暖温带落叶阔叶混交林能量生态学研究

本文是首篇研究中国暖温带落叶阔叶混交林能量生态学的论文。在文中，笔者以详实的第一手资料从能量环境、能量流动、能量组合以及能量平衡几个方面，全面、系统地阐述、分析了辽东栎林——这一暖温带落叶阔叶混交林典型自然群落代表的能量生态学特征。 在能量环境一章中，笔者从能量流动，能量平衡的角度出发重点研究了辽东栎群落的辐射能量环境特征。笔者以1991-1993年的观测资料为基础，从乔木、灌木和草本三个层次分析了生长季总辐射、散射辐射、直射辐射、反射辐射、净辐射、先合有效辐射、透射辐射、吸收辐射以及乔木层和灌木层反射率的季节动态和日进程特征，并从天文因子、气象因子和群落自身发育特征几方面解释分析了辐射能量环境的这种时空动态特征，同时，分析了这种变化特征对群落能量流动、分配和平衡过程可能产生的影响。 另外，笔者也对群落湿度和风速环境的时空动态特征进行了分析。 在能量流动一章，笔者以1992-1993年的野外实验资料为依据，沿季节动态、月际变化和日进程的时间轴，从群落、乔木层、灌木层、草本层以及各乔、灌木种群的空间尺度详细分析、阐述了太阳辐射能在森林群落内的流动和转化特征，并从能量环境和群落发育的角度解释分析了能量在群落内的这种时空分布和转化特征。所讨论的能流对象包括群落、乔、灌、草各层及各乔、灌木种群的总能流固定量、叶片呼吸耗能量、剩余能流固定量以及沿枯枝落叶流出的能流量。 与分析能流过程同步，笔者从上述的时、空尺度分别以生长季内太阳总辐射和光合有效辐射为基础计算、分析了森林群落的光能转化率特征。 在这一章的最后，笔者概述性地介绍了辽东栎群落的能量平衡特征 在第四章，笔者从能值的角度出发，以能量密度为标准讨论了能量沿群落各层及各乔、灌木种群的积累、分配和组合特征，并讨论了能量流动和光能转化率与热值和能量密度的关系。 辽东栎群落能量生态学的研究不但为了解暖温带落叶阔叶林生态系统的结构和功能，为恢复和重建退化的森林生态系统提供了丰富详实的理论信息，而且，也为山区人工林优化模式的组建提供了理论依据和实践指南。

暖温带山地森林生态系统水分问题研究

本文的研究是中国科学院院重大项目“暖温带森林生态系统结构、功能及生产力持续发展”的主要内容之一。作者以详实的第一手资料，从森林小气候及环境特征、森林降水的水文学效应及降水化学、森林的热量平衡及蒸发散、树木个体的水分生理生态学几个方面阐述、分析了暖温带山地森林生态系统主要林分的水分及其相关生态学问题。 在森林小气候及环境特征一章，作者从不同季节的日变化和生长季的月际变化两个视角，以落叶阔叶混交林和油松林为研究对象，考察了林冠上和林下四个不同梯度的风速、气温、湿度、地温的时空动态。 在森林降水的水文学效应和降水化学一章，笔者以1993、1994年试验年度的83次降雨观测资料为基础，分析了暖温带落叶阔叶混交林、辽东栎林、油松林、落叶松林、次生灌丛降水总量与各降水分量的关系，建立了单次降雨与各降雨分量的经验模型，并给出了生长季林冠作用层和林地作用层的水量分配的月际动态。在探讨上述水量关系的同时，作者还分析了前四类林分大气降水及各降水分量中N、K、Ca、S、Mg、P、Al七种元素的浓度及含量变化，就不同树种对上述元素的选择性交换作了探讨，比较了不同林分的降水化学效应差异。 在第四章，作者以落叶阔叶混交林和油松林为研究对象，分析了两类林分在94试验年度生长季辐射平衡、显热通量、潜热通量、蒸发散以及土壤热通量的季节变化和日变化特征。 在树木个体的水分生理生态部分，作者应用压力室一容积技术测定了暖温带落叶阔叶林、油松林和次生灌丛10种主要树种的水分生理指标：日最低水势值、最大膨压时的渗透势、膨压为零时的渗透势、初始质壁分离时渗透水的相对含量、初始质壁分离时的相对含水量、质外体水的相对含量、细胞最大弹性模量，并比较了不同树种间上述指标与抗旱性的关系。此外，作者还应用Li-1600稳态气孔计测定了上述林分中主要树种的日均蒸腾强度的季节动态，并比较了上下两面叶片蒸腾特性的差异。最后，作者采用九种水分生理指标对10种主要树种的抗旱性作了主分量分析，给出了综合性抗旱指标。 在第六章，作者应用热脉冲技术系统地研究了暖温带山地森林主要乔木树种的树干液流的时空变化特征，并应用时序分析方法对上述树种的树液流量变化建立了自回归模型，在此基础上提出了生理惯性指标，给予了生理学解释。

中国暖温带森林群落多样性若干问题的研究

中国暖温带落叶阔叶林区维管植物共158科，931属，近4000种（含亚种，变种和变型），种子植物l3l科，877属，3770余种。暖温带植物区系有很强的温带性质，各类温带成分共548属，而各类热带成分仅226属，热带成分与温带成分(R/T)的比率为0．31。运用TWINSPAN和DCA对全国34个植物区系进行了数量分类排序，结果反映了一个地区的植物区系性质主要取决于其所在地的地理位置，同时也受山地海拔高度的强烈影响这一植物区系的基本特征。 根据暖温带森林植物的特点，修订了Raunkiear生活型系统。暖温带森林植物以地面芽植物(H)占较大的优势，占暖温带全部种类的33.9%;其次是地下芽(G)植物，占l 9.7%;全部高位芽植物占27.5%，绝大部分为落叶阔叶高位芽植物。主要由这些生活型组成的暖温带植物生活型总谱基本反映了暖温带夏季温暖多雨、冬季寒冷干旱的中纬度地区地面芽植物群落气候特征。 暖温带森林植被类型主要有7个植被亚型，约50个群系。辽东栎群落是典型的地带性森林群落。应用TWINSPAN和DCA程序将68块暖温带部分地区辽东栎群落样地和83块北京山区辽东栎群落样地分别划分为1 5个和14个群落类型。用物种丰富度指数、Simpson指数、多样性奇测法、Shannon-Wiene r指数、Pielou均匀度指数，Heip均匀度指数、AIatalo均匀度指数等常用的多样性测度方法，分别对暖温带和北京山区辽东栎群落的多样性进行了测度，结果发现，多样性作为一个整体与DCA第1轴有很大的相关关系：暖温带辽东栎群落多样性指数与DCA第1轴的复相关系数为0.7左右，北京山区较高，为0.8左右。多样性的空间特征为：随海拔的升高和纬度的降低，多样性指数呈上升趋势，反映了水热条件在辽东栎水平分布范围内、人类活动和水分因子在辽东栎垂直分布范围内对群落多样性的影响;不同群落之间多样性指数由低到高的顺序为：灌丛、辽东栎萌生丛、辽东栎林、辽东栎纯林、混交林，符合群落演替过程中多样性的动态规律。 对秦岭主峰太白山海拔1400-1600m之间植被类型和物种多样性进行了研究，在划分的1 5种群落类型中，以位于海拔1500-2300m之间的落叶阅叶混交林和栎类混交林的群落多样性最高，在海拔2300-3600m之间，群落多样性趋于单调下降，反映了热量的不足在这一海拔高度范围成为多样性的主要限制因子。

北京东灵山地区暖温带森林生态系统能量环境和能量固定的研究

水文研究了北京东灵山地区落叶阔叶林和人工油松林的能量环境和能量固定，以及相关的生态学过程。重点研究了落叶阔叶林林冠表面、灌木层表面和草本层表面的总辐射、直射辐射、散射辐射、反射辐射、净辐射和长波将辐射、分光谱辐射，强调了自然条件下斜坡对上述辐射分量的影响。上述分量随森林内层次的下降而剧减，光谱组成也发生变化，长波辐射和短波红外辐射所受的影响较小。天气对辐射通量的日进程和月际变化都有重大影响。 落叶阔叶林主要树种叶片净光合速率在7月底8月初达到最大值，以辽东栎的最高，五角枫最低。除大叶白蜡外，正午或稍后有明显的午休现象。油松小技的光合速率上层）中层）下层，7月底和8月全月都是光合速率高峰期。白天净光合速率在中午没有明显的“午休”现象 自然环境下油松不同年龄的针叶的光合速率与光强度的关系近似于一种抛物线关系，而不是人工控制条件下测定所出现的双曲线关系。 主要落叶阔叶乔灌木和油松树干的呼吸速率7月份最高，10月最低，24小时连续测定结果表明，乔木树种树干呼吸在下午或傍晚达到最大值，是因为树干温度落后于空气温度的变化节奏造成的。 以油松为例，研究了树木侧枝长的年增长规律，发现侧枝年增长量随着年份发生有规律的变化，与气候因子的关联分析与回归分析表明，枝长的年增长量与空气温度、年降水量和年蒸发量关系最为密切。最后利用光合生产潜力逐步修正的途径和Lieth-Box途径，估算了被研究森林的潜在生产力，并分析了造成估计值偏高或偏低的原因。

森林生态系统的养分循环-一个温带落叶阔叶林生态系统的研究

l、有机质和全N在草甸土壤的不同层次之间呈现明显的差异，表现力随着土壤深度的增加，含量逐渐降低。无机N包括NH4+-N和No3--N在土层之闻的差异并没有象全N和有机质那么显著。NH4+-在表面30Cm的土壤中明显高于NO3--N的。全P在各层土壤中的含量差异并不显著，但有效p在三层土壤中表现出明显的差异，表现为随土壤深度的增加而降低。 K、Na、Ca、Mg、Fe和AI等6种金属元素的可交换成分在革甸土壤中的含量除K表现出明显的土层间的差异外，在表层30cm的土壤中并没有明显的随土壤深度变化的趋势。 有机质和全N在东灵山地区主要森林土壤中的含量以0~lOcm土层中的显著高于10~20cm的土层中的。20cm的土层中无机N中也以NH4+-为主，这与草甸土壤中的一致。全p和有效P在两个土层之间的差异并不十分显著，而以0^lOcm土层略高于10～20Cm土层的。 K、Na、Ca、Mg、Fe和AI等6种金属元素的可交换成分在不同土层间的差异以K和Ca较为明显，K和Ca在O—1Ocm的土层中要高于lO-20cm的。 森林土壤中的有机质、全N（包括NH4+-N）、全p（包括有效P)都表现为低于亚高山草甸土壤中的，主要原因是亚高山革甸分布于海拔1800cm至2300m，而主要森林类型则基本分布在海拔120m至1500m，亚高山草甸较为恶劣的气候条件明显不利于有机质的矿化，因而分解速率较低，积聚了较多的有机质．而森林土壤中较低的NH4+-N和有效P则可能是由于森林中旺盛的生命活动，尤其是微生物的活动，而大量被植物和微生物固持，因而，即使在森林土壤中有较高的矿化速率，但仍具有较低的NH4+-N和有效p的含量． 不同类型的森林土壤之间各化学成分并没有发现有明显的变化趋势，即使森林类型差异较大的落叶阔叶林和针叶林之间也并没有发现十分显著的差异，这说明各森林类型土壤之间养分特征的一致性。两种针叶林均为人工林，林龄不超过30，而在这之前推测也是以落叶阔叶林为主，森林土壤在这30年间并没有发生十分明显的变化。 在l100m至I500m之间的各种森林类型的土壤也没有表现出十分明显的与海拔高度的相关性。同一森林土壤在不同时间的采样之间，各化学成分也没有表现出明显的差异。 2、降水引起的树干茎流水分中全N的含量在降水季节的初期的含量略高于大量降水期间的。而在降水季节后期，随着每次降雨量的减少，降水间隔时间的增加，树干茎流中N的含量明显地有很大幅度的升高。NO3-N在树干茎流中的含量也同样受到了降水量的影响，表现在后期也发生显著的升高，但升高的幅度没有全N的大。受到降水量影响的元素还有S。 全p在树干茎流水分中含量随降水时间的变化，在各个树种之间有很大的差异。 其它几种元素的可交换态在茎流水分中的含量以K的含量为最高;其次是S、ca、Mg，AI在所有分析的元素中含量最低。不过，AI在降水初期(6月22日)的取样中，含量在几个树种的茎流水分样品中普遍较高，Ca和Mg也被发现有类似的情形。 穿透雨中全N的含量在降水初期略高于降水中期的，而至降水末期时又略有升高，这种格局与树干茎流水分中的具有一致性。全P、K、Ca、Mg、S．ＡＩ等包括全N及其无视成分与树干茎流中的含量的差异并不显著． 地表径流中的全N含量在去除枯枝落叶层的径流场的变化格局与树干茎流和穿透雨中的较为一致．表明这三者之间存在一定的相关性．但与未去除枯枝落叶层的径流场的径流水分中全N和NO３－Ｎ的含量并不十分一致，全N和NO３－N的含量有时较高． 取自马牙石沟流水堰口的集水区水样中全N和NO３-N的含量均变化在l～3ｍｇ／L之间;而取自南沟流水堰口的集水区水样中的全N和N03-N的含量均在l～2mg／L之间，但在这两者之间并没有十分显著的差异，说明取自两个集水区溪流水分中的全N和N03-N的含量基本一致。 3、通过对三个森林立地乔木层生物量的两次调查（相隔6年），发现尽管以辽东栎为主要优势树种的暖温带落叶阔叶混交林（91- 03）第一次调查的生物量低于辽东栋林（91 - 02）和桦木林（91 - 04)的，但在生长6年后，该立地的乔木层生物量已明显超过桦木林的，其增长速率在三个样地中为最高。 根据两次调查的结果，三个样地中出现的11种乔木树种胸径的增加可以分成两组，第一组包括北京花楸、糠椴、白桦和辽东栎，另一组则由山杨、五角枫、棘皮桦、大叶白蜡、蒙椴、黄花柳和沙涞组成。6年中，第一组树种的胸径增加量在1.O～l.4em之间，而第二组的增量在0.2~O.9cm之间，两者之间具有显著的差异。 常用的生物量预测模型包括两个因子，即胸径(D)和树高(H)。D通常可以实测得到，但H大部分只能估计得到。本研究通过比较6年前后两次树高的实际估测结果，证明用D和H共同建立的模型预测结果可能会产生较大的人为误差，建议改用D的单因子预测模型。 无论是实测结果还是树木年轮分析结果，都表明处于目前径级水平的暖温带地区分布的这几个树种还处在不断生长的过程中，随着年龄的增加，表现为胸径还有很大程度的增加，因为这些树种目前的大径级个体的年平均增加速率大于小径级的． 树木年龄与胸径的相互关系的分析结果表明，树木年龄和胸径可以很好地用饱和模型Y=a-be－ｃｘ来拟合． 4、通过近5年对辽东栎枝条( D<0.5cm)和叶片凋落物分解的观察和分析，发现辽东栎枝条的总失重率达到了43%，分解速率常数k为2.713x10－3／周，而叶的总失重率则可以达到70%，分解速率常数k为6.234xl0-3/周. 枝条分解过程中的有机质含量变化可以分为三种类型，一种是单调上升型的，如蛋白质，其含量从3.5%增加到约6%;-种是单调下降型的，如半纤维素，约从15%降低至7%;另一种则是相对变化不大，如粗纤维（包括纤维素和木质素），粗纤维的含量变化在58％±3%，木质素变化在56%±2.5%，纤维素则变化在1%～3%之间。 用Olson指数方程拟合，结果表明粗纤维、木质素和半纤维素三者的分解以半纤维素为最快，分解速率常数为5.693xl0-3／周，其次是木质素和粗纤维，分别为2.461x10-3/周和2.352xl0-3／周．而蛋白质和纤维素的拟合结果较差或根本无法拟合． 用Olsoｎ指数方程拟合的结果表明，有些元素在凋落物分解过程中可以很好地用该方程拟合，如K，Na、Mn和C，p和N，Mg，Zn，而一些元素如Ca和Cu没有取得很好的拟合效果。 几种元素在叶片凋落物分解过程过程的丢失速率也以K为最快，其它元素的顺序为，e，N，p，Na，Mn，Mg和Ca（Ca的拟合效果较差），而Cu、Zn也不能很好地用Olson指数方程拟合。 5、根据对东灵山地区6年(199l~1997)的气象观测结果，可得到该地区的年平均降水量和总降水量，用1994年分析的降水中养分含量的数据可以近似计算得东灵山地区每年通过降水进入该暖温带落叶阔叶林生态系统的几种养分输入量。同理可以计算降水输入养分在树干茎流和穿透雨中的分配，还可以计算养分从地表径流中的输出。通过对这几个水分循环的主要环节中养分输入或输出量的计算，发现每年通过降水而进入系统的养分，大部分将积累在系统中，而输出份额只占很小的一部分。 K和Mg两种养分元素在降水通过林冠和树干表面时，将产生大量的淋溶，而Ca的淋溶较小．N、P和AI则产生少量的吸附或吸收。对于S来说，淋溶和吸收或吸附作用相当，或两者都很小。 通过生物量的年平均增量和生物量中的养分含量可以计算得到每年积累在生物量中的养分量即存留量，同理可以计算年凋落物中的养分量、归还量及生物系统从土壤中吸收的养分量，每年养分的存留率．通过以上计算，发现该落叶阔叶林对养分的存留率较低，这可能是由于该落叶阔叶林森林生态系统每年具有较高的养分归还量，对于一些元素来说，还具有较高的淋溶量，尤其是K和Mg．

北京东灵山暖温带典型植被类型物种构成及物种多样性对氮素转化过程的影响

通过调查东灵山地区7个典型植被类型的物种多样性，并测定各林型中植物叶片养分特征，凋落物品质，土壤理化特性，豆科植物的生物固氮作用以及土壤有机质的净N矿化与硝化作用，研究了不同林型及其物种多样性对氮素转化过程的可能影响。结果表明： 1) 各林型乔灌草三层13个物种多样性指数之间都不同程度存在差异，且都表现基本一致的大小顺序，各样地乔灌草三层3个丰富度指数和5个多样性指数之间大都表现草本层>灌木层>乔木层的大小顺序。 2) 林型对植物叶片养分特征、叶片凋落物品质指标、土壤的大多数理化特性都有显著影响，其中，落叶阔叶林与针叶林之间的差异最为明显，优势种不同的针叶林之间也不同程度地存在差异。各林型物种多样性对植物叶片养分特征，凋落物品质和土壤理化特性也都不同程度存在显著影响，且乔灌草三层的物种多样性的影响不同。我们的结果支持物种多样性对生态系统过程存在显著影响的观点。 3) 胡枝子(Lespedeza bicolor)％FNDA值较低，在0～53.3％之间，与国外学者对某些木本豆科固氮植物的研究结果接近，但低于三叶草、野豌豆等草本豆科固氮植物。胡枝子生物固氮具有明显的季节差异，不同样地生境对胡枝子％FNDA值也存在显著影响，大都都表现铁塔辽东栎样地>重力点样地>站下灌丛样地>垭口样地的趋势。除胡枝子之外的其他豆科植物的％FNDA都高于胡枝子，且存在种间差异，以三籽两型豆(Amphicarpaea capillipes)最高(100％)，歪头菜(Vicia unijuga)最低(平均66.4％)，这些结果与国外相关研究接近。不同林型之间和同一林型不同样地之间也影响豆科植物的％FNDA。东灵山地区有相当数量的植物种具有和固氮植物相近的δ15N值和全N含量，具有潜在的生物固氮能力。6个林型中所有豆科植物的％FNDA平均值主要受乔木层和草本层物种多样性的影响，乔木层和草本层物种多样性提高，豆科植物的％FNDA将随之显著降低。 4) 气温、土壤温度和降水量显著影响各林型净氮硝化速率的季节动态，都表现为温度升高，降水量增加，净氮硝化速率也随之增大。 5) 在不同取样时间，不同林型在土壤NH4+、N03-含量，矿化、硝化速率以及年度总净矿化、硝化量之间均不同程度存在显著差异，其中，以辽东栎落叶阔叶林与针叶林之间，常绿针叶林与落叶针叶林之间，纯林与混交林之间的差异最为明显。 6) 土壤初始N0_3含量与年度总净硝化量，年度总净矿化量及其占TKN的百分比呈显著正相关关系;植物叶片全N浓度与净氮矿化、硝化作用呈显著负相关：植物叶片凋落物的品质指标与净氮矿化、硝化作用没有显著相关。 7) 胡枝子固氮作用(％FNDA值)越强，土壤有机氮的净硝化量就越大，胡枝子在从大气中获取大量N，的同时，很可能会增加氮素的淋溶损失量。胡枝子固氮作用(％FNDA值)与净氮矿化量不存在显著相关关系。 8) 只有乔木层和草本层部分种多样性指数对净氮矿化、硝化量存在显著影响。乔木层均匀度提高，土壤净氮碳化量将随之增大;而草本层物种多样性提高，均匀度提高，净氮矿化、硝化作用将随之降低，草本层植物对土壤氮素矿化作用具有显著抑制作用。 9) 落叶阔叶林与针叶林的供氮能力和维持无机氮素的能力之间存在比较明显的差异，而不同针叶林的矿化／硝化作用也有所差别。其中，辽东栎落叶阔叶林的供氮能力和维持氮素能力均高于针叶林和山杏灌丛;油松林的供氮能力与防止氮素损失的能力显然要强于落叶松林和山杏灌丛。 10) 尽管箭叶锦鸡儿灌丛植物叶片与凋落物中全N、全P浓度在大多数取样点上都低于硕桦(高于草甸)，但表层土中全N浓度高于硕桦和草甸，且其土壤有机质的供氮能力以及维持氮素能力都高于硕桦林和草甸，表明，锦鸡儿灌丛为侵入草甸和硕桦入侵提供了良好的养分条件，在该演替序列的发展过程中起了一定的推动作用。

内蒙古温带草原生态系统过程对气候变化响应的实验研究

羊草草原、大针茅草原和草甸草原是内蒙古温带典型草原地区的三种主要植被类型，本文以此为研究对象，应用时空替代、温室、网室、自然降水接移、养分添加等多种方法模拟未来可能发生的气候变化，研究了这些变化对上述草原植物群落和生态系统过程的直接和间接影响。主要研究结果如下： 1. 气候变暖及其诱导的土壤养分释放速率增加对植物群落有明显的影响，表现在种种植物群落在高度、盖度、密度和生物量等都有不同程度的变化。说明我国温带草原生态系统对气候变化反应敏感。 2. 在群落说平上，气候变暖直接或间接使地上生物量提高17%～90%，但在种群水平，不同种群对模拟气候变化的响应具有很强的个性，而不具普遍性，不同种群反应的大小、方向不同。因此由在不同群落进行研究得出的推论只有部分是可能的，并且即使观测到相类似的反应，它们内在的机制也很可能是不同的。 3. 气候变化显著地影响着凋落物的分解特征。但不同的气候变化情景下，凋落物分解过程的响应不同。在温度升高降水变化不大或升高的情景下，凋落物的分解速率将加快;在气温上升，降水明显下降的情景下，凋落物的分解速率将降低。 4. 草甸草原土壤碳素释放过程和氮素矿化过程对气候变暖有明显的响应。气候变暖将促进土壤有机碳的释放，使草甸草原土壤成为碳源，同时加速氮素矿化速率，在一定程度上提高土壤有效养分的浓度。 5. 在中小尺度上，海拔样带所是应用时空替代原理，研究陆地生态系统与气候变化的理想平台，生物量是综合反应气候变化对土壤-植物系统影响的敏感指标。 6. 草原土壤有机碳和氮在2m～3m的小尺度上存在空间自相关性，其空间自相关尺度受人类活动的影响。

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。

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。

内蒙古温带典型草原土壤净氮 矿化作用

作为陆地植物生长和生态系统初级生产力的主要限制因子之一，土壤氮素矿化和可利用性对全球变化的响应决定着未来陆地生态系统的碳储量并对全球碳循环产生长远的深刻影响。众所周知，土壤中大部分氮以有机态存在，有机态氮必须经过转化成为无机态氮才能被植物吸收利用。土壤氮素矿化是将有机态氮转化为无机态氮的生物化学过程，决定着土壤中氮素的可利用性。理解氮素在草原生态系统中的转化（包括矿化，硝化作用）过程，有助于我们充分认识草地退化机理，为草地恢复和重建提供理论依据。在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站的典型羊草草原区，选取了1979年围封（没有割草和放牧利用）、1999年围封（没有割草和放牧利用）和长期自由放牧三种不同土地利用方式的羊草草地，分别代表人为干扰强度从小到大的梯度，利用室内和野外原状土培育实验两种方法，研究了人为干扰强度和环境因子（温度和水分）对土壤无机氮转化的影响。 室内实验：设置不同的温度梯度和水分梯度，在不同的时间段内在室内对原状土柱进行培养，观察这些因子对土壤净氮矿化的影响。结果表明：（1）土壤无机氮库（NH4+-N和NO3−-N）在不同土地利用变化情况下具有显著差异。但是，经过室内培养，净氮矿化速率和硝化速率之间差异不显著，只有铵化速率表现出显著差异。（2）温度对铵化、硝化和矿化速率有显著影响。但是当培养温度低于5℃时，无论培养时间多长净氮矿化的累积和净氮矿化速率之间差异皆不显著。温度高于15℃的三个温度之间净氮矿化的累积和净氮矿化速率差异极显著。（3）土壤湿度对净硝化和净矿化速率有显著影响，但是对铵化速率没有显著影响，表明当土壤水分限制硝化细菌的活性时，硝化速率对于水分的增加显得更加敏感。（4）培养时间对铵化、硝化和矿化量的积累有极显著影响。随着培养时间的延长铵态氮积累的量较少，但是硝态氮的量随着培养时间延长积累的量很多。（5）我们的研究表明温度、湿度和培养时间之间对净氮矿化的影响存在极显著的互作效应。 野外试验：在三种不同土地利用历史的草地，利用顶盖埋管原位培育法测定土壤的无机氮库、净硝化、铵化和净氮矿化的季节动态。2004年5月开始，每隔30天一次，到11月结束。结果表明：（1）三种不同土地利用方式的草地生态系统土壤中的NO3－-N和NH4+-N含量都表现出明显的季节变化趋势，自由放牧样地与围封25年样地季节趋势基本一致，围封5年样地各月间NO3－-N和NH4+-N含量的差异都达到显著水平。（2）三种不同土地利用方式的草地无机氮的季节动态两两比较发现，NO3－-N浓度在6、7和9月差异极显著;而在8月三个样地之间差异不显著;NH4+-N浓度在5月、7月和8月三个样地之间都达到显著水平，在6月、9月和10月情况有所不同，6月自由放牧地与围封25年间差异不显著，而这两个样地与围封5年的样地差异达显著水平，9月围封25年和围封5年两个样地之间差异不显著，而与自由放牧样地之间差异显著;10月情况又有变化，是自由放牧样地与围封5年的样地之间差异不显著，与围封25年样地之间差异达显著水平;（3）土壤无机氮库和氮素的矿化/硝化速率都存在明显且比较一致的季节动态，但是在个别月份也有较大差异，总的趋势是围封25年的样地硝化速率高于围封5年和自由放牧样地。上述结果表明：在温带典型草原，土地利用方式对土壤氮素库和矿化有着重要影响;各样地之间土壤氮素库和矿化速率的差异可能是由于土壤温度、水分、无机氮库和土壤基质的改变而引起的。

毛乌素沙地两种固沙禾草种子萌发和幼苗生长与环境的关系

干旱区和半干旱区生长的植物具有复杂的生存机制，以确保其能够在特定的环境中生存和发展。植物在干旱的荒漠条件下的生存，与其特殊的种子萌发机制密切相关，这种机制能够确保植物在合适的时间与地点进行种子萌发与幼苗生长发育。在植物的生活史中，种子对极端环境具有最大的忍耐力，而萌发的幼苗对环境胁迫的忍耐程度最小。在干旱区生长的植物往往具有特殊的萌发机制使萌发出的幼苗能够度过对外界的敏感期，对于植物的生存具有重要意义。 毛乌素沙地是我国的四大沙地之一，该地区具有水分短缺，蒸发强烈，风沙剧烈和生境异质性高的特征。本文假设生长在这种极端环境中的植物也发展出了“适时适地”的种子萌发和幼苗生长的适应对策。为了验证以上的假设，本文选取毛乌素沙地不同生境中生长的两种优势固沙禾草——流动沙丘上生长的沙鞭(Psammochloa villosa)和固定沙丘上生长的赖草(Leymus secalinus)为研究材料，通过野外调查、温室控制实验和实验室控制实验的方法，从生理生态学的角度探讨这两种植物的种子萌发和幼苗生长过程对沙丘环境的适应对策，主要对比它们在种子休眠、萌发和幼苗早期生长过程中对沙丘生境适应性的异同点。研究结果表明： （1）新成熟的沙鞭和赖草的种子为适应冬季低温而发展出生理性的内生休眠——非深度生理休眠。沙鞭和赖草的种子分别需要经过4周和8周的低温层积处理(3－5ºC)来完全打破休眠。另外，划破种皮或者部分切除胚乳也能够促进种子的萌发，这进一步证明两种植物的种子具有非深度生理休眠。然而，切除胚乳在不同程度上影响它们的幼苗生长。由非深度生理休眠、温度和损伤种皮/胚乳调节的部分萌发机制能够确保两种植物的种子即使在条件适宜的情况下只有部分种子萌发，从而分散植物生存的风险性。 （2）毛乌素沙地的小量降水（无法触发萌发）使种子经常遭受湿润－干燥的交替胁迫过程。种子先在湿润条件下吸涨1d或者2d，然后在室温下干燥0-8天。尽管在经历反复吸涨和自然干燥脱水后仍能够保持萌发能力，沙鞭和赖草种子的萌发特性却发生了不同的变化：和各自的对照相比，沙鞭种子萌发率相同而萌发速率降低;赖草种子的萌发率和萌发速率都降低，部分种子进入休眠状态。沙鞭和赖草萌发出的幼苗可能由于没有后续降雨或者因沙蚀而遭受干燥胁迫，但是其幼苗在生长早期能够忍耐一定程度的干燥，再次湿润后部分幼苗能够恢复生长。沙鞭和赖草幼苗的耐干燥的“极限点”不同：当幼根长度为1 mm时，它们的幼苗忍耐干燥的时间分别是60d和30d;当幼根长度为4 mm时，它们的幼苗忍耐干燥的时间分别是14d和7d。沙鞭和赖草的种子和生长早期的幼苗的耐干燥性特性可能是它们对降雨量和降雨时间都不可预测的沙地生境的生存策略之一。 （3）不同的沙埋深度影响沙鞭和赖草的种子萌发和出苗。这两种植物的种子萌发和出苗都需1－2 cm的浅层沙埋。随着沙埋深度的增加，两种植物的种子萌发率和出苗率逐渐降低，强迫休眠率逐渐升高;萌发率与出苗率和沙埋深度呈负相关关系而休眠率和沙埋深度呈正相关关系。但是，沙鞭种子出苗的最大沙埋深度是8 cm，而赖草的则为4 cm。因强迫休眠而没有萌发的种子对维持一个长期的土壤种子库来说具有生态学优势，这些种子暴露在合适的萌发土壤深度时具有生长出幼苗的潜能。 （4）沙鞭和赖草的种子都具有大小的差异性，种子大小对沙鞭和赖草的种子在不同沙埋深度的出苗具有不同的影响。沙鞭的三种不同大小种子的平均质量分别为小，4.489 ± 0.012 mg (4 – 4.9 mg);中，5.457 ± 0.012 mg (5 – 5.9 mg)和大，6.415 ± 0.011 mg (6 – 6.9 mg)。赖草的两种不同大小种子的平均质量分别为小，3.083 ± 0.026 mg (3 – 3.5 mg)和大3.955 ± 0.028 mg (3.6 – 4.0 mg)。在相同的沙埋深度下，两种植物的大种子的出苗率都显著高于小种子。和小种子相比，两种植物的大种子由于贮藏更多的能量，所以在相同深度的沙埋中具有出苗率更高的生态优势，而大量小种子在沙埋中不能萌发，可以作为种子库保存在沙层中，这样就分散了一次性大量萌发给植物带来的冒险性。 （5）沙鞭和赖草的幼苗在生长过程中会遭受沙埋，其幼苗忍耐沙埋的能力与沙埋的相对深度（沙埋比例）和幼苗年龄有关。沙鞭和赖草幼苗的耐沙埋能力不同：沙鞭的2周龄幼苗可以忍耐达到株高100%的沙埋，而其1周龄幼苗只能忍耐75%的沙埋。赖草的1周龄和2周龄幼苗都只能忍耐75%的沙埋。沙埋之后，沙鞭和赖草幼苗的生物量，根/茎比以及根和茎的长度都受到不同程度的影响。赖草幼苗不能忍耐完全沙埋可能是限制它在流动沙丘上分布的一个原因。 （6）降雨量和降雨频率能够不同程度地影响沙鞭和赖草在不同沙层的萌发和出苗。这两种植物的种子萌发和出苗需要的最小降雨量不同：在一次浇水相当于5 mm降雨量后，沙鞭和赖草种子的萌发率都超过50%;但是使沙鞭和赖草的出苗率能够达到50%的降雨量分别为10 mm和15 mm。沙埋中的沙鞭和赖草种子的出苗对降雨的响应具有以下特征：两种植物种子的出苗随降雨量或者降雨频率的增加而增加;沙鞭的出苗率受到降雨量和降雨频率的显著影响，但是二者交互作用的影响不显著;赖草的出苗率受到降雨量、降雨频率以及二者交互作用的显著影响。 由非深度生理休眠，种子大小，干燥－湿润循环，沙埋和降雨调节的种子萌发和出苗机制确保了自然条件下沙鞭和赖草每次只有少量种子萌发和出苗，从而分散了两种植物在沙丘上的生存风险。 根据沙鞭和赖草在沙丘上的种子萌发和幼苗生长特性，本文为毛乌素沙地通过植物固沙恢复受损的沙地生态系统的种子飞播实践提出了几点建议。

暖温带地区典型森林群落叶面积指数、生产力和树木年轮特征的分析

以辽东栎(Quercus liaotungensis)为主的落叶阔叶林、华北落叶松林(Larix principisrupprechtii)和油松(Pinus tabulaeformis)林是我国暖温带地区具有代表性的森林群落类型。本研究：1）应用国内外流行的半球图方法，通过对这三种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的测定和综合比较，分析了叶面积指数和林冠开阔度的季节动态，揭示了暖温带地区不同类型森林群落叶面积指数和林冠开阔度的特征;2）基于野外调查的样地资料，利用维量分析法估算了中国科学院北京森林生态系统定位研究站三种森林群落乔木层的生物量和生产力，并揭示生产力和叶面积指数之间的相关关系;3）利用油松森林群落和落叶松森林群落采集树芯作为研究对象，用树木年轮学方法，建立相应的年表，联系气候资料进行相关分析，揭示树木生长的限制因子。 研究结果表明：1）落叶阔叶林(优势种为：辽东栎、棘皮桦(Betula dahurica)、五角枫(Acer mono))和华北落叶松林两种落叶森林群落的叶面积指数值均随生长季的到来而呈现增长的趋势，最大值出现在8月;林冠开阔度值随着生长季的到来而下降，最大值出现在11月。落叶阔叶林的叶面积指数和林冠开阔度的季节动态较之华北落叶松林明显。油松是常绿树种，其群落叶面积指数和林冠开阔度的变化程度均不明显，但林冠开阔度的变化趋势也是与叶面积指数的变化趋势相反。通过计算得出叶面积指数和林冠开阔度相关显著，并且呈现指数回归的关系。2） 油松、落叶松、落叶阔叶林三种森林群落乔木层的生物量和生产力分别为93.59 t•hm-2、119.36 t•hm-2 、169.94 t•hm-2和4.02 t•hm-2•a-1、5.58 t•hm-2•a-1、7.04 t•hm-2•a-1;三种森林群落乔木层生产力和叶面积指数回归曲线分析显示，生产力和叶面积指数呈现线性正相关关系。3）油松和落叶松生长与气候因子相关分析结果显示，两种群落树木的生长受当地降水和气温的影响，油松与5月份的温度显著负相关，落叶松与2月份和5月份的降水显著正相关。 以上研究结果为以遥感途径获取暖温带地区叶面积指数提供了地面校正依据，为研究该地区利用LAI估算生产力以及利用遥感途径得到的NDVI测定生产力、研究气候因子对树木年轮宽度形成的影响，以及进一步对该地区林分、景观和区域尺度上碳、水、通量等方面的模拟提供了基础数据。

中国北方温带地区针茅和锦鸡儿属植物的分布格局模拟及气候变化影响评价

在我国，小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、中间锦鸡儿（Caragana intermedia）、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、藏锦鸡儿（Caragana tibetica）和狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）主要分布于北方温带地区，是造林、固沙、饲用及观赏的重要灌木，而贝加尔针茅（Stipa baicalensisi）、大针茅（Stipa grandis）、克氏针茅（Stipa krylovii）、本氏针茅（Stipa bungeana）、短花针茅（Stipa breviflora）、沙生针茅（Stipa glareosa）和戈壁针茅（Stipa gobica）是我国北方温带地区具有重要饲用价值和水土保持功效的多年生密丛禾草。这5种锦鸡儿灌木和7种针茅草本植物在东北、华北和西北地区的生态环境建设及社会经济发展中发挥特殊作用。关于它们地理分布与气候关系的深入研究十分必要，可以为其种质资源的开发和改善生态环境提供理论依据。 本研究首先全面收集这12个物种在中国北方温带干旱－半干旱地区的全部地理分布资料，利用ArcGIS 9.0软件绘制现状分布图。通过分析其现实分布格局，发现小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿在空间上呈现出从东到西的地理替代分布格局，继续向西南方向则分布有藏锦鸡儿，向西北方向分布有狭叶锦鸡儿。贝加尔针茅、大针茅、克氏针茅和戈壁针茅也在空间上呈现出自东向西的地理替代分布格局，克氏针茅向南被本氏针茅替代，短花针茅和沙生针茅没有明显的地理替代分布现象。5种锦鸡儿和7种针茅的分布范围分别又都有一定的重叠。 整理12个物种分布区内的气象台站长期记录，选择计算16个具有重要生物学意义的水热指标值;进而用方差分析、多重比较和因子分析相结合的方法，研究控制这5种锦鸡儿和7种针茅地理分布的主导驱动因子。结果表明：控制小叶锦鸡儿和中间锦鸡儿间地理分布差异的主导因子是水分因子，特别是湿度;水分因子同样是控制中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿间地理分布差异的主导因子，特别是生长季及年降水量;控制柠条锦鸡儿和藏锦鸡儿间地理分布差异的主导因子是夏季高温，控制柠条锦鸡儿和狭叶锦鸡儿地理分布差异的是冬季低温。控制贝加尔针茅、大针茅、克氏针茅和戈壁针茅间替代分布的主导气候因子是年降水量和生长季降水量。控制克氏针茅和本氏针茅间替代分布的主导气候因子是温暖指数。 运用耦合BIOCLIM模型的软件包“DIVA-GIS”模拟预测这5种锦鸡儿和7种针茅的现状潜在分布区及未来气候变化的影响。结果表明：现状潜在分布区与实际分布区均有很好的一致性;在CO2浓度加倍的未来气候情景下，这些植物都会向北大幅度迁移，在我国的分布范围均缩小，分布格局发生显著变化。用ROC曲线和Kappa统计值法验证模型表明，BIOCLIM的模拟精度较高。利用BIOCLIM模型绘制了这12个物种的生物气候分室图，并根据生物气候分室确定了物种的最适气候范围。 为了研究锦鸡儿和针茅分布对气候变化的敏感性，本文在现实气象数据的基础上模拟预测了不同降水与温度变化情景下（保持年降水量不变，年均温分别增加1℃、2℃、3℃和4℃;保持年均温不变，年降水量分别增加和减少10％）的物种分布范围，发现随着气温升高和降水量增加，全部锦鸡儿和针茅都会向高纬度地区缓慢迁移，而当降水量减少时，它们将向低纬度地区迁移。不同气候情景下的物种分布范围迁移幅度表明，5种锦鸡儿中狭叶锦鸡儿和中间锦鸡儿的脆弱性相对较大，7种针茅中克氏针茅和贝加尔针茅的脆弱性相对较大。气温的单独变化控制这些物种分布区的未来迁移。 最后，本文探索了锦鸡儿和针茅的气候变化影响的阈值。就核心分布区而言，小叶锦鸡儿、贝加尔针茅、大针茅、沙生针茅的气候变化影响阈值是气温升高4℃，降水减少10%;中间锦鸡儿和狭叶锦鸡儿是气温升高4℃，降水增加10%;柠条锦鸡儿和本氏针茅是气温升高4℃，降水不变;藏锦鸡儿是气温升高2℃，降水增加10%;克氏针茅和短花针茅是气温升高3℃，降水不变;戈壁针茅是气温升高1℃，降水不变。

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。

降水对我国温带草原土壤呼吸及其组分的脉冲效应

利用动态气室法(Li-Cor 8100)，于2005-2007年生长季对我国北方温带典型草原生态系统的土壤呼吸作用及其影响因子进行了野外动态观测。研究结果表明，温带典型草原生态系统的土壤呼吸及其影响因子存在明显的季节变化和年际变化。土壤呼吸的季节变化主要受土壤温度和土壤水分控制，峰值出现在温度高、水分适中的6、7和8月。在生长季初期和末期，土壤温度和土壤水分较低，土壤呼吸接近于零。土壤呼吸年际变化受到降水分配的影响，植物生长旺季降水充足土壤呼吸较高，2007年的夏季干旱抑制了土壤呼吸。 土壤呼吸与土壤温度呈指数相关，与土壤水分呈二项式关系。与未去除植物的样方相比，去除植物后土壤温度降低，其中2005年达到显著水平(P < 0.01);土壤水分在三年中都显著提高(P < 0.001)。利用土壤呼吸与温度、水分建立的模拟方程表明，异养呼吸约占土壤呼吸的49.19%，根际呼吸占50.81%，两者对土壤呼吸的贡献大致相当，但呈现明显的季节变化，根际呼吸在植物生长旺季的贡献大于异养呼吸。同时，根际呼吸的比例受到降水分布的影响，在干旱时期，根际呼吸的比例远大于异养呼吸，说明在这个干旱半干旱的生态系统中植物更能忍受水分胁迫。 根据土壤呼吸与温度、水分三者的模拟方程分析表明，2005-2007三年的土壤呼吸和异养呼吸均值分别为1.65和1.07 µmol m-2 s-1，分别比实测值1.79和1.30 µmol m-2 s-1减少了8.6和18.04%;如果测定频次改为每周一次，土壤呼吸和异养呼吸则分别减少了10.51和13.76%。由此说明，降水对土壤呼吸产生的脉冲效应在一个完整的生长季中也存在，异养呼吸下降的比例更高，说明异养呼吸对降水脉冲效应的响应较大。因此，研究土壤呼吸时不能忽略降水的脉冲效应，同时应当考虑不同组分对脉冲效应的差异。 综合三年的研究数据表明，在不同水分条件下土壤呼吸的温度敏感性(Q10) 不一致。在四个土壤水分(<5%，5-10%，10-15%和>15%)范围内，土壤呼吸的Q10值分别为1.58，1.80，2.10和2.06;在土壤水分为5-10%，10-15%和>15%的范围内，异养呼吸的Q10值分别为1.58，1.70和1.66。由此表明，土壤呼吸的温度敏感性在10-15%水分范围内最高。在不同水分条件下，异养呼吸的Q10值都低于包含了根际呼吸的土壤呼吸的Q10值，表明根际呼吸的Q10值高于异养呼吸，根际呼吸对土壤温度的变化更为敏感。从年际变化来看，2005年异养呼吸和土壤呼吸的Q10值并没有显著差异(均为2.05);异养呼吸的Q10值在2006和2007年显著低于土壤呼吸的Q10值(分别为2006年：2.09和1.81;2007年：1.44和1.36);受到夏季干旱的影响，2007年的土壤呼吸和异养呼吸的Q10值与2005和2006年相比显著降低。