两个指数与环境因子无论是在相关系数的性质还是显著程度上都保持了很好的一致性，它们与纬度(LAT)及可能蒸散率(PER)呈极显著的正相关关系，而与经度(LNG)、海拔高度(ALT)、年平均降水量(ANNR)及土壤有机质含量(0RG)呈极显著的负相关关系：平均形状指数(MSI)只与LAT呈显著的正相关关系;多样性指数和扩散毗连指数与任何一个环境因子都没有表现出显著的相关性。 5、锡林河流域植被分布与环境因子的关系CCA排序方法分析表明，气候因子(11个指标)、土壤性状因子(3个指标)和地形因子(3个指标)对植被分布的贡献率分别为19.8%、11.1%和14.5%，三者总和为45.4％。环境因子在植被和物种两个水平上的贡献率表现了相似的特点，自然环境因子不能完全解释植被的空间分布，人类活动的影响应该受到重视。 6、放牧压力对物种空间分布格局的研究表明： ·牧压对温带典型草原物种的空间分布格局有明显的影响。随着牧云的增大，属于原生群落物种的羊草与大针茅空间分布的随机性减小，空间自相关尺度逐渐增大;而对于退化过程中的入侵物种冷蒿和星毛萎菱菜，其空间分布的随机性逐渐增大．空间自相关尺度也呈增大趋势。在牧压胁迫超过一定水平时，冷蒿空间分布的自相关尺度开始下降，而星毛萎菱菜的空间分布格局则表现出强烈的随机性。 ·物种空间格局的变化是反映群落演替过程较为稳定的特征，适用于不同放牧条件下 群落之间的比较。 7、利用遥感数据对人类活动对植被影响的研究表明： ·定居放牧方式下，NDVI随定居点距离的变化格局经历了3个阶段。第一阶段，草场处于原生阶段，NDVI不随距离变化;第二阶段，定居点附近开始局部退化，NDVI随距离增加而增大：第三阶段，退化区域扩大，NDVI不随距离变化。 ·在草场局部退化阶段，NDVI随距离的变化呈对数函数规律，定居点的放牧区具有放牧半径、原生NDVI值、NDVI变化率等特征。根据这些特征、NDVI对数规律以及NDVI与地上生物量的关系可以推测定居点的总载畜量。 ·锡林河流域从87年到85年NDVI值降低最大的区域为流域的中部和南部，这与这一区域人类活动强度以及社会经济发展具有密切关系。

内蒙古锡林河流域草原群落土壤呼吸的时空变异及其影响因子研究

　　土壤呼吸是全球碳循环中的一个重要环节，其对全球碳平衡的影响是近年来人们关注的焦点之一。探讨碳素的失汇(missing sink)问题，对陆地生态系统土壤呼吸的研究是必不可少的。环境因子与土壤呼吸之间的关系可以用于将土壤呼吸从“chamber”水平的测量放大到整个生态系统或更大尺度。而温度、水分和植被状况都是对土壤呼吸有重要影响的因子，随着全球气候的变化，这些因子也会发生相应的改变，在这种情况下，它们极有可能与土壤CO2排放之间形成正反馈。温带草原是主要的陆地生态系统类型之一，目前非常缺乏有关土壤呼吸的研究资料。因此，在2001年生长季，我们在内蒙古锡林河流域南部集水区设定了一条东西长约160km、南北宽约30km的样带，从中选择了11个不同的植物群落，采用碱液吸收法周期性地对这些群落的土壤呼吸速率进行同步测定，并对土壤呼吸的时空动态及其与温度、土壤水分和植被状况之间的关系进行了研究。现将主要研究结果概述如下： 　　①锡林河流域南部集水区的土壤呼吸表现出明显的季节变化和空间变异。温度是影响土壤呼吸季节变化的主要因子之一，指数模型能够较好地揭示各群落土壤呼吸对温度变化的响应，但低温时模型的拟合效果更好。各群落土壤呼吸的季节动态与温度变化不完全同步，表明温度并不是影响土壤呼吸的唯一因子 。 　　②土壤呼吸的温度敏感性在各群落之间存在着一定的差异。春小麦群落的Q10值高于草原群落，说明不同的土地利用方式会影响到土壤呼吸对温度变化的敏感程度。水分对土壤呼吸的温度敏感性有重要影响，秩相关分析的结果表明，土壤水分与Q10值之间存在着显著的正相关关系。此外，依据不同土壤层次的温度得出的Q10值各不相同，基于变化幅度大的浅层土壤温度和气温得出的Q10值较小，而根据变化幅度小的深层土壤温度得出的Q10值较大。 　　③水分对各群落的土壤呼吸也有较大影响，但其影响程度有一定的季节差异，生长旺季水分对土壤呼吸的影响显著高于其它季节。从各群落的具体情况来看，水分对土壤呼吸的影响明显受制于群落的水分供应状况。水分供应状况比较好的和水分变化幅度小的群落中，土壤呼吸与水分之间没有显著的函数关系，而水分相对欠缺的群落则存有显著的线性关系。消除温度的影响后，这种线性关系显著增强。土壤水分含量较低的芨芨草群落中，土壤呼吸与表层水分之间的关系也不明显，这与芨芨草根系分布较深，能够利用土壤中较深层次的水分有关。 　　④土壤呼吸季节变化与植被之间的关系与各群落内水分状况以及植被对水分的利用机制有关。所有群落土壤呼吸速率随着绿色活体生物量的增长有上升趋势，且在水分供应充足的群落和植被较为耐旱或能够利用深层土壤水的群落中，这二者之间呈显著或极显著的指数关系，其它群落中相关关系不够显著。由于植被立枯量大小反映了水热的综合状况，所以群落的土壤呼吸速率随立枯量的增长呈下降趋势，二者之间的关系也可以用指数方程来表示。 　　⑤土壤呼吸在锡林河流域南部的空间变异主要受水分和植被状况的影响。总体来看，土壤水分含量高、地上生物量（包括绿色活体生物量）大或地上净第一性生产力高的草地群落，其土壤呼吸速率也较高。基础呼吸速率对于改进土壤呼吸模型在时间和空间上的预测精度有重要意义。我们的研究结果表明，在平均温度低、水分状况好、地上和地下生物量大、地上净第一性生产力高的地方，基础土壤呼吸速率也相应较高。

内蒙古锡林河流域主要植物种、功能群和群落水分利用效率的研究

近二十年来，碳同位素技术己被广泛应用于植物生态学，特别是植物“碳一水”关系的研究中。植物的碳同位素组成（δ13C值）是叶片组织合成过程中光合活动的整合，它反映了植物长期的水分利用效率。内蒙古锡林河流域位于我国温带典型草原的核心区域，水分是制约本区植物生产力和群落稳定性的限制因素。因此关于本区植物水分利用效率和水分利用状况的研究，对探讨植物对生境干旱化的适应与响应机制具有十分重要的理论和实践意义。本研究沿土壤水分梯度在锡林河流域选取了沼泽化草甸、盐化草甸、草甸草原、典型草原、退化草地和疏林沙地等8个代表性植物群落，研究主要植物种、功能群和群落的碳同位素组成及叶片含水量、脯氨酸含量等与植物抗旱性相关的生理指标的变化，从植物种、功能群和群落三个层次研究了不同水分条件下植物水分利用效率的变化及其对不同水分生境的响应与适应机制。 　　1）在所调查的8个植物群落中，C3植物占绝对优势;C3植物的δ13C值和水分利用效率越大，其在整个流域中的分布频度越高，生物量也越大;与生长在湿润生境中的植物相比，生长在较干旱生境中的植物能积累更高水平的脯氨酸。以上结果表明，锡林河流域的植物可能通过两种机制适应当地的干旱生境：一是通过调节气孔导度提高植物的水分利用效率;止是通过积累高水平的脯氨酸增强植株的渗透调节能力并维持相对稳定的水分含量。 　　2）依照生活型将锡林河流域主要植物种划分成6个植物功能群：乔木、灌木、半灌木、多年生禾草、多年生杂类草和一年生植物。在较湿润生境，多年生杂类草更加丰富并构成了群落地上生物量的绝大部分;而在较干旱生境下，多年生禾草在群落中起更重要的作用;随着土壤含水量下降，灌木和半灌木逐渐增多，且在退化草地和沙地中其相对生物量迅速增加;多年生禾草别3c值显著高于其它功能群;随着土壤水分可利用性降低，多年生禾草和杂类草的别3c值表现出增加的趋势，而灌木／半灌木则表现出相反的趋势。以上结果进一步证明了，在典型草原区以生活型为基础划分的植物功能群可以用来进行较大尺度植物一水分关系的研究。 　　3）依照植物的水分生态类群，将锡林河流域主要植物种划分为六个植物功能群：旱生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物。在较湿润生境中（沼泽化草甸和盐化草甸），湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主体;在干旱生境中（草甸草原、典型草原和退化草地），旱生和中早生植物占绝对优势并构成群落生物量的90％以上;随着不同水分生态类群所适应的生境从干旱到湿润逐渐转变，植物的δ13C值和水分利用效率显著降低;旱生植物叶片脯氨酸含耸最高，湿中生和湿生植物脯氨酸含量最低，不同水分生态类群脯氨酸含量与其δ13C值和地上生物星．显著正相关关系。 　　4）不同群落类型的平均δ13C值有显著不同，表现为：典型草原＞退化草地＞沙地＞退化恢复草地＞草甸草原之盐化草甸＞沼泽化草甸。C4植物的出现、不同物种δ13C值的差异和同一物种在不同生境下δ13C值的变化是影响群落平均δ13C值的主要因素，而这些因素与土壤水分状况和干扰历史（特别是放牧）密切相关。 　　此外，本文还研究了氮素添加对羊草和大针茅光合和水分利用效率的影响。土壤含氮量的增加可以显著提高羊草叶片光合能力和叭JE，而对大针茅的影响不大。作为锡林河流域两种优势植物，羊草和大针茅通过不同的生理机制来维持较高的WUE适应干旱生境：羊草为高光合、高蒸腾，而大针茅为低光合、低蒸腾。羊草较高的WUE是以降低氮利用效率 （NuE）为代价的;而大针茅在维持较高WUE的同时仍能维持较高的NUE，这一特征使大针茅可以广泛分布于更加干旱和贫瘩的地区。 　　以上研究结果，为深入开展典型草原生态系统植物与水分关系的研究提供了有价值的信息，进一步证实了稳定性碳同位素技术可以有效地指示不同群落类型中主要植物种长期水分利用效率。同时，通过对其它相关生理指标的测定，可以更好地探讨植物对水分限制的适应策略。我们的研究结果从植物种、功能群和群落三个层次进一步揭示了植物对干旱生境的适应机制，并初步阐明了人类干扰特别是过度放牧对草原群落建群种和优势种的生态替代或／和灌丛入侵的影响。这些研究对生物多样性保护、全球变化和区域可持续发展等热点问题的研究都具有重要的意义。在今后的研究中，结合其它稳定性同位素（如2H，18O和15N）技术，将有助于我们进一步深入研究蒙古高原植物对气候变化和过度放牧的适应与响应机制。 　　

内蒙古锡林河流域草原植物和群落热值的时空变异研究

第一部分：内蒙古锡林河流域草原植物种群和群落热值的时空变异研究 热值的研究是评价生态系统能量固定、传输和转化的基础，也是评价植物光合作用效率和植物营养值的有用参数。同种植物热值会随着植物部位、光照、养分条件、季节、土壤类型和气候条件的不同而发生变化。不同的种类和类群之间热值也存在差异。本项研究以内蒙古锡林河流域中段草原植物群落为对象，研究了植物种群和群落热值的时空变异规律。 对内蒙古羊草草原群落不同植物种群热值的时问动态研究结果表明，42种植物地上部分的热值在13.16土1.14 kJ.g-l和18.14土0.53 kJ.g-1之间变动，所有物种的平均热值为16.90土0,84 kJ.g-1，种间变异系数4.9%。小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)具有最高的热值。禾草的平均热值高于杂草。根据生活型和生长型，草本物种被进一步分组，热值从高到低的排列顺序为：高禾草>豆科植物>矮禾草>其余杂草>半灌木>一二年生植物。 主要植物种群地下部分热值的分布范围为15.05-16.41 kJ.g-1。其中根茎型草地下部分热值较高。不同种类植物地下部分热值差异并不与地上部分一致。根茎型禾草地上、地下部分热值差异较小，而须根型植物差异较大。不同种群的植物地上部分热值随植物物候期的不同而波动，其变化规律是与植物种群本身的生物学特性相联系的。不同植物种群热值的年际波动规律有所不同，羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipa grandis)和洽草(Koeloria cristata)的年际热值波动相关显著，但与生长季降水量和生长季累积日照时数之间无明显相关性。在某种程度上，植物热值的种内变化反映了植物生长状况的差异。 42种植物的热值和它们在群落中的相对生物量存在显著正相关关系。表现为优势种(17.74 kJ.g-1)>伴生种(17.24 kJ．g-l)>偶见种(16.65 kJ.g-1)。高热值的植物更具竞争力，在群落中通常占据优势地位，而低热值的植物竞争力通常较弱，构成草原群落的伴生种或偶见种。 以内蒙古锡林河流域3个草原群落类型（羊草典型草原，大针茅典型草原，羊草草甸草原）的放牧退化梯度系列（包括未退化，轻度退化，中度退化和重度退化4个强度）为研究对象，对主要植物种群和群落热值随草原类型和退化梯度的空间变异规律及热值与其他群落和土壤性质的相关性进行了研究。 结果表明，研究区出现的60个植物种平均热值为17.25土0.92 kJ.g-1，变异系数5.4%．热值大于18.00 kJ.g-1的高能植物包括3种优势高禾草(羊草、大针茅和羽茅(A. sibiricum))和一些有毒植物，热值小于17.00 kJ.g-1的低能值植物包括多数一年生杂草;热值在17.00-18.00 kJ.g-1之间的中能值植物包括大多数多年生杂草和矮禾草。 按照生活型分类，灌木的热值最高，多年生禾草显著高于一二年生植物，半灌木和多年生杂草介于二者之间。按照水分生态类型分类，旱生植物、中旱生、旱中生和中生植物之间在热值上没有明显差异。不同科之间热值存在显著差异，禾本科、豆科、菊科植物热值较高，藜科植物平均热值最低。 二因素方差分析结果表明，主要优势物种热值在不同草原类型之间存在显著差异，表现为羊草草甸草原>羊草典型草原>大针茅典型草原。对于大多数优势禾草，热值没有随退化梯度发生明显变化，洽草(K. cristata)、冰草(A．ctistatum)和所有优势杂草随退化程度的增强热值趋于下降。对于大多数优势物种，热值随不同草原类型的空间变异大于放牧退化所导致的空间变异。 不同草原类型的群落热值为羊草草甸草原>羊草典型草原>大针茅典型草原，群落平均热值表现出随退化强度的增加而下降的趋势，这主要归因于沿退化梯度不同物种构成比例的变化，即随退化程度的加剧，高能值植物在群落中的比例下降。其次是特定物种热值随退化梯度的变化。在同一草原区，放牧对群落热值的影响大于立地条件之间的差异。 群落和主要物种热值均表现出与某些群落特征和土壤性质的相关性。 关键词：内蒙古，锡林河流域，羊草草原;物种和群落热值，时空变异，退化梯度，草原类型，土壤性质 第二部分内蒙古羊草草原17年刈割演替过程中功能群组成动态及其对群落净初级生产力稳定性的影响 基于17年的野外实验数据，研究了内蒙古羊草草原群落刈割演替过程中的功能群组成动态，探索功能群组成变化与群落净初级生产力(ANPP)之间的关系，分析结构参数怎样影响功能参数。结果显示：在17年的割草演替过程中，群落的结构与功能均发生了变化。随着羊草群落刈割演替的进行，群落的功能群组成发生了显著变化，根茎禾草在群落中的优势地位相继被一二年生植物，高丛生禾草，矮丛生禾草所取代。到17年末，群落变成根茎禾草，矮丛生禾草，高丛生禾草共同建群的群落。在对照群落中ANPP与年降水量显著相关，但在刈割群落中二者则不相关。年降水量解释对照群落ANPP变异的62%，而连年的刈割干扰则是刈割群落中ANPP动态的主要驱动因子。群落净初级生产则显出对刈割干扰的抵抗能力，在刈割干扰的前几年，依靠群落内功能群组成的不断调节，保持相对稳定的水平，当刈割进行5年之后，群落结构的变化积累到一定程度，净初级生产迅速下降到一个较低的水平，此后依靠群落结构的不断调节来维持这一功能水平。因此，群落结构是以渐变的方式改变的，而群落功能的下降则是以跃变的形式完成的。群落依赖于结构的不断调整来保持功能的相对稳定，但结构变化到一定程度也会导致功能的衰退。 关键词：内蒙古，羊草草原;刈割演替;功能群组成;净初级生产;群落;稳定性

锡林河流域温带草地植物VOC释放及其对草地生态系统碳循环的贡献

植物源挥发性有机碳化合物（Volitale organic compounds, VOC）是大气VOC的主要来源，与对流层大气质量、大气化学密切相关。鉴于温带草地的分布范围很广，草地植物VOC释放潜力某种程度上影响植物源VOC的总释放量。另外，植物源VOC也是光合作用固定碳素的损失方式之一，可能在特定区域或生态系统中具有重要意义。基于上述想法，本文设计了四个方面的实验作为研究内容：1） 温带草地物种水平VOC释放潜力、及其与植物功能群的关系？2) 沙地植物物种水平VOC释放潜力、及其与植物功能群的关系？3) 沙地植物-草地植物VOC释放潜力存在显著性差异吗？4) 温带典型草地和退化草地的VOC释放速率如何？在生态系统水平，植物源VOC对温带草地碳循环的贡献多大？ 在所测定的175种温带草地植物中，不同植物间异戊二烯和单萜释放潜力差异很大;除少数物种外，大多数植物的异戊二烯和单萜释放潜力都较低，尤其是典型草地的优势物种。在此基础上，作者探讨了分类学赋值方法对温带草地植被的可行性，并初步建立了锡林河流域温带草地植物的VOC释放目录（共277种植物）。另外，温带草地植物的异戊二烯和单萜释放潜力与植物功能群（植物生活型和水分功能群）具有一定的联系，尤其是植物生活型。总的来说，温带草原的优势生活型（物种），即多年生根茎禾草（或多年生丛生禾草），具有较低的异戊二烯和单萜释放潜力。各水分功能群间差异不显著，但中旱生植物、旱中生植物 (温带草原的优势功能群)，具有较低的异戊二烯、单萜释放潜力。因此，温带草原退化过程中，那些具有较高VOC释放潜力的植物，重要性将会增加。 沙地植物种类组成非常丰富，不同物种间的异戊二烯和单萜释放潜力变异也很大。另外，沙地植物的异戊二烯和单萜释放潜力与其功能群间关系较密切，不同植物生活型间差异显著;其中也以多年生根茎禾草、多年生从生禾草的释放潜力最低，而乔木的释放潜力相对最高;该结论基本与草地的研究结论一致。然而，沙地植物的异戊二烯和单萜释放潜力与其水分功能群的关系比较模糊，中生植物具有更高的释放潜力，湿生植物的释放潜力较小。 通过对比沙地植物和草地植物的释放潜力，发现沙地植物的异戊二烯和单萜释放潜力比草地植物高，且这种差异整体上显著。另外，这种显著性差异，在不同植物生活型、水分功能群间也同样存在。沙地植物比对应的草地植物具有更高的异戊二烯和单萜释放潜力，最可能的原因：沙地正午的温度明显比草地温度高，前者实测温度可超过 45 ℃,这种经常性、周期性高温，促使沙地植物采用与草地植物不同的适应策略，即沙地植物通过释放更多的异戊二烯或单萜来减少其可能遭的热胁迫或热伤害，这种长期适应策略，使沙地植物具有更高的萜类化合物释放潜力。 本文还调查了温带典型草地生态系统和退化草地生态系统的异戊二烯和单萜释放速率，结果表明典型草地的标准异戊二烯和单萜释放速率分别为0.50 μgC g-1 h-1和0.69 μgC g-1 h-1;退化草地的标准异戊二烯和单萜释放潜力分别为0.32 μgC g-1 h-1和1.59 μgC g-1 h-1。总的来说，温带草地的异戊二烯和单萜释放速率都比较低，尤其是典型草地。整个生长季，典型草地释放的异戊二烯和单萜分别为31.6 mgC•m-2　和 70.4 mgC•m-2;退化草地的异戊二烯和单萜释放量分别为20.8 mgC•m-2 和 168.8 mgC•m-2。退化草地萜类化合物总释放速率远高于典型草地，尤其是单萜释放能力。过度放牧引起的草地退化，通过改变植被种类组成，对温带草地的异戊二烯和单萜释放速率产生显著影响;总体而言，温带草地退化将会使草地释放更多萜类化合物。 在温带草地生态系统中，Clost as VOC相对其NPP而言很小，在环境PAR和温度高时,它的贡献率相对较大;Clost as VOC约占典型草地生态系统NEP的5.32 %，退化草地生态系统NEP的0.23 %。植物源VOC释放所损失的碳素相对草地生态系统NPP而言几乎可以忽略不计;但是，相对其NEP，Clost as VOC还是具有一定的相关性。虽然，草地生态系统Clost as VOC对NPP或NEP的贡献率较小，但考虑到全球尺度植物源VOC的巨大释放速率，它在碳循环中的贡献率仍然不容忽视;在某些特殊的生态系统中，仍可能扮演重要角色。

生态系统服务功能价值评估—以锡林河流域天然草地生态系统为例

时空尺度和生态系统的健康状况是影响生态系统服务功能的重要因素。锡林河流域天然草地关键的地理位置和独特的生境条件使其具有十分重要的生态意义和经济价值。评估锡林河流域天然草地在不同时空尺度及生态系统健康状况的生态系统服务功能的价值，不仅能够全面客观的评价该流域天然草地的生态服务功能，而且还能够为当地经济政策的制定，经济的建设发展提供科学依据。 本研究以锡林河流域天然草地为例，通过对草地生态系统服务功能价值评估和计算机情景模拟，研究了不同空间尺度及放牧影响锡林河流域天然草地生态系统服务功能价值。对于不同空间尺度下草地生态系统服务价值的研究，根据草地的产草量和退化程度将锡林河流域天然草地划分成5个级别，利用Costanza等的基本思路和方法，进行了价值评估。结果表明锡林河流域草地生态系统每年的服务价值为76.154×108元。受各级草场的生产量和放牧强度的综合影响，健康程度不同的各等级天然草地的单位面积生态系统服务功能的价值存在着很大差异，从1级草地到5级草地，单位面积服务价值比重从38.1%下降到4.8%。参考国际、国内和锡林浩特当地三种不同的生态系统服务单价，计算得出这三种不同空间尺度下锡林河流域天然草场生态系统服务价值分别为：88.199×108元/年、76.154×108元/年、14.236×108元/年，并且各项服务功能在总价值中所占的比例也随空间尺度变化。以气体调节为例，服务价值的比重分别占3.7%、11.0%和7.9%，这说明生态系统服务功能的价值与空间尺度有关。 通过草地生态系统服务功能当量因子得到不同类型草地生态系统单位面积服务价值，研究放牧影响下各类型草地生态系统单位面积服务价值以及年平均累积服务价值。草地生态系统服务功能当量因子说明生态系统各项服务功能不仅与生态系统的生物量有关，同时受到生态系统内环境因子、生物因子、生态系统过程多方面因素的共同作用。最大直接经济价值放牧率大于生态系统服务功能最大时的放牧率，但是获得经济利润小于生态系统服务功能最大时的价值。同时，在各类草地生态系统中单位面积服务价值以贝加尔针茅草原最高为2242.347元/公顷，克氏针茅草原最低为1655.413元/公顷。草地生态系统的累积服务价值在时间范围一定时随放牧率变化明显，并且时间范围越大变化越大。重牧状态下的草地生态系统累积服务价值最低，且随时间的增加而减少;无牧、轻牧和中牧状态下草地生态系统的累积服务价值则随时间的延续而增长。以上结果说明放牧对草地生态系统服务功能有显著影响，以经济利益为目的获得最大利润的放牧方式带来的经济价值是短期的，从长远看，只有科学管理，合理放牧，才能使草地生态系统长期稳定的提供最佳的生态系统服务功能。

内蒙古锡林河流域湿地植被研究及道路对该区草地退化的影响

通过群落生态学和景观生态学方法，结合GIS、RS技术对锡林河流域湿地植被进行了研究。结果表明：流域湿地面积为301.62km2，占流域面积的3%左右。尽管面积相对较小，但是物种丰富，群落结构多样。植被调查数据显示基本确定的植被型4个，植被亚型6个，群系组16个，群系68个，区系成分以泛北极种为主，占69%，相对简单;按照水分生态型划分，中生物种占最多，为44.32％;按生活型分以多年生草本为主占50％以上;科属分布相对复杂，隶属39个科，其中禾本科和菊科是最大的两个科，所占比例仅有17.30％和12.43％，其他科没有明显的优势性，充分说明湿地优越的生境可以满足多种植物共同生长。 多度分布是研究物种多样性分布的重要组分，同时反映了群落结构的特性。以常用的Lognormal、Logseries和Weibull、Exp、Power模型来拟和6个典型草甸群落和踏头草甸群落的物种多度分布，分log-相对多度-物种级数和物种-游程两种形式进行比较;同时，对于典型草甸群落和踏头群落区分常见种、偶然种等进行细化，深入分析群落多度的变化。结果表明，5个模型对于log-相对多度-物种级数在整个群落水平上均不能很好的拟和，50%以上的点都落在95%置信区间以外;但是对常见种和偶然种的拟和情况要好，Weibull、Power和Logseris模型分别对典型草甸群落常见种、偶然种和中间种能很好的拟和，而Logseries和Power模型对于踏头群落的常见种和偶然种拟和较好。5个模型都能较好的拟和物种-游程分布，其中K—S检验结果表明：Lognormal模型对于无脉苔草、针苔草和荸荠这类相对湿润环境下的典型草甸群落拟和较好，对于长叶火绒草和密花风毛菊群落Weibull拟和最好，Power 模型拟和箭叶橐吾最好，踏头草甸拟和最好的是Logseries模型，踏头间拟合最好的是Exp模型。不同的拟和模型应用于不同的群落类型，可以看出湿地群落的复杂性和生境的多样性。区分常见种和偶然种的拟合结果表明典型群落和踏头群落表现一致，即Lognormal模型对所有种拟和是最好的，而Power模型对偶然种的拟和是最好的，同时，Lognormal对典型草甸群落的中间种拟和也是最好。从中可以看出典型草甸群落和踏头群落尽管在表现形式上不同，但是群落的内部仍存在相似的联系，可能跟相似物种的作用有关。 根据湿地表观类型、植被水分状态和航片判别能力，结合实地调查，采用监督分类的方法将锡林河流域的湿地划分为低湿地草甸、盐化草甸和沼泽三种类型。自1984年以来20多年的时间中，锡林河流域的湿地发生了巨大的变化。尽管总的面积没有太大变化，但是湿地类型发生转化。中上游的低湿地草甸面积减少8.94％，沼泽面积减少30.82％，同时，盐化草甸的面积增加了15.98％。增加的盐化草甸主要是另外两种湿地类型转化而成的，中游水库截流，加速中下游草甸的盐化是锡林河流域湿地变化的主要原因。利用GIS技术依据探讨不同湿地的空间变化，分析沙化对湿地变化的影响，结果表明：沙化只对少数湿地有影响，发育良好的湿地即使处在相对强烈的沙化环境下，仍能保持不变。接着，分析了人类直接干扰对湿地变化的影响，缓冲区居民点分析结果表明：近20年来，位于湿地周边的居民点分布格局发生显著的变化。1980年代，居民点分布在盐化草甸周边的最多，到2004年，居民点在沼泽草甸分布数量为最多，该类湿地水、草和资源最为丰富，人类直接的干扰最大，进而转化成另外两类，减少面积最大。低湿地草甸是物种丰富，结构复杂的一种湿地，抗干扰能力强，恢复能力也强，因此相对的变化面积较小。以锡林浩特市水库上下游的湿地植被物种和群落结构的变化，证明了水量减少是湿地数量、结构改变的直接影响因子。

游牧文化、草地利用方式变迁与现代生态系统管理 — 以内蒙古锡林河流域为例

锡林郭勒草原位于内蒙古自治区中部，草地面积居我国11片重点牧区之首，是我国温带典型草原的核心分布区和重要的草地畜牧业生产基地。长期以来，锡林郭勒草原作为我国北方地区的一道重要的绿色生态屏障，有效地阻止了草原腹地的土壤侵蚀、沙化以及来自中亚和我国西部的沙尘侵害，对于维持整个华北地区，特别是京、津大都市的生态环境安全起着极其重要的作用。然而，近几十年来，由于人类活动的强度干扰锡林郭勒草原发生了严重退化，生产力显著降低，草原的生态服务功能日益衰减。本文以锡林郭勒草原传统的游牧文化和草地利用方式的变迁作为切入点，以锡林河流域为案例，深入分析了社会驱动力在草地退化过程中的主导作用，目的在于揭示土地利用方式的变化、农牧业人口的剧增和牲畜数量在时间和空间分布的变化趋势与锡林河流域草地退化的关系，进而探求锡林河流域草地畜牧业的可持续发展途径。同时，近年来由于草地退化速度的加剧和草地退化面积的不断扩张，以及世界许多资源保护计划和可持续发展项目的失败，人类原始的土著文化对当地生态环境的保护和维持作用，引起了自然和社会科学界共同的关注，本文应用草地调查和社会调查的方法以及GIS技术对锡林河流域草地退化时空分布规律及其成因进行了研究。 原始游牧是锡林郭勒草原历史悠久的草地利用方式，而草原游牧文化则是蒙古族传统文化的重要组成部分。随着人类社会不断地走向文明和现代化，传统的游牧逐渐地被半定居和定居定牧的方式所取代，蒙古族传统的草原游牧文化也随之走向衰落。本文采用社会调查方法对锡林河流域已经结束了50多年的游牧利用方式进行考察，探讨了不同土地利用方式时空格局，以及土地利用方式变迁对草地退化格局的影响，进而强调了传统的草原游牧文化对于人类的行为规范、价值观念、环境保护和维持生态系统功能的重要意义。 以1984年和2004年开展的大量草地调查数据为基础，结合同期的TM数据，分析了20年来锡林河流域草地退化程度及其空间分布，结果发现锡林河流域草地退化面积达到70％之多，从东南向西北草地退化程度明显加剧。同上世纪80年代中期相比，锡林河流域植被在近20余年来的变化状况表现为：局部恢复，部分地区变化不明显，总体上呈现出不断恶化的发展势头。通过对位于 锡林河流域的锡林浩特市及其邻近地区的社会驱动因子的分析，并应用统计学和GIS空间分析的方法，对锡林河流域土地利用、牧业人口和牲畜数量等因子在近35年来的变化过程进行了系统研究，发现土地利用变化、人口的急剧增加、以及过度放牧是导致锡林河流域草地退化加剧的主要原因。 在上述分析的基础上，以适应性生态系统管理和可持续性科学的基本理论为指导，对锡林河流域的生态环境保护和草地畜牧业的可持续发展提出了一些具体的建议和措施。

放牧对内蒙古草原植物C:N:P化学计量特征和资源分配的影响

C、N、P是生物地球化学循环中的重要元素，其可利用性和各元素之间的平衡关系将生态系统的物质循环有机统一为一个整体。化学计量生态学为研究这几种基本元素间的平衡提供了一个有力的理论框架。许多研究表明，过度放牧会改变生态系统的结构和功能，而放牧如何影响植物的C:N:P化学计量关系的却少见报道。本研究以内蒙古锡林河流域沿水分梯度分布的草甸、草甸草原、典型草原和沙地四种植被类型中的灰脉苔草（Carex appendiculata）、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、冷蒿(Artemisia frigid)、克氏针茅(S. krylovii)和榆树(Ulmus Pumila)疏林沙地8个草地群落为研究对象，对长期禁牧样地和自由放牧样地中273种植物，其中禁牧与放牧样地中的共有植物种为144个，测定了植物叶片C: N: P化学计量特征以及植株高度、丛幅面积、茎、叶和株（丛）生物量、茎叶比等功能性状，系统地研究了放牧对植物C:N:P化学计量特征和资源分配的影响。取得了如下主要研究结果和结论： 1. 放牧降低了植物叶片的C:N比，但增加了N:P比和C:P比。C:N:P 化学计量比的变化主要受叶片N和P含量变化的影响； 2. 植物C:N:P化学计量特征对放牧的响应同时受水分条件的制约。沿水分梯度分布的不同植被类型中，植物叶片C:N:P化学计量特征对放牧的响应不同。草甸群落中，植物叶片C含量显著降低，N和P含量显著增加；在草甸草原群落中，植物叶片C、P含量减少，N含量显著增加；而在典型草原群落中，植物叶片C、N和P含量均显著降低； 3. 在物种水平上，C、N、P含量对放牧的响应分为：显著增加、显著降低和没有显著变化三种类型。放牧影响下，植物叶片N含量和N:P比在显著升高的物种多于显著降低的，而叶片C含量、C:N和C:P显著降低的物种占的比例很小，表明植物对放牧适应策略与物种本身的生物学特性有着密切的关系。 4. 过度放牧使植物的植株高度、丛幅大小、株丛数、茎叶比和单株生物量均显著降低，即植物整体呈现小型化现象，进而导致群落初级生产力、茎和叶生物量下降。轻度放牧对物种的资源分配没有显著影响，单株（丛）生物量和群落茎、叶及总生物量均呈增加趋势，这与过度放牧的影响正好相反。 5. 过度放牧显著改变了物种的资源分配策略，使生物量向叶的分配比例增加，向茎的分配比例减少。资源优先向同化器官分配可能是草地植物对长期放牧干扰的一种重要适应对策。