内蒙古羊草草原碳通量观测及其驱动机制分析

植被与大气间CO2通量的长期观测能够使人们加深对陆地生态系统在全球碳循环中科学地位的理解。在生态系统水平上，涡度相关技术是评价植被/大气间净生态系统CO2交换量的主要手段。本研究以内蒙古羊草草原通量站为试验平台，以涡度相关技术为主要技术手段，以内蒙古草原生态系统定位研究站羊草草原围封样地2003～2005年开路涡度相关系统观测的CO2通量数据为基础，深入探讨了内蒙古羊草草原生态系统CO2通量不同时间尺度上的变化特征及其驱动机制。 在建立生态系统尺度CO2通量观测基本方法论的前提下，集中探讨了不同时间尺度内蒙古羊草草原生态系统净生态系统碳交换、呼吸作用以及碳吸收的季节变异特征及其控制机制，初步建立了内蒙古羊草草原净生态系统CO2交换量估算的基本方法，可为生态系统过程模拟与模型预测提供科学依据和技术支撑。主要结果包括以下几个方面： 1. 功率谱和协谱分析表明，开路涡度相关系统对高频湍流信号的响应能力可以满足内蒙古草原生态系统实际观测要求。与闭路涡度相关系统和常规气象系统对比分析表明，开路涡度相关系统在CO2通量长期观测中仪器性能稳定，可以满足CO2通量长期观测的客观需要。坐标旋转校正是复杂地形条件下CO2通量测定理想的倾斜校正途径。能量平衡闭合的测试仅可以作为数据质量评价的参考标准之一，而不能作为CO2通量数据质量评价的绝对标准并用于数据校正。 2. 按照CO2通量吸收的高峰特征划分，正常降水年，内蒙古羊草草原CO2通量同时具有一个吸收高峰和两个吸收高峰的特征。而极端干旱年蒙古羊草草原的CO2通量具有两个吸收高峰的特征。在严重干旱胁迫条件下，2005年内蒙古羊草草原生态系统净生态系统交换出现显著下降的趋势。净生态系统交换下降主要是降雨量减少的影响。 3. 通过分析不同时间尺度上CO2通量和环境因子的关系，发现小时尺度上，内蒙古羊草草原生态系统的净生态系统交换主要由光合有效辐射控制，而饱和水汽压差和土壤含水量是影响生态系统光合作用的另外两个关键因素。在更大的时间尺度上降雨量和物候相的变化是调节生态系统碳通量大小的主要因素。最大的生物量和LAI出现的时间和最大的NEE出现的时间相吻合，但是降雨量的变化可以改变这种关系。 4. 在内蒙古羊草草原区>3mm的降雨被认为是对生态系统有效的。土壤含水量(0~20cm)在一次有效降雨事件发生后，约1~2天后才会发生响应， 2003年和2004年，NEE在 >3mm的降雨事件发生后，NEE开始增加，4~6天后达到高峰。随着降雨的结束，NEE在达到高峰后开始降低，10天后达到初始值的60~70%。 5. 在生态系统水平上，温度和土壤水分条件的季节动态是控制生态系统呼吸季节变化模式的重要环境要素，在干旱胁迫的条件下，水分条件也可能成为生态系统呼吸的主导因素，生态系统呼吸在干旱条件降低。

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。

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。

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。

基于生态系统服务理论的草地可持续利用评价

草地退化不仅仅是今天中国才发生的事情。历史上曾经发生“黑尘暴”的美国North Dakota州，现在仍然有62.7％土地被用作耕作，林地所占面积仅仅占1％。私有制和种植业较畜牧业的高的利润率，是该州种植业比重高于畜牧业的重要原因。草原保护项目（CRP）得到了美国政府财政的大力支持， 在North Dakota州采用了以草地恢复为主的措施。美国发达的教育体系带来的高流动率，使得North Dakota州自30年代后居住人口稳定在60－70万成为可能，从而避免了我国出现的草原地区不断增加的人口压力。由此可见：草地作为重要的自然资源，不可能完全保护起来;没有其他配套措施，私有制可能会带来新一轮垦殖;草地畜牧业仍然是畜牧业的重要组成部分，畜牧业发展需要结合种植业尤其需要与饲料生产相结合。 依据生态系统服务的理念，首次发展了生态系统服务指数（ESI），试图通过对生态系统服务功能的综合考虑，提出科学的适宜放牧率的评价方法。本文利用美国北达科他州立大学中部草原研究站17年长期放牧试验数据，选取植物多样性Shannon-Wiener指数、地上净初级生产力、土壤表层含水量和单位面积家畜增重等四个指标，通过对不同指标分别赋予不同的权重，计算不同管理目标下ESI及其稳定性，并对单目标管理与多目标管理进行了比较研究。结果表明，对于北美混合普列里(Prairie)草地，围封不利用或建立自然保护区，虽然生态系统比较稳定，但既不能有效的提高植物多样性、初级生产力和土壤水分含量等生态功能，又没有畜产品产出;而在重牧或极重牧处理下虽然获得了较大的畜产品生产，但导致了草地生态系统的退化和较大的系统不稳定性。因此，这两种管理方式在实践中都是不可取的。应用生态系统服务指数综合考虑，认为应该权衡各项生态功能和生产功能，此时轻牧或中牧是最适宜的。因此，ESI的建立避免了单项指标的评价偏差，使得适宜放牧率的确定更加合理。 利用前面构建的多目标权重评价体系，结合内蒙古草原生态系统定位站放牧试验样地的数据，探讨了锡林郭勒盟定位站附近的适宜放牧率为2.67羊/ha，低于单目标条件下的每公顷绵羊4羊/ha。同时在经济学和生态系统系统服务理论的基础上，依据谢高地等人（2001年）的研究，并提出了环境税和生态补偿的标准，分别是每公顷15元和90元。

内蒙古典型温带草原植物功能群去除对土壤氮矿化的影响

由于人为因素导致的全球范围内的第六次物种大灭绝已经成为不争的事实，但人类还不清楚这种现象对生态系统功能的影响。在回答生物多样性与生态系统功能关系的问题上，补偿作用是一个争论的热点。为了阐明生物多样性对生态系统功能的影响，于2005年夏开始，在内蒙古温带典型草原开展了一个研究生物多样性与生态系统功能的物种去除试验。本研究是该项目的一部分。 元素循环是生态系统的重要功能之一，而氮素是限制草地生态系统生产力的主要因素，氮矿化是氮循环的关键步骤，因此，本研究重点讨论植物功能群对土壤氮矿化作用的影响，提出3点假设：1. 不同植物功能群对土壤氮矿化速率影响不同；2. 植物功能群去除前后氮矿化速率不同；3.植物功能群之间存在补偿效应。为了证明这些假设，于2006年9月、2007年6月和2007年8月份分别进行了室内培养（温度25℃，湿度60％田间最大持水量）用于测量氮矿化速率，同时于2007年6月和2007年8月份进行野外培养用于测量野外条件下的氮矿化速率，并在去除处理2年后得到以下主要结果： 1.　植物功能群去除数与土壤氮矿化速率呈单峰曲线关系（P<0.05），去除少量植物功能群氮矿化速率上升，去除更多的植物功能群后氮矿化速率下降； 2.　植物功能群去除数与土壤硝态氮含量呈线性正相关关系（P<0.0001），植物功能群的丧失加剧了土壤NO3--N的流失； 3.　多年生非禾草（PF）比其他植物功能群显著降低了氮矿化速率（P<0.05）； 4.　短期内（去除处理1年内）在凋落物回填的情况下，去除0个植物功能群与去除全部植物功能群的氮矿化速率无显著差异（P>0.05）； 5.　内蒙古温带典型草原在近3年内（2005、2006、2007）土壤碳库、氮库变化较小。