内蒙古农牧交错区典型草地和农田生态系统碳通量的研究

涡度相关技术是唯一能直接测定大气与植被间CO2通量的标准方法。随着全球变化研究的深入，人类活动干扰下陆地生态系统碳通量研究越来越受到关注，对草地生态系统的研究更是备受关注。本研究选择位于内蒙古典型的农牧交错区——多伦县的典型克氏针茅草地和被开垦的农田为研究对象，利用涡度相关技术，结合各环境因子，在不同时间尺度上探讨了控制内蒙古草地生态系统碳通量可能的生理机制。利用一年多净生态系统CO2气体交换（NEE）通量的观测，量化了这个地区草地生态系统的碳储备量，并进一步阐明了开垦对该区域生态系统物质能量流动的影响。我们还利用Keeling同位素曲线与微气象技术相结合的方法把生态系统夜间呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸;同时利用同化箱式法，把草地生态系统白天群落呼吸进行了区分，进一步了解了不同生态过程对净碳通量的贡献。 结果表明，控制该地区生态系统碳通量主要的环境因子是土壤含水量（VWC）和温度。两个生态系统的植被叶面积指数（LAI）和生物量在非干旱季都要高于干旱季，因而两个生态系统在非干旱季不同环境因子的不同梯度下的NEEmax都比干旱季的要高。两个生态系统NEE的最大日变幅和日最大值在非旱季与旱季十分接近，说明即使土壤水分有所改善，但由于这个地区贫瘠的土壤限制了生态系统的净碳交换量而使这两个生态系统的固碳能力依旧不高。无论是旱季还是非旱季，草地生态系统呼吸的温度敏感系数Q10都随土壤含水量的增加而增加，这除了水分的促进作用外，另外就是生长旺季根生物量的增加。而在两个生长季里农田生态系统的Q10都随土壤含水量的变化不是很规则，这主要是因为农作改变了植被类型和土壤的物理结构从而引起生态系统微环境、微生物活性以及根生物量的改变，结果影响生态系统呼吸对温度的敏感性。 在连续两个生长季里，两个生态系统碳通量随季节的变化都有明显的日变化，7月份的日变化最大，而且农田生态系统的NEE日变幅大于草地生态系统NEE的日变幅。两个生态系统每个月NEE的日最大值都出现在上午8~9点左右，而生态系统的呼吸（RE）的日最大值都发生在下午14~16点左右。冬季两个生态系统各组分碳通量的日进程几乎都没有差异，系统基本处于碳平衡状态。进入春季，幼小的植被限制了生态系统的碳同化。期间的耕作促进了土壤CO2的大量释放，同时较频繁的降雨不仅影响植被吸收光以进行光合固定碳，同时也进一步加大了农田CO2的释放，结果农田生态系统释放的CO2比草地生态系统多。夏季，两个生态系统都是吸收碳的库，农田生态系统因较高的LAI和较低的生态系统呼吸温度敏感性使其NEP远高于草地生态系统的NEP，是一个较强的碳库。秋末，草地生态系统几乎处于碳平衡的状态。农作物的收割，使得大量含不溶性物质较低枯叶和秸秆残留在地里，农田生态系统呼吸释放的碳量显著高于同期草地释放的碳量。通过2005～2006年对两个生态系统碳通量进行一整年的观测，发现两个生态系统年净固碳量相当，草地净固定71.3 g C m-2，农田净固定64.4 g C m-2。但秋季的收获使农田生态系统近70%的生物量被收走，降低了该系统的固碳能力。 为进一步了解不同生态过程对净碳通量的贡献量，我们利用浓度梯度-同位素法与微气象技术相结合的方法，初步将生态系统呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸。草地生态系统在生长旺季自养呼吸占总呼吸80%以上，而农田生态系统在生长季阶段异养呼吸所占整个生态呼吸的比例从60%上升至作物成熟时的80%以上。降雨不仅显著增加草地生态系统呼吸的释放量，而且主要是显著增加了异养呼吸的释放量。此外，我们还利用同化箱式法对草地生态系统的群落呼吸进行区分，结果显示群落总呼吸（Re）有明显的季节变化，最高值在生长季中期。凋落物分解、土壤有机质呼吸、根呼吸和地上植被呼吸在整个生长季平均分别占总生态系统呼吸的19.4%、37.8%、9.8%和32.9%。构建各组分呼吸通量与温度的指数关系，结果显示根呼吸的温度敏感系数最大，土壤有机质的温度敏感性最低。降雨后首先促进了异养呼吸，随后植物的呼吸也开始变大，群落呼吸释放的最高峰出现在雨后第二天。 本研究初步分析了控制内蒙古农牧交错区草地生态系统碳通量的主要因子，量化了该区域草地生态系统的碳储备量，并进一步阐述了开垦对该区域生态系统碳通量的影响。同时尝试不同方法对生态系统碳通量进行了区分，得出了一些具有生态学意义的结果，为进一步探讨控制生态系统碳通量的生理机制提供了可能。

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。