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。

放牧对内蒙古草原群落和土壤种子库的影响及两者关系的研究

选取内蒙古草原三种主要草原类型（草甸草原、典型草原和荒漠草原）代表性群落羊草杂类草群落、羊草群落和大针茅群落、小针茅群落，应用样线法沿水分梯度研究放牧对内蒙古草原不同植物群落功能群组成、多样性、生产力以及多样性与生产力关系的影响和放牧对土壤种子库组成、大小以及多样性的影响，在此基础上，研究土壤种子库与地上植被间的关系。主要结论如下： 1 放牧对植物群落的影响 荒漠草原的放牧演替规律为小针茅群落→猪毛菜 + 小针茅群落→猪毛菜群落;典型草原为羊草或大针茅群落→糙隐子草 + 大针茅群落或克氏针茅群落→星毛委陵菜 + 糙隐子草群落;草甸草原为羊草杂类草群落→羊草 + 贝加尔针茅群落，这是不同物种对牧压的不同适应结果造成的。 放牧使4种草原群落生活型功能群组分间发生强烈的生态替代作用，但不同的群落生态替代模式不同：放牧使小针茅群落多年生丛生禾草作用减弱，一二年生草本作用增强;羊草群落和大针茅群落多年生丛生禾草、多年生根茎禾草作用减弱，多年生杂类草作用增强;羊草杂类草群落多年生根茎禾草作用减弱，多年生丛生禾草作用增强。放牧使非旱生和C3植物作用减弱，而旱生、C4植物作用增强。 放牧对4种群落物种和功能群多样性的影响随不同的群落而表现不同：物种丰富度、物种多样性、生活型多样性 和水分生态类型多样性除羊草杂类草群落外随放牧强度的加大而降低，但适度放牧增加了羊草杂类草群落的上述多样性指标。 群落地上现存量一般随放牧强度的增大而下降，但小针茅群落反之，主要与一年生植物猪毛菜的生物量迅速增加有关。除羊草群落外，0~10 cm 地下生物量随放牧强度的变化不显著;除大针茅群落外，放牧显著降低0~30 cm 地下生物量。 放牧影响下内蒙古草原植物群落生物量随水分生态类型多样性的升高而升高，其回归方程为：Y = 809 + 774x （R2=0.84, P<0.001），其中Y代表群落地上现存量和地下生物量之和，x代表群落水分生态类型多样性。 2 放牧对土壤种子库的影响 小针茅群落、大针茅群落、羊草群落和羊草杂类草群落土壤种子库组成中均以多年生杂类草为主，分别占各自群落种子库总物种数的40%、52%、54%和67%。 生活型功能群种子库密度除羊草杂类草群落外，均以一二年生草本占优势。中度放牧升高了除小针茅群落外多年生禾草种子库密度;放牧增大了小针茅群落和羊草杂类草群落一二年生草本种子库密度;除羊草杂类草群落外，放牧对多年生杂类草种子库密度影响不大;总种子库组成中，灌木半灌木和小半灌木种子库密度不大，不随取样时间和牧压而变化。 中度放牧种子库总密度最大，小针茅群落在重度放牧最大，主要是由于猪毛菜种子库密度在重度放牧突增所致。总体上，内蒙古草原4种群落在不同取样时间不同牧压下种子库总密度波动在20.8~3819.2粒/m2。 土壤种子库物种丰富度最大值一般出现在10月份，除羊草杂类草群落外，不放牧群落较放牧群落为高，中度放牧使羊草杂类草群落土壤种子库物种丰富度增加。中度放牧增加了小针茅群落、大针茅群落7月份和羊草杂类草群落各取样时间土壤种子库物种多样性。 3 地上植被与土壤种子库的关系 土壤种子库的优势种在特定时间特定放牧强度下与地上现有植被优势种一致，但一致率仅为三次取样时间不同放牧强度下总体的23.3%。 地上植被与土壤种子库物种组成相似性指数受不同取样时间的影响，一般的10月取样最大。不同放牧强度对二者间的相似性亦有影响，中度放牧提高了小针茅群落、羊草杂类草群落各取样时间和大针茅群落、羊草群落4月份的相似性指数。隔年二次萌发法提高了二者间的相似性水平。总体上相似性指数变动在0.1~0.75之间。 地上植被现存量、总密度与各取样时间土壤种子库总密度之间不存在显著的相关性。 4 对于估计土壤种子库密度、物种组成和确定种子库与地上植被间的关系，隔年二次萌发法对于弥补直接萌发法本身所具有的不足不失为一种有益的尝试。

沿水分梯度草原群落NPP动态及对气候变化响应的模拟分析

水分条件不仅影响半干旱区群落的组成，而且在一定程度上决定了群落的功能。处于不同水分条件生境下群落的优势物种在水分利用和同化物利用效率方面的功能特征会存在差异，这些差异将导致群落对于气候变化产生不同的响应，进而影响到景观和区域尺度上对于全球变化下碳动态和格局的分析。本研究选取了锡林河流域典型草原区沿水分梯度的四个代表群落，在野外实验测定并结合长期定位研究成果基础上，利用BIOME-BGC模型对代表群落的长期净初级生产力(NPP)动态进行了模拟和模型验证。通过分析该地区1953~2005年气候变化趋势，推测了未来可能的气候变化情景，进而模拟了气候变化下四个群落长期NPP动态的响应。 野外实验分析表明，在四个群落中，净光合速率与光合有效辐射呈单峰曲线关系，与温度和蒸气压亏损(VPD)成反比，叶片氮含量和比叶面积也会影响到光合能力。四个群落由于水分与土壤条件的差别，净光合速率随VPD与温度的变化表现出不同的增减幅度。将日变化分为四个阶段，分别为大致在6:00~8:00左右的低温高湿阶段，10:00~16:00的高温低湿阶段，16:00以后的低温低湿阶段和低温高湿阶段变为高温低湿阶段过程中的适温适湿阶段。在每个阶段中，影响羊草光合速率的主导因子是不同的。在不同的水分与土壤状况下，羊草的光合特性表现出明显差异，但总体说来水分仍是光合作用的主导因子。 模型模拟结果表明，当前气候条件下，羊草群落NPP平均值为197.76 gC m-2 (SE=7.11)，大针茅群落NPP平均值为198.95 gC m-2 (SE=6.41)，贝加尔针茅群落NPP平均值为210.41 gC m-2 (SE=7.87)，克氏针茅群落NPP平均值为144.92 gC m-2 (SE=4.64)，四个群落NPP平均值为188.01 gC m-2 (SE=3.72)。 日最高温度与最低温度在1953~2005年间都明显增加，而降水变化很大。温度增加下(P0T1)NPP平均下降14.2%，降水增加下(P1T0)NPP平均增加13.2%，温度与降水都增加情景下(P1T1)NPP平均下降2.7%。在半干旱区，降水是NPP变化的主要限制因子，而温度通过影响了植物的呼吸与蒸散作用对NPP产生影响。 由于生境水分条件差别和优势物种功能特征差异，四个群落在气候变化中表现出对温度与降水不同的敏感程度，这与水分胁迫系数WSI、碳胁迫系数CSI变化密切相关。克氏针茅群落由于所处生境水分条件差，水分胁迫系数高，对降水的依赖程度最大;贝加尔针茅群落一方面处于较好的水分生境，具有相对较小的水分胁迫系数，另一方面，由于具有高碳氮比，维持呼吸消耗的光合产物比例低，碳胁迫系数远低于其它三个群落，未来气候变化下NPP较其它三个群落仍较高。