羊草群落生产力动态及其对全球变化的反应

以中国东北森林 - 草原样带(NECT)上的松嫩平原羊草草甸草原为研究对象，从影响羊草叶片光合作用的机理出发，基于羊草片光合生理生态特性、羊草群落小气候梯度以及羊草群落生物量等的野外动态观测，分析了羊草叶片的光合生理特性动态特征，建立了羊草叶片的光合作用机理模型，通过尺度化，发展了基于叶片生理特性的羊草群落生产力动态模型;并结合著名的草地生态系统模型—CENTURY模型探讨了人类活动和气候变化对羊草草地的影响。主要结果如下： (1) 晴朗天气下羊草叶片气孔导度和净光合速率日变化均呈双峰型曲线。 (2) 影响羊草叶片气孔导度的主要环境因子是光合有效辐射、叶片与空气间的水汽压亏损以及空气温度。 (3) 影响羊草叶片净光合速率的主要因子是胞间CO2浓度、气孔导度、空气CO2浓度及蒸腾速率。 (4) 对当前2类代表性气孔导度模型的验证表明，基于Jarvis模型所改建的气孔导度模型比依据Leuning改进的Ball模型所建立的气孔导度模型具有更好的模拟效果，并据此建立了适于羊草叶片的气孔导度模型： gs = PAR (-2.01Ta2 + 147.74Ta - 2321.11)/((444.62 + PAR) (-538.042 + VPD)) (5) 结合能量平衡方程和光合作用生化模型，建立了能够模拟羊草叶片CO2、水汽和热量交换的羊草叶片光合作用耦合模型。该模型有能力预测复杂的环境变化对羊草叶片净光合作用和气孔导度的影响。 (6) 通过尺度化(采用多层模式模拟冠层导度，大叶模式模拟光合作用)，建立了羊草群落光合作用模型，结合植物群落的呼吸模型，估算了羊草群落的净第一性生产力，并与实测值及CENTURY模型模拟值进行了比较，结果表明，基于叶片光合机理的群落生产力模型较CENTURY模型能更好地反映羊草群落的生产力动态。 (7) 基于CENTURY模型对人类活动、气候变化对羊草草原可能影响的模拟表明，人类活动(割草和放牧)和气候变化都会明显影响羊草草原，但人类活动产生的影响更为显著，尤其是重牧将造成羊草草原土壤有机碳和群落生物量显著降低。因此，制定合理的放牧和割草措施对于维持草场的可持续发展具有重要意义。

毛乌素沙地土地利用/土地覆被变化研究

毛乌素沙地是我国十二大沙漠之一，地处北方干旱半干旱区向亚湿润区过渡地带，长期以来，不合理的人类土地利用，结合当地脆弱的环境生态特征，引起了严重的现代荒漠化过程，是我国北方荒漠化研究的重点地区。本文着重从自然和人文学科密切合作的角度，对毛乌素沙地土地利用／土地覆被变化的内在作用机制进行了研究，得到以下主要结论： 1. 利用多年实地观测数据资料，考察了毛乌素沙地四种主要草地类型代表性植物群落地上生物量响应气候因子波动的变化规律，建立了植物地上生物量对气候因子的逐月回归模型，揭示出如下规律：①各种气候因子对不同类型草地以及同一类型不同生长阶段草地都产生不同的影响作用;②同一气候因子在植物不同生长阶段上，对生物量形成的重要性程度存在差异：③在植物生长期内，每个生长阶段的生物量都对后一时期的生物量产生显著影响，说明植物生长的连续性对于生物量的形成和积累是重要的;④在植物的凋枯期，各种气候因子基本上都不对生物量产生显著影响;⑤水分因子对毛乌素沙地几乎各种类型草地的生物量，都是重要的影响因子，毛乌素沙地降水状况在不同年份的显著波动对草地植物地上生物量的影响，不仅直接构成了土地覆被变化的重要组成部分，而且还影响到土地利用的方式、方法和后果。 2. 在考察毛乌素沙地草地地上生物量对气候因子变化的响应规律中，利用逐月动态回归建模方法改进了传统的累积气候因子回归建模方法。逐月回归模型与累积回归模型的比较显示，逐月动态回归模型的优势表现在三个方面：①可以提供累积回归模型无法揭示的作用规律;②模拟更加精确;③可以预测不同气候条件下群落地上生物量的变化范围。 3. 利用风速、降水和潜在蒸发等气象记录资料，建立了毛乌素沙地气候因子影响沙尘暴频率的作用模型，定量地考察了沙地各处气候因子对沙尘暴频率的影响作用。研究表明，气候因素是导致毛乌素沙地沙尘暴发生的主导原因，在沙地各处，气候因子可以解释沙尘暴频率分布格局总信息的比率分别为：乌审召83.6%，乌审旗77.5%，河南82.4%，鄂托克旗79.8%，新街73.1%，伊金霍洛旗82%。 4. 在定量考察气候因素对沙尘暴频率影响作用的基础上，对影响沙尘暴频率格局的自然和人为因素进行了定量分离，研究表明：人为影响因素对对沙尘暴发生起次要作用，解释沙尘暴频率分布格局信息的比率分别为：乌审召16.4%，乌审旗22.5%，河南17.6%，鄂托克旗20.2%，新街26.9%，伊金霍洛旗18%。 自然和人为因素影响作用的定量分离研究表明，毛乌素沙地人为因素的影响作用表现出空间上的差异性：①从方位上说，呈现自东向中、西部递减的梯度：②从地点上说，城镇附近人为影响作用远高于农村地区;③从土地利用方式上说，农垦种植业区域高于畜牧业区域。 5. 在实地观测基础上，建立了裸露沙面和植被覆盖沙面风蚀输沙率模型，定量考察了植被覆盖率与风蚀输沙率之间的关系。研究表明：当植被覆盖率达到60%以上，可以保护地表土壤使风蚀在大多数条件下不致发生;当覆盖率达到40%，可以使风蚀输沙大为减少;而当植被覆盖率低于10%，植被覆盖基本不能对地表土壤起到有效的防护作用。 6. 应用植被覆盖地表风蚀输沙率模型，考察了沙地不同风速条件下植被有效覆盖率。根据当地气象台站的多年气象记录，沙地最大风速在20m/s左右，这样的风速条件下，保证风蚀不致发生的植被有效覆盖率为65%左右;在沙地常见的大风风速14-16m/s下，植被有效覆盖率大致为50-55%;对于沙地一般的中等风速l0-12m/s．植被有效覆盖率为40%。植被覆盖对风蚀的影响作用也可以理解为，植被覆盖使沙粒起动风速发生了增大效应，研究表明：与裸露沙面沙粒起动风速4.5m/s对照，70%植被覆盖率使起动风速改变为15.4m/s;60%植被覆盖率使起动风速改变为12.1m/s;40%植被覆盖率使起动风速改变为8.Om/s;而在10%植被覆盖条件下，起动风速为5.Om/s，改变量很小，说明植被覆盖的保护作用极其有限。 7. 基于野外实地观测，比较了沙地五种常见植物种和二种人工防护材料防风效应上的差异。研究表明，防风效应由高到低的次序是，沙蒿>芨芨草>杨柴和牛心朴子>沙障>栅栏>旱柳;就乔、灌、草和人工材料而言，防风效应的次序是，灌木植被>草本植被>人工材料>乔木植被。植物和人工防护材料降低风速的比率与风速呈现二次函数关系，不同植物种或人工材料，降低风速比率都表现出不同的规律，在一般情况下，降低风速效应随着风速的增大而降低。 8. 通过不同植物种防风效应的比较研究，对毛乌素沙地植被生态建设的实践有一定的指导意义。毛乌素沙地的植被建设中对植被类型和植物种类的选择，应该遵循如下原则：①选取防风固沙效应好的植物种类;②应该考虑植物水分供给与需求的平衡状况，实行适地适树;③植物防护效应应该与当地风蚀气候在时间上较好地匹配，在春季等风蚀严重季节，植被覆盖应该具有较好的防风效应。 9. 在现实中，各种影响风蚀的因素是同时发挥作用的。将风蚀影响因素分解为风速、湿润度和植被覆盖率（以及植被类型）三个方面，在此基础上，建立了风蚀影响因素的综合作用的概念模型和沙丘活动性指数定量模型。湿润程度低、风速高、植被覆盖率低的地区，是风蚀最为严重的地区;在湿润程度高、风速低、植被覆盖率高的地区，是风蚀最弱的地区;在其他地区，风蚀状况根据三个方面因素的综合状况来决定。 10. 利用风蚀影响因子综合作用的沙丘活动性指数模型，从空间、时间、植被类型变化角度，考察了毛乌素沙地的风蚀变化状况。得到如下结论：①随着空间变化，风速、降水等气候因素也随之存在差异，导致沙丘活动性指数的变化规律是，西北部鄂托克旗沙丘活动性最高，乌审旗次之，其他几个站差别不太显著，这是由各地降水、气温、沙粒粒径等因素共同决定;②随着时间的变化，气候、植被生长等方面的状况随之发生改变，导致沙丘活动性发生变化，春季最高，冬季次之，夏秋季最低：③随着沙丘植被覆盖类型的变化，沙丘活动性也发生显著变化，在一般情况下，乔木覆盖沙丘活动性>草本植物覆盖沙丘>灌木覆盖沙丘。 11. 在实地调查土地利用现实状况及其社会、经济和政策影响因素的基础上，建立了我国北方干旱半干旱区土地利用决策机制的概念模型，分析了与土地利用密切相关的农牧民一政府一环境科学家这三个社会群体对土地利用的立场和影响作用力上的差异，分析了毛乌素沙地土地利用的现状及其影响因素，探讨了现实中不可持续土地利用行为发生的社会、经济和政策原因。 12. 在实地调查基础上，分别利用产出一费用分析法和过程影响因素分析法，建立了毛乌素沙地土地利用经济收益的定量模型。产出一分析研究表明，无论是农垦种植业，还是草地畜牧业，农牧民从这两种土地利用方式都只能获得较低下的经济收益。造成这种状况的原因，主要在于两个方面：一是低下且不断处于波动之中的农牧业产品物价，二是沉重的农牧业税收。 13. 将影响农牧业产出的因素，划分为四个方面：土地面积（牲畜头数）、环境状况、管理水平和利用强度，在此基础上建立了定量的影响作用模型。研究表明：环境状况指数每增加0.1，农牧业经济收益增加26%;管理水平因子每提高0.1，农牧业经济收益增加12.7%;农牧业经济收益最优的土地利用强度在0.4左右，在此之前，随着利用强度的增加，经济收益随之增大，而在此之后，随着利用强度的增大，经济收益逐渐降低，当土地利用强度达到0.9左右时，呈现负的经济收益。 14. 毛乌素沙地实施土地资源可持续利用，必须从技术的革新和社会经济政策等因素的调整两条途径同时入手，二者缺一不可。通过改进和应用节水灌溉、风能光能利用、生物增产技术，尽可能地提高各种资源的利用效率;通过应用免耕或浅耕技术，尽量减轻土地利用对资源和环境的破坏;通过栽培、速生技术，提高植被建设的成效和速度。而通过税收、物价政策的调整，尽可能地提高农牧民经济收益增长的速度，减轻土地利用压力;通过政府与人民之间对话和合作机制的建立，让广大农牧民参与到土地利用的决策和管理的过程中去;通过土地利用管理政策、措施的调整和完善，调动农牧民保护资源的积极性和自觉性;通过激励机制的建立，引导农牧民土地利用向着可持续的方向发展。 15. 实现毛乌素沙地土地资源可持续利用的有效途径，在于这样几个方面：①建立和完善政府及其管理部门与人民之间有效的对话和合作机制，让广大农牧民参与到土地利用决策和管理的过程中去：②实行产业结构调整，转变片面追求经济增长的做法，制订适应当地自然条件和生态特征的发展模式;③降低农牧业税收、稳定并提高农牧业产品的物价，增加农牧民经济收入，减轻土地利用压力;④进一步改进和完善土地利用管理政策和法规;⑤建立有效激励机制，引导农牧民土地利用向着可持续的方向发展：⑥努力改进节水灌溉技术、生物增产技术，提高土地利用的科技水平：⑦改进环境保护和植被建设决策的科学性，提高植被建设的成效。

人类活动干扰下草原温室气体地-气交换特征及碳平衡研究

放牧和开垦目前是内蒙古草原最主要的两种人类生产活动，采用静态箱一气象色谱法对这两种土地利用方式下草原主要温室气体(CH4、N20和C02)地-气交换通量进行了原位观测，同时结合草原生态系统碳循环特征对放牧生态系统碳素收支状况进行了初步探讨，首次对开垦前后内蒙古草原CH4吸收和NzO排放的季节、昼夜变化特征进行了分析研究，对不同牧压梯度下内蒙古草原碳的损失进行了估算。主要研究结果包括以下4个方面： 1．内蒙古草甸草原开垦是大气CH4的汇，开垦为农田后，土壤．植物系统吸收大气CH4的能力增强。测定期间，农田与邻近的天然草原CH4平均吸收通量为23.38和24.57 ugCm'2h．1;尽管农业活动改变了草原CH4地．气交换通量，但是通量的量级仍是由当地季节性变化的气候条件决定的，其CH4吸收通量具有强烈的季节变化规律，表现为“春秋季高，夏季低”的特点;耕作使得土壤-植物系统CH4吸收通量的季节变化趋于平缓。 2．内蒙古天然草甸草原是大气N20的源。测定期间的平均排放通量为1.922ugNm'2h．1，通量范围为-0.484~7.425 ugNm.2h．1;天然草原N20排放具有明显的昼夜变化规律和季节变化特征，排放通量出现两个高峰期，整个生长季表现为高(5月中旬)一低（5月下旬至7月中下旬）一高（7月下旬至8月中旬）一低（8月下旬至9月）的趋势;农垦增强了土壤．植物系统排放N2O的能力。观测期间平均排放通量为2.914 ugNm'2h-l，比天然草原高52%，排放通量的季节规律性减弱，整个生长季呈现波动性变化，通量变化与天然草原相比趋于平缓。 3．内蒙古冷蒿小禾草草原与天然草甸草原一样，起着CH4汇、NzO源的功 能。主要温室气体CH4、N2O和C02的地．气交换通量受水热因子控制，与温度之间存在显著相关关系，具有季节变化特征：时间尺度对于讨论不同放牧压力下甲烷通量具有重要意义，不同放牧率处理9年后，土壤吸收甲烷的能力在当地自然气候条件下没有显著变化;放牧对草原N20排放通量影响显著，依次是轻度放牧<围栏封育<中度放牧<重度放牧;放牧增大了C02排放通量，观测期间四种处理间C02通量差异显著，C02排放通量四种处理依次为：围栏封育<轻牧<重牧<中牧。 4．对内蒙古草原放牧条件下碳收支状况的研究表明，冷蒿-小禾草草原受自然条件和人为因素双重作用存在由碳库（积累碳）向碳源（释放碳）转化的可能性。

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。

植物对光环境的适应性研究—富贵草对模拟光斑的光合响应——银衫对不同光环境的适应性——大叶黄杨叶片内部光能利用梯度

本文研究了富贵草对模拟光斑的光合响应、银杉对光的适应性以及大叶黄杨叶片内部光能利用梯度三个方面的问题。 1)研制了用于林内光环境调查和研究的光量子计组件。 关键词：光量子计，A/D板 2)以亚热带常绿阔叶林下一种常见的灌木富贵草为研究对象，利用气体交换和叶绿素荧光技术研究了其对模拟光斑的光合响应。在同样辐射通量（非光抑制）的情况下，光合诱导过程中光斑可以提高富贵草对光斑的利用能力（光斑诱导的碳同化量可高出对照48%）。叶绿素荧光测量结果表明：1）光斑与光斑之间的暗期发生了qN弛豫过程;2）暗期之后的光期光化学能量转换效率提高。强光光斑簇可以诱导富贵草光抑制的产生，但程度较连续光低。 关键词：模拟光斑， 叶绿素荧光， 光诱导过程 3)用高效液相色谱(HPLC)和77K低温荧光发射光谱技术来研究快速诱导组分发生的时间内光斑所导致NPQ (qN)降低的生理原因。在非光抑制条件下，光斑造成的NPQ (qN)降低的生理原因包括叶黄素循环的变化及LHCIIs聚集态的变化;此外低温荧光数据还显示光斑导致的PSII/PSI荧光产量比率要高于连续光，说明光斑导致植物对于光的利用增加。以上结果说明模拟光斑诱导了富贵草内囊体膜较低水平的能态。 关键词：模拟光斑，叶黄素，聚集态 4)用气体交换等技术测定了部分银杉幼树的生理生态指标，用鱼眼镜头测定了所测叶片的林冠开度(OP)。研究了沿林冠开度梯度的银杉幼树对光的适应性。银杉幼树在林窗边缘表现出较好的适应性，包括高的ISG（综合地上部分茎生长），高的HG（当年生树高生长速率），较高的LMA（单位叶片面积干物质重），较高的Pns（单位叶片干物质水平的净光合速率），高的单位叶片的碳同化速率，较高的截获光的单位叶片的叶面积等等，可以初步确定银杉属于Gap树种：在所测定的范围内（0. 00139%-0. 0109%）TN（土壤总氮量）明显不如OP对银杉幼树生长的影响大;综合的生态可塑性指标必须考虑具体的实验地情况、选取合适的形态学和生理学的因子、并结合多个相似生长环境下的树种来进行考虑。 关键词：林冠开度，生理生态指标，生态可塑性 5)分析了湖南八面山的银杉的某些光合特性，并比较了极郁闭（ OP<4%）情况下银杉当年生叶片与大树顶端枝条(OP>30%)当年生叶片之间光合特性上的差异。极郁闭情况下银杉叶片生长出现黄化现象，但银杉幼苗又不耐强光。银杉幼苗一天的光合动态变化表明，银杉最大光合速率在早晨8:00左右，当光照超过光饱和点时，净光合速率迅速下降，其后略有回升，呈不太典型的双峰模式。气孔关闭与净光合速率的下降有密切的关系。早晨8:00到11:00间叶黄素循环运转，对光合系统起到一定保护作用。 关键词： 银杉，色素分析，光合作用 6)采用一种新方法来测量大叶黄杨叶片内部的绝对光能利用效率梯度的曲线。该方法基于光声光谱的深度分析(Depth-Analysis)理论，并结合了光纤微探测器的叶片光梯度测量结果。日本小檗(Berberis thunbergii DC.)叶片的光声光谱扫描显示了深度分析的精确性。实验结果表明：叶片内部利用光能效率最低处在栅栏组织和海棉组织之间（入射光能的0.026%-660nm红光）;越靠近叶片的上表皮和下表皮，趋势显示叶片组织利用光能效率有上升的趋势(分别为0.092%，0.036%)。因此，不同叶肉组织绝对光能利用效率是不同的，该实验结果直接证实了Han &Vogelmann 1999b所提出的假设。 关键词： PA深度分析 叶片内部的光梯度 光化学损失 光吸收梯度

神农架植被及其生物多样性与垂直分布格局-兼论中国中、北亚热带植被带的划分

本文主要通过样线法和样方法相结合，进行了大量的群落学调查和分析，分别从植物区系、物种多样性的垂直分布格局和森林群落类型三个方面分析了神农架植被的基本特征及其物种多样性，结果表明： 1．神农架地区具有很高的物种丰富度，有高等植物3，479种，隶属于1，010属，202科。 其中，蕨类植物305种，80属，32科;种子植物3，174种，930属，170科，其中裸子植物32种，19属，6科，被子植物3，142种，911属，164科;单子叶植物501种，175属，21科，双子叶植物2，641种，736属，143科。植物区系属的分布区类型中北温带分布型最多，其次为东亚分布、泛热带分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布。中国特有成分占5.65%，较全国的8.12%低。温热比(温带分布型(8-11)属数与热带分布型(2-7)属数的比值）为1.200，比全国(0.385)高。 调查样方中共出现高等植物784种，隶属于454属，144科，其中蕨类植物41种，32属，16科;种子植物743种，422属，128科，其中裸子植物20种，14属，5科，被子植物723种，408属，123科;单子叶植物86种，58属，11科，双子叶植物637种，350属，112科。属的分布区类型中北温带分布型最多，其次为东亚分布、泛热带分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布。温热比为1.52，草本层>乔木层>灌木层分别为2.18、1.76和1.14。 2．神农架植被类型多样，具有常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、亚高山针叶林、硬叶常绿阔叶林和亚高山灌丛草甸等自然植被类型。本文，依据乔木物种的重要值将神农架地区的森林植被划分出了69个类型。用Twinspan将调查的森林群落划分为32组，能基本上反映群落间相似的关系。 3．神农架地区具有完整的植被垂直带谱：海拔900 (1300) m以下为常绿阔叶林带;海拔900 (1300) m～1500 (1800)ⅡI为常绿落叶阔叶混交林带;海拔1500 (1800) m-2000 (2200)m为落叶阔叶林带;海拔2000 (2200) m～2400 (2600)m为针阔混交林带：海拔2400 (2600)m以上为亚高山针叶林带。神农架地区植被的垂直带的分化从总体上比较显著，但由于小生境的异质性和人为干扰，垂直带谱又具有一定的模糊性和次生性。南北坡具有一定的差异，但不十分明显，也说明神农架植被的过渡性。 4．神农架物种多样性的垂直分布格局。神农架的物种多样性与海拔的关系，类似于“中间膨胀”规律(mid-altitude bulge)，在中低海拔处生物多样性最高。通过二次多项式回归拟合，得到如下拟合曲线： 1)海拔与总体物种数：y= _14.445x2+ 34.74lx+42.07，Xd=1.203km; 2)海拔与乔木层物种数：y=-6.9707x2+ 21.334x+0.2004，Xdrl.530km; 3)海拔与灌木层物种数：y=-6.1599x2+ 9.9747x+30.991，Xd=0.8 lOkm: 4)海拔与草本层物种数：y= _3.9907x2+ 10.455x+15.35，Xd-1.308km; 5）海拔与乔木层Shannon-Wiener指数：y=_0.3337x2+ 0.9877x+0.2537，Xd' 1.480km; 6)海拔与灌木层Shannon-Wiener指数：y=-0.1938xz+ 0.422lx+1.2103，Xd=1.089km： 7)海拔与草本层Shannon-Wiener指数：y=_0.1072x2+ 0.294lx+0.9954，Xd=1.372km; x为海拔( km)，y为各物种多样性指标，Xd为物种多样性的最大时的海拔。 从这些拟合曲线中可以看出：总体物种多样性在海拔1200m左右的常绿落叶阔叶混交林带最高：乔木层物种多样性在海拔1500m左右的常绿落叶阔叶混交林带与落叶阔叶林的过渡带最高;灌木层物种多样性在海拔800-llOOm左右的常绿阔叶林与常绿落叶阔叶混交林带的过渡带最高;草本层物种多样性在海拔1300-1400m左右的常绿落叶阔叶混交林带最高。 但物种多样性随海拔变化有许多的起伏和波动。这些波动有些反映了群落的垂直带谱随海拔梯度变化的特点，在垂直带谱的过渡区物种多样性往往较高;有些波动反映了一些特殊的生境，有些反映了人为活动的影响，造成了神农架植被的次生性。因此，影响神农架物种多样性垂直分布的因素有：植被本身的性质和特点、过渡带的特点、生境的异质性和人为活动。 5．神农架植被水平地带性的过渡性。海拔1300m以下的植物属的分布区类型的温热比南坡总是比北坡小，而且相差十分显著，反映了神农架作为植被分界线的价值。神农架南坡的基带植被是常绿阔叶林，因此南坡属于中亚热带。北坡的基带植被，虽然也有常绿树种的零星分布，甚至有小块的常绿阔叶林，完全由于小生境所至，分布的主要类型是常绿落叶阔叶混交林，应属于北亚热带。因此，神农架是中、北亚热带重要的过渡地带。神农架地区中北亚热带的具体分界线宜按照分长江干流和汉水的水岭来划界，即猴子石、大窝坑、神农架、神农顶、老君山一线，南坡属于中亚热带，北坡属于北亚热带。 总之，神农架处于我国中、北亚热带的过渡带，具有过渡带的性质，具有很高的物种多样性，拥有完整的植被垂直带谱，具有多种多样的植物群落及其组成的生态系统。而且，具有我国许多特有植物和珍稀濒危保护植物和许多资源植物。因此，神农架植被在我国植被体系中具有重要的地位，是我国生物多样性最丰富的地区之一，是生物多样性保护的关键地区，也应是生物多样性研究的热点地区。 另外，调查分析了黄山和万朝山植被及其物种多样性与垂直分布格局，结果表明： 6．黄山样方中共出现高等植物259种，隶属于263属，110科，其中蕨类植物14种，II属，8科，种子植物345种，152属，105科，其中裸子植物9种，8属，6科，被子植物336种，144属，99科，其中单子叶植物37种，27属，6科，双子叶植物299种，117属，90科。属的分布区类型中北温带分布最多，其次为东亚分布和泛热带分布，再次为东亚北美间断分布、热带亚洲分布以及旧世界温带分布，与神农架和万朝山也较相似，但热带分布的属更多一些。温热比为1.1875，灌木层>草本层>乔木层，分别为1.3818、1.2609和1.2143。 黄山的森林植被类型有针叶林、常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林、落叶阔叶林和竹林。Twinspan将调查的森林群落划分为22组，反映群落间相似的关系，比较清楚和适用。依据乔木物种的重要值将森林植被划分出了34个类型。黄山物种多样性的与海拔的关系不十分明显。黄山植被的垂直带谱不是十分明显，将其垂直带谱划分为：海拔1300m(1500m)以下为常绿阔叶林带;海拔1300m(1500m)-1500m(1600m)常绿落叶阔叶混交林 带;1500m(1600m)以上为落叶阔叶林、黄山松林、山地灌木草丛带。垂直带谱在不同坡向上有差别，东、南、西坡的相似性较大，而北坡与其差别较大。 7．万朝山样方中共出现高等植物490种，隶属于339属，124科，其中蕨类植物21种，18属，11科，种子植物469种，321属，113科，其中裸子植物9种，7属，4科，被子植物460种，314属，109科，其中单子叶植物47种，37属，11科，双子叶植物413种，277属，98科。植物属的分布区类型中，北温带分布所占最多，其次为泛热带分布、东亚分布、东亚北美间断分布、旧世界温带分布以及热带亚洲分布，。温热比为1.3366，草本层>乔木层>灌木层，分别为1.5429、1.4063和1.0645。 万朝山的植被类型包括针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林和常绿落时阔叶混交林，但没有典型的常绿阔叶林。依据乔木物种的重要值将森林植被划分出了20个类型。万朝山物种多样性与海拔的关系则不十分明显。万朝山的人为干扰比较强，植被的次生性很大，南、北坡物种多样性随海拔升高的起伏较大。

农牧交错区不同植物群落的根冠比特征及土壤呼吸日动态的观测研究

本论文对草地群落地上/地下生物量构成、根冠比特征及其影响因子以及土壤呼吸测定方法比较等的国内外研究进展和主要成果进行了综述，在此基础之上对地处我国北方农牧交错带中段的内蒙古多伦县境内的18种草地群落（包括天然草地和人工草地群落）进行了相关内容的研究工作。 在2002年生长季期间，对这18个植物群落中选取的16个进行了群落学调查，测定了其地上、地下生物量，同时测定了土壤含水量、土壤容重、土壤全氮含量和土壤有机质含量。分别分析了地上、地下生物量以及根冠比（root to shoot ratio）与这些立地因子间的相关关系。同期，从18个群落中选定10个代表性群落测定其土壤呼吸速率，测定方法选用了动态红外气体分析法 (Infra red gas analysis， abbreviated as IRGA)和碱液吸收法（Alkali absorption, abbreviated as AA）。对这两种方法的测定结果进行了比较分析，同时分析了不同群落间土壤呼吸变化与土壤水分和养分状况等的相关关系。主要结论如下： ①16种植物群落的地上和地下生物量差异明显，地上生物量变化范围在80~500 g•m-2之间;相比之下，地下生物量的变化范围要大得多，16个群落中地下生物量最小的为猪毛菜群落，最大的为拂子茅群落，分别为533 g•m-2和2590 g•m-2。群落的根冠比在1.5～11.21之间，平均根冠比为 5.69。 ②土壤含水量对地上和地下生物量有着重要的影响，土壤含水量高的样地（羊草样地）较含水量低（小米蒿样地）的样地地上生物量高，反之亦然。但含水量与地下生物量之间的这种关系却不明显，即土壤含水量高的样地其地下生物量并不一定比含水量低的样地地下生物量高;根冠比与土壤含水量之间基本上呈负相关。土壤全氮含量和有机质含量与地上、地下生物量也存在着一定的正相关关系，而土壤容重却与生物量存有负相关关系;根冠比与土壤全氮、有机质和容重的关系正好与此相反，即根冠比与全氮和有机质含量呈负相关，与容重为正相关。 ③10种植物群落土壤呼吸的昼夜变化比较明显，均为单峰型曲线，主要受土壤温度的驱动，但同时也受到当日降水情况和云量、风速等气象因子的较大影响。因此，影响到这些群落土壤呼吸日动态的一致性，使得规律性并不明显。 ④用碱液吸收法和动态密闭气室法测定的10个群落的土壤呼吸速率变化范围分别为394~894mg C•m-2•d-1和313~2043 mg C•m-2•d-1，其中碱液吸收法测定结果平均为动态气室法的67.5%，明显低于动态密闭气室法。 ⑤两种测定方法具有很好的相关性，R2为0.8739。本研究中发现，在土壤呼吸速率低的情况下，两种方法的测定结果十分接近，甚至碱液吸收法的测定结果稍大于动态密闭气室法;而在土壤呼吸速率较高的情况下，动态密闭气室法测定结果则显著高于碱液吸收法。上述结果与国内外同类研究的结果高度一致，从而为校正我们以往采用碱液吸收法在该区域的测定结果提供了可靠依据。 ⑥各个群落间的土壤呼吸变化与立地土壤水分和土壤养分之间存有一定的相关关系，但并不显著，可能与这些群落土壤呼吸测定不是在同一天进行有关。

西北干旱区多种植物地理分布与气候的相关性及其可能潜在分布预测

　　作为西部大开发的关键地区，西北干旱区由于地理位置和环境条件的独特性、生态系统的脆弱性以及人类活动的长期干扰，对其周边乃至全国的生态环境有较大的影响，在这一地区研究植物种分布与气候的关系，并模拟预测其可能的潜在分布范围，具有理论上和实践上的重要意义。 　　通过广泛收集了西北干旱区优势种和常见种的地理分布资料，共选择128个植物种，利用Holdridge的生命地带分类系统，计算各植物种的生物温度(BT)、可能蒸散(PE)、降水量(P)及可能蒸散率(PER)，分析植物种与气候的相互关系，并将所有植物种进行经验归纳分类。随后，对这砦植物种及其气候信息进行TWINSPAN定量分类，并与经验分类结果相比较，得出西北干旱区128种植物的生态气候分类，分属于以下几大类型：高寒草甸、森林一草原过渡带、草原（典型草原、荒漠草原）、荒漠（草原化荒漠、荒漠、高寒荒漠）。具体来说，包括以下17个生态气候类型： 1)高寒草甸：异针茅。 2)森林一草原过渡带：牛尾蒿、鬼箭锦鸡儿、沙棘。 3)草原a：沙蒿。 4)草原b：长芒草、百里香（变种）、多叶隐子草、贝加尔针茅、大针茅。 5)草原c：羊茅、小叶锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、线叶菊、华北岩黄芪、廿青针茅、碱蒿、内蒙古沙蒿、裂叶蒿、狭叶锦鸡儿、山竹岩黄芪、女蒿、小蓬、两伯利亚杏、沙地柏、角果碱篷、霸王、糙隐子草。 6)草原d：紫狐茅、紫花针茅。 7)草原一荒漠草原a：包括沙竹、琵琶柴、吉尔吉斯针茅。 8)草原一荒漠草原b：华北米蒿、差巴嘎蒿、星星草、长芒针茅、铁竿蒿、柠条锦鸡儿。 9)荒漠草原：沙生冰草、蒙古冰草、羊草、冷蒿、中亚紫菀木、刺旋花、老瓜头、木贼麻黄、西伯利亚白刺、唐古特白刺、戈壁针茅、石生针茅、盐地碱蓬、冰草、蓍状亚菊、油蒿、木蓼、刺针枝蓼、长枝木蓼、中间锦鸡儿、尖叶盐爪爪、黄花琵琶柴、松叶猪毛菜、珍珠猪毛菜、东方针茅、囊果碱蓬、四合木、白滨藜、短脚锦鸡儿。 10)草原化荒漠，荒漠a：川青锦鸡儿、优若藜、苦艾蒿、无芒隐子草、沙冬青、籽蒿、地白蒿、菭草、齿叶白刺、绵刺、盐角草、多枝柽柳、盐生假木贼。 11)草原化荒漠．荒漠b：蒿叶猪毛菜、短花针茅、芨芨草、灌木亚菊、博乐蒿、小蒿、喀什蒿、南山短花菊、盐爪爪、木本猪毛菜、针茅、细枝盐爪爪。 12)草原化荒漠．荒漠c：白梭梭、白羊草、无叶假木贼。 13）干旱荒漠a：戈壁短花菊、荒漠细柄茅、刺蓬、沙生针茅、多花柽柳、细枝柽柳。 14)干旱荒漠b：梭梭柴、铃铛刺、天山猪毛菜、帕米尔麻黄、座花针茅、旱蒿、克氏狐茅、短叶假木贼、准格尔沙蒿、长穗柽柳、刚毛柽柳。 15)高寒荒漠植被：匍生优若藜。 16)干旱荒漠c：粉花蒿、白杆沙拐枣、膜果麻黄、花花柴、灌木紫菀木、裸果木、合头草、塔里木沙拐枣。 17)超干旱荒漠植被：沙拐枣、胡杨、盐穗木、灰杨、盐节木、圆叶盐爪爪。 　　综合分类结果表明：多数植物种的生态气候类型与实际生境相符，但也有少数植物种有明显偏差，主要原因有三点：首先，某些种的分布范围超出了西北干旱区，在东北、华北、甚至全国范围内分布，所计算的植物种的气候范围本身存在局限性;其次，西北干旱区的研究资料如植物种的分布范围、分布点的气象资料等有许多缺失：最后，由于文献中对某些植物种分布范围的描述比较笼统，无法确定其精确的地理分布界限，使得植物种所对应的分类结果与其真正所属的植 被类型有一些偏差。 　　本文还进一步在这128种植物中选取了10种分布明确、资料齐备的代表性植被类型的优势种，根据它们的降水和生物温度指标，模拟预测了它们的可能潜在分布区，包括其主要中心分布区和最大可能分布区，并与实际分布范围进行比较。结果表明．其潜在分布区的分布范围与实际调查所得资料所处范围基本一致，特别是中心分布区的预测图，而最大可能分布区与实际有一定误差。

半干旱区典型植物对气候变化与C02浓度升高的响应与适应

1.羊草对土壤水分的响应与适应 羊草生物量随着土壤水分含量的降低逐渐降低，后期的降低幅度远远大于前期。干旱促进鞘分配增加，增加了在处理初期的根的分配，但到后期则使之减少，表明羊草在经历较长期的持续干旱后通过增加根部的比重来提高抗旱性的能力逐渐降低。轻度(LD)、中度干旱(MD)对羊草叶片相对含水量(RWC)、气孔密度、光合参数、荧光猝灭参数和群体日交换速率无显著影响，但严重土壤干旱使它们显著降低。 羊草叶片的可溶性蛋白质以中度干旱的最高，严重干旱(SD)特别是极严重干旱(VD)使之显著降低，游离氨基酸含量(FAA)的变化与之相似。随着土壤水分含量的降低硝酸还原酶(NR)活性逐渐下降，而谷氨酰胺酶合成酶(GS)的活性变化则是LD和MD使之分别增加了25.75%和12.22%，SD和VD则分别减少了8.21%和28.72%，说明了NR的活性变化对土壤干旱较敏感，而GS的活性则对适度的干旱有一定程度的适应性。LD处理没有增加天冬酰胺酶(AE)和内肽酶(EP)两种酶的活性，但MD、SD和VD使两种水解酶的活性显著增加，说明轻度土壤干旱对蛋白质和氨基酸的分解作用有稍降低作用，但随着土壤干旱程度的加剧，又极大地促进了这个分解过程。严重和极严重土壤干旱显著降低了叶片的总核酸含量和RNA的含量，暗示严重程度的土壤水分胁追限制了核酸的合成代谢，加强了其分解代谢，严重土壤干旱还显著增加了丙二醛(MDA)的含量，说明提高了羊草叶片叶肉细胞的膜质过氧化水平。 2.羊草对土壤干旱和复水的响应与适应 羊草受到适当的干旱驯化可促进生长，但过长时间的干旱处理，复水后未能补偿损失的生物量和叶面积。羊草叶片的气孔密度以中度干旱持续期(Mtd)处理的最高，其次是短期干旱持续期( Std)，二者分别比没有经过土壤干旱的处理（对照）增加了14.90%和3.61%，但长期干旱持续期(Ltd)却使之减少了27.19%，气孔指数亦有类似的趋势。复水增加羊草叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率，近期复水的激发效应明显大于前期，而对夜晚的呼吸作用影响不显著。水分利用率( WUE)的日变化动态呈“M”字型曲线，以Mtd的WUE值的峰值最大，以三次曲线拟合WUE的24小时日进程最佳。叶绿素荧光动力学的分析结果表明，复水，特别是最近的复水可显著改善羊草叶片的PS II性能，增加叶绿素a，b的含量及其比值，提高碳酸酐酶的活性。 羊草含氮量以叶片的最高(4.40%)，根部的最低(1.99%)，枯叶、茎鞘和根茎的含量差异较小(2.26～4.40%)。所有器官的含氨量对土壤水分处理的响应基本一致，以对照处理的最低，Std的最高。各器官的碳氮比都是以对照的最高，而其它土壤水分处理相差不显著，给于一定时间的土壤干旱处理可使羊草获得较强的氨代谢能力。Std的氮素总拥有量最多，和对照相比，绿叶、枯叶、茎鞘、根茎和根分别提高了35.58、26.88、23.49、31.66、40.75%，而Ltd的含氨总量呈下降趋势，说明短时间的土壤水分干旱处理可明显促进羊草各器官和植株的氮素积累，而较长时间的土壤干旱则不利于氮素的积累。羊草各器官氮素绝对量占整株的百分比从大到小依次为：绿叶(42.42-44.00%)、根茎(20.13—23.69%)、根(15.43～17.18%)、枯叶(10.07～11.30%)和茎鞘(7.27～8.67%)，表明叶片的氮素存量占植株的一半以上。Mtd处理增加了叶片的氮素贡献率，减少了茎鞘和根茎的贡献率，有利于加强叶片的光合性能。 以中度干旱持续期(Mtd)处理的叶片可溶性蛋白质含量、谷氨酰胺合成酶(GS)活性、RNA含量为最高，但中长期的土壤干旱处理再复水后则显著降低了羊草叶片内肽酶(EP)的活性和MDA的含量，说明给于一定时间的土壤干旱处理可使羊草叶片保持较高的蛋白质代谢水平，降低膜脂过氧化水平。 3.羊草对昼夜温差与土壤水分交互作用响应与适应 昼夜温差减少使单株羊草的生物量降低21.3%，分蘖和根的生物量减少，而鞘的生物量稍增加，显著降低了严重和极严重条件下的生物量。温差缩小降低了分蘖和根的投资比例，减少植株的地下部分生物量，而增加新叶、鞘和分蘖光合产物的比例，表明温差的减少将抑制光台产物向地下部分的转移。温差减少对充足土壤水分和轻度干旱处理的放射性比强影响较小，但减少了其它3种干旱处理的放射性比强。其原因主要是减少了植株鞘、根和根茎的放射性比强，显著增加了饲喂叶和心叶的放射性比强，表明温差的缩小阻止了“源”的光合产物向“库”的转移，降低对分蘖和根的投资，不利于羊草对干旱逆境的适应。 昼夜温差缩小使羊草叶片的气孔密度降低4.01%，而且减少了土壤干旱对气孔密度的影响。较高的昼夜温差和较低的昼夜温差相比，羊草叶片的光合速率和WUE分别增加了7.37%和20.09%;而气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率分别降低了14.03%、2.57%和10.80%。昼夜温差减少降低了土壤干旱的δ13C值，说明可能减少处在干旱条件下的植株WUE，暗示减小昼夜温差不利于增大羊草叶片对土壤水分亏缺的耐性。昼夜温差的缩小主要影响了下午羊草群体的CO2交换速率，增加了对照、LD和MD处理的夜间呼吸速率，降低了尤其是显著降低了在土壤缺水条件下的CO2昼夜净交换量，而在两个昼夜温差条件下都是以LD的最高。 昼夜温差缩小影响氮素含量在羊草各器官中的氮素分配，降低了叶片和茎鞘中的氮素百分比含量，但增加了根茎和根中的氮素含量。在较小的昼夜温差条件下，LD显著增加了叶片的氮素含量，但其它土壤水分处理影响不显著，在较大的昼夜温差条件下，亦是LD显著增加了叶片的氮素含量，但MD也使其显著增加。昼夜温差缩小增加了叶片和茎鞘的碳氮比，降低了根茎和根的碳氮比，使叶片在中度和严重土壤水分胁迫时无变化，降低了响应于土壤水分变化的调节弹性。 昼夜温差缩小使羊草叶片可溶性蛋白质降低了16.14%。LD和MD显著促进叶片可溶性蛋白质含量增加，SD和VD都显著地降低了羊草叶片的可溶性蛋白质含量。昼夜温差缩小有使羊草叶片游离氨基酸降低的趋势，主要是降低土壤干旱条件下的游离氨基酸含量，虽然昼夜温差缩小稍增加了可溶性耱的含量(4.68%)，但使土壤干旱激发效应变得不显著，表明温差的缩小降低了叶片中渗透调节物质的积累，不利于羊草抗旱性的提高。昼夜温差缩小显著降低了羊草叶片的NR、GS和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性，在较小昼夜温差条件下几乎看不出土壤水分降低的激发效应，而在高温差下则明显看出LD的激发效应。昼夜温差减少加强土壤干旱对天冬酰胺酶和内肽酶活性的影响，加强了蛋白质和关键氨基酸的分解作用，提高了叶片的膜脂过氧化水平，不利于羊草对干旱的适应性响应。 在土壤水分充足条件下，昼夜温差缩减对羊草叶片气孔形态的影响不明显，但可以看出温差较大时有较多的星状蜡质覆于气孔表面及其周围，这可能是由于夜间温度升高后植物为了减少水分的散失而采取的一种适应性策略。在本实验条件下，中度和严重土壤水分胁迫使气孔变得更加凹陷，气孔更加坚挺，体现了对土壤干旱的适应性反应。对羊草叶片叶肉细胞超微结构的观察表明，昼夜温差对土壤水分充足时的超微结构影响不显著，但在严重土壤干旱条件下，昼夜温差缩减似乎减少了叶绿体中的淀粉粒，加速了叶绿体和线粒体膜的裂解，表明昼夜温差缩减加大了严重土壤干旱对羊草叶片叶肉细胞超微结构的负面影响。 4.羊草对温度和土壤水分交互作用的响应与适应 温度升高使羊草叶片气孔导度和蒸腾速率增加，使光合速率(A)和水分利用率( WUE)降低。土壤干旱和高温均导致最大光化学效率、量子产额和光化学荧光猝灭系数降低，使非光化学荧光猝灭系数升高。土壤干旱减少了羊草幼苗的生物量，却显著增加了根的贡献率和根冠比，而高温使二者显著地降低。在本实验条件下，直到极端干旱才显著降低了羊草叶片的A和WUE，而其他的水分处理影响不显著。土壤干旱使得叶片中的含氮量显著降低：温度对叶片氮含量无显著影响，但却显著地降低了根中的氮含量，尤其显著增加根与叶片氮含量的比率。高温加强了干旱对光合性能的影响，表明高温降低了羊草对干旱的适应能力。 温度过低或过高都对叶片保持高水平的可溶性蛋白质不利，温度过高还削弱了土壤水分亏缺对叶片中游离氨基酸的激发作用。水分梯度对20℃时的GS活性无显著影响，但LD促使26℃和29'C下的GS活性增加，MD以上强度的土壤干旱都显著降低了23℃以上温度尤其是29℃和32℃时的GS活性，表明高温和干旱的协同效应对谷氨酰胺的合成不利。高温增加了AE和EP的活性，加强了土壤干旱对羊草叶片蛋白质和氨基酸分解的促进作用，在一定的土壤水分条件下，高温对RNA的合成作用增强，认为这是对高温胁迫的一种适应性响应。 随着温度的升高羊草叶片中的可溶性糖含量逐渐增加，土壤干旱亦增加了其可溶性糖的含量，但至极端干旱时则使之降低。在20℃下，土壤水分对羊草叶片的可溶性糖的含量无显著影响，在23—32℃温度条件下则是土壤干旱增加了其值，但至VD时则使之显著降低。不同温度条件下，土壤水分对羊草叶片的MDA影响不同，在20℃下，无显著影响，在23和26℃下，SD和VD使MDA稍升高，但在29和32℃条件下使之显著增加，说明温度升高加强了土壤干旱所引发的增加叶片膜质过氧化水平的负面影响。 5.柠条和杨柴对CO2浓度倍增和土壤水分交互作用的响应与适应 土壤干旱使拧条和杨柴的生物量在倍增CO2浓度条件下比在正常浓度条件下降低幅度更大。CO2浓度倍增较大地促进了充足水分条件下的植物生长，而对干旱条件下的生长促进作用则较小。无论在中度条件下还是在严重干旱条件下，两种优势植物均是在倍增CO2浓度条件下增加的根冠比幅度较大;无论在中度条件下还是在严重干旱条件下，且无论正常CO2浓度条件下还是在倍增CO2浓度条件下均是杨柴增加的幅度大。CO2浓度倍增主要增加了水分充足和MD的单位叶面积质量(LMA)，但反而降低了严重干旱的LMA。 CO2倍增使δ13C降低，但土壤干旱使之增加。用“库”（根）中的δ13C值对“源”（叶片）中的δ13C作图，可以用以评价碳分配以及“库”中新增生物量，两种沙生灌木叶片与根部的δ13C值呈极显著线性关系，杨柴的斜率大于柠条的，表明前者叶片与根部在光合产物分配上具有较高的可塑性，这和干旱条件下杨柴的根冠比增加相关联。杨柴的“源库”调节特性反映了对逆境具有较高的耐性。 CO2倍增使柠条和杨柴叶片含氮量分别降低了10.40%和5.06%，土壤干旱有使柠条叶片含氮量增加的趋势，但中度干旱没有增加羊柴叶片的含氮量。CO2倍增使叶片的碳氮比显著增加，而干旱使之降低。CO2浓度倍增降低叶肉细胞质膜的过氧化产物MDA的含量，干旱亦使叶片的MDA含量增加。叶片含氮量与MDA呈显著正相关，表明CO2倍增有保护叶片免受土壤干旱的作用，但干旱的负面影响是CO2倍增效应所难以弥补的。 CO2倍增降低了柠条叶片的可溶性蛋白质的含量，但在干旱条件下降低幅度较小，说明CO2浓度升高条件下可减轻干旱影响叶片中可溶性蛋白质的强度，体现了CO2浓度倍增对植物的抗旱性有利的一面。CO2浓度倍增使土壤水分充足条件下的柠条叶片中游离氨基酸含量降低17.24%，却使SD条件下增加10.78%，表明土壤干旱导致的叶片游离氨基酸含量的增加平衡了CO2升高造成的降低。在充足土壤水分和MD条件下，CO2浓度倍增对核酸总含量和RNA含量有稀释效应，但严重干旱条件下，CO2倍增提高了核酸总含量和RNA的含量。

土壤有机碳和氮的分布及其对气候变化的响应

碳、氮不仅是生物体必需的营养元素，也是重要的生态元素。大气中温室气体C02、N2O等浓度的增加使得碳、氮的生物地球化学循环及其温室气体的减缓排放措施研究成为全球变化研究中的热点问题。 土壤是陆地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的纽带;它是陆生生物赖以生存的物质基础，是陆地生态系统中物质与能量交换的重要场所，其在全球碳、氮循环中起着十分重要的作用。一方面，土壤有机碳和氮的含量与分布直接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，同时土壤有机碳和氮的转化与迁移又直接影响到温室气体的组成与含量。而土壤本身又是生态系统中生物与环境相互作用的产物。因此，研究土壤有机碳和氮的分布、转化及其对全球变化的响应对于正确理解碳、氮的生物地球化学循环及其对全球变化的响应制定应对策略具有重要意义。 全球变化的陆地样带是从机理上理解陆地生态系统对全球变化的响应，预测全球变化对陆地生态系统的可能影响，实现预警、调节和减少全球变化不良影响，科学地规划和管理陆地生态系统的有效平台。目前，国际地圈一生物圈计划(IGBP)基于不同地区全球变化驱动因素的不同以及全球变化的潜在反馈作用强度的不同，在全球4个关键地区共启动了15条IG8P陆地样带。以水分为主要驱动力的中国东北样带(NECT：Northeast China Transect)即为IGBP的陆地样带之一。 本文以中国东北样带为平台，基于2001年对中国东北样带科学考察所采土壤样品的实测结果和气候资料分析了土壤有机碳和氮的梯度分布及其与土壤、气候等因子之间的关系;借助C02浓度升高和不同土壤湿度的模拟试验探讨了土壤有机碳和氮对气候变化的响应;根据作物残体还田的长期定位试验和盆栽试验研究了作物残体还田对土壤有机碳和氮转化的影响，讨论了农田生态系统通过作物残体还田对减缓温室气体排放的效应。主要结果和结论如下： (1).样带表层土壤有机碳平均为22.3土4.93 g．kg-1，下层土壤有机碳平均为8.9±1.20 g．kg-1。样带表层土壤活性有机碳平均为3.52±0.881 g.kg-1，占表层土壤有机碳的13.1±0.78%;下层土壤活性有机碳平均为1.14±0.250g.kg-l，占下层土壤有机碳的10.9±0.79%。样带土壤活性有机碳与土壤有机碳之间呈极显著正相关关系(相关系数r=0.993，P<0.001)。 (2).不同生态类型土壤有机碳和活性有机碳含量不同。中国东北样带东部(经度126°～131°)为温带针阔混交林山地，植被种类极其丰富，地带性土壤为暗棕壤，并且多为自然土壤，土壤有机碳和活性有机碳含量较高。但由于采样区局部地理环境、植被结构及人类干扰程度的不同，土壤有机碳和活性有机碳含量变异较大，平均为61.9±13.84 g．kg-1和10. 88±2.236g. kg-1。样带中部（经度119°～126°）为松辽平原栎林草原、农田区和大兴安岭山地草甸草原区，属半湿润向半干旱过渡的气候。该区域主要土壤类型为黑土、黑钙土、盐化或碱化草甸土及风沙土，土壤沙化、碱化严重，土壤有机碳和活性有机碳含量明显降低，平均为10.5±1.97 g．kg-l和1. 35±0.327 g．kg-1。样带中西部（经度113°～119°）为内蒙古高原草甸草原和典型草原区域，具有典型的半干旱气候特征。该区地带性土壤为栗钙土，局部丘陵区分布黑钙土，土壤有机碳和活性有机碳含量为14.6±1.65 g．kg-1和2.07±0.342g.kg-1。样带西部（经度111°～113°）为内蒙古高原荒漠草原区域，地带性土壤为棕钙土，土壤较为贫瘠，其有机碳和活性有机碳含量最低，平均为7.99±1.51 g．kg-1和0.51±0.216 g．kg-1。从总的趋势看，样带表层土壤有机碳和活性有机碳的梯度分布趋势一致，都呈现出随经度降低而下降的趋势，局部因土壤退化而出现波动。 (3).样带土壤有机碳和活性有机碳与土壤全量氮、磷、硫、锌及有效氮、磷、钾、锰、锌等均呈显著或极显著相关关系，与土壤PH、容重、持水量及孔隙度也呈显著或极显著相关关系。土壤表层有机碳和活性有机碳与降水量之间具有正的相关关系，其相关系数为r=0.677（P<0.001）和r=0.712（P<0.001）。但下层土壤有机碳和活性有机碳与降水量之间没有显著的相关关系。 (4).样带下层土壤有机碳和活性有机碳与经度之间仍具有显著的相关关系（r=0.454，P=0.026; r=0.473，P=0.020）。样带下层土壤有机碳和活性有机碳的变异小于表层。不同的生态系统，下层土壤有机碳和活性有机碳与表层土壤有机碳和活性有机碳的比率不同。总的来看，土壤活性有机碳含量随深度的增加而下降的幅度大于土壤有机碳。 (5).短期培养条件下，CO2浓度升高及干旱胁迫下，土壤有机碳的变化不大，其变异系数为1.28%;相比较之下，土壤活性有机碳对气候变化比较敏感，其变异系数为29.67%。不同土壤湿度，土壤活性有机碳含量发生变异的幅度因CO2浓度升高而降低。 (6).样带土壤全氮和有效氮与经度呈极显著正相关，其相关系数分别是r=0.695 (P<0.001)和0.636(P<0.001)。土壤表层全氮和有效氮的梯度分布与土壤有机碳的分布基本一致：沿经度呈现东高西低的趋势，局部由于土壤退化而出现低谷。样带除东部山区外，其它各部分土壤有效氮都很低，成为其植被生长的限制因子之一。样带下层土壤全氮和有效氮的含量低于表层，但样带不同部位下层土壤全氮和有效氮下降的幅度不同。总的来看，土壤全氮的剖面分布和土壤有机碳相似，而土壤有效氮则有所不同。 (7).土壤全氮和有效氮是土壤生化环境中两个重要的因子。样带土壤全氮和有效氮和土壤有机碳、全磷、全硫、全锌、土壤活性碳、有效磷、有效钾、有效锰、有效锌、土壤容重、田间持水量土壤总孔度等因子均呈显著或极显著的相关关系。 (8).样带表层土壤全氮和有效氮与降雨量之间呈极显著的正相关关系，相关系数分别是0.682(P<0.001)和0.688(P<0.001)。而下层土壤全氮和有效氮与降雨量之间的没有显著的相关关系（r=0.241，P=0.256; r=0.366，P=0.079）。土壤有效氮占全氮的比例与年均温呈显著正相关关系（相关系数r=0.390，p=0.044）。 (9).短期培养试验中，CO2浓度加倍和不同土壤湿度对土壤全氮和有效氮的影响没有达到显著水平。整个试验中土壤全氮和有效氮的变异较小（变异系数分别是5.55%和3.84%），但仍能反映一定的变化趋势。 (10)．玉米残体还田能够增加土壤氮素含量，减轻因其作为燃烧材料而造成的氮素损失和对大气的污染;玉米残体施入土壤，增加了土壤微生物氮含量，提高土壤氮活性，有利于土壤氮素养分的协调供应;玉米残体还田能够促进氮素从营养器官向籽粒中转移，提高氮素养分的利用效率。同时，玉米残体还田可以降低土壤NO3--N的累 积，减少肥料氮的损失4.7～5.6%。 (ll)．根据国内外文献和我们连续10年作物残体还田的肥料长期定位试验及盆栽试验结果，从减缓CO2排放、增加土壤碳固存、提高土壤生产力入手，分析了农业生态系统作物残体还田的必要性与可行性，讨论了农田作物残体还田，增加土壤碳固存对于减缓CO2排放、提高土壤生产力的作用与意义。提倡作物残体因地制宜地归还土壤，但作物残体还田后土壤固存与减缓温室气体排放的潜力还需要进一步进行研究。

中国主要森林生态系统碳储量和碳收支评估

森林作为陆地生态系统中主要的植被类型在全球碳循环研究中有着十分重要的作用，而森林资源清样调查资料以其系统性、科学性、连续性等优点在森林生态系统碳循环研究中具有十分重要的地位。本研究以中国主要森林植被类型为研究对象，基于中国森林资源清样调查资料（FID），采用建立的生物气候生产力模型和反映林龄和蓄积量共同影响的生产力回归模型分别估计了中国油松林和主要造林树种的生产力;利用改进的材积源生物量法估算了中国主要森林植被类型的碳储量;并基于多元线性回归方法和因子分析法探讨了林业用地以及气候因子对中国森林植被碳储量的影响;同时，结合生物地球化学循环模型CENTURY模型评估了中国森林生态系统的碳收支。主要研究结果如下： 1建立了中国油松林生物气候生产力模型NPPa=［0.331n（V／A）+0.18］*3000（1-e-0.00096‘哪，根据油松林的森林资源清样调查资料和气候资料估算的中国油松林生产力平均为7.82Mg•ha-1•yr-1，其变化幅度为3.32-11.87Mg•ha-1•yr-1，其分布表现为南高北低的趋势。生产力较高的区域主要分布在东部和南部（四川、湖北、河南、辽宁等省），均大于7.7Mg•ha-1•yr-1;生产力较低的区域主要分布在北部和西部较为干旱的区域（内蒙古），NPP均低于5.5Mg•ha-1•yr-1：油松林集中分布区（陕西、山西）生产力处于中等水平，在5.5-7.7Mg•ha-1•yr-1之间。 2基于森林资源清样调查资料评估了中国五种主要造林树种（落叶松Larix，油松Pinusstabulaeformis，马尾松Pinusmassoniana，杉木Cunninghamialanceolata，杨树Populus）的生产力，分别为8.43、5.75、4.42、4.41、7.33Mg•ha-1•yr-1，低于世界平均生产力水平，主要原因可能是这五种造林树种大都处于未成熟阶段，表明中国造林树种在提高中国森林生态系统的固碳能力方面有很大的潜力。 3基于两次（第三次和第四次）森林资源清查资料和改进的材积源生物量法评估了中国森林的碳储量，分别为3.48和3.78PgC（1Pg＝1015g）。 基于多元线性回归模型探讨了林业用地变化对森林植被碳储量的影响。分析表明：在森林平均林龄减小的情况下，森林植被碳储量有增加的趋势;而森林碳储量随森林面积的增加而增加。当平均林龄增加10年，全国森林面积增加1*104ha时，全国森林植被的碳储量将增加54.51Tg（1Tg＝1012g），表明我国森林植被碳储量取决于自然和人为因素共同作用。 采用因子分析方法探讨了气候变化对森林植被碳储量的影响，分析表明：气温是森林植被碳储量的主要限制因子。当气温升高时，森林植被碳储量有降低的趋势;降水与森林植被碳储量呈正相关，随降水的增加森林植被碳储量增加。在年均温升高4℃，年降水量增加10％;年均温升高4℃，年降水量不变;年均温升高4℃，年降水量减少10％三种气候变化情景下，我国森林植被碳储量的增加量分别为：9.19Tg、6.67Tg和4.15Tg。 4基于生物地球化学循环模型模拟的中国森林生态系统的碳收支为0.17PgC，中国森林表现为一个巨大的碳汇。其中，西南地区森林碳收支占44％，华东及西北地区的森林碳收支总和不足14%。

浑善达克沙地退化生态系统生态恢复的自然保护区途径

本文从种群、群落、景观等水平研究了浑善达克沙地退化状况，发现浑善达克沙地生态系统退化严重。运用“以地养地”模式，建立自然保护地，能恢复浑善达克退化生态系统，同时能实现社区的经济发展。通过对自然保护区恢复潜力和可行性的分析，发现将“以地养地”模式推广到全旗，可实现全旗的可持续发展。运用自然保护区设计理论，对拟建自然保护区进行了设计，并对自然保护区-社区的区域可持续发展能力进行了分析，提出了可持续发展战略。有以下主要内容： 1）浑善达克沙地榆树疏林种群在人为干扰下处于衰退期。本研究表明，浑善达克沙地中部榆树疏林种群是一个数量处于下降的种群。中老龄龄级榆树较多，而年幼龄级榆树较少。种群静态生命表表明，幼苗库严重不足，种群进入中老龄期后，外界干扰(例如直接砍伐等)导致了个体较高的死亡量。按照一次平均推移法预测各龄级在未来20年、40年、60年及100年后的株数，老龄龄级株数将有所增加，而中幼年株数则下降。目前蓝旗榆种群中老年个体仍保持着比较旺盛生殖能力，应该充分利用这一特征，采取适度放牧、严禁超载过牧、严禁滥砍滥伐等措施，促进天然更新。 2）浑善达克沙地沙丘植物群落退化严重。浑善达克沙地中部典型固定沙丘调查表明，阴坡植物群落种类复杂，主要为耐阴乔木半乔木+灌木+柳灌丛类，群落较为稳定。阳坡主要以褐沙蒿、雾冰藜和虫实为主，种类组成较为简单，沙脊为沙蒿+半旱生杂草类，腰地形成木岩黄芪+半灌木半旱生杂草类。落沙地形成虫实+狗尾草优势群落，风蚀坑形成狗尾草+虫实+褐沙蒿优势群落。顶部则形成虫实单优势群落。固定沙丘退化严重，有活化的可能，需要加强保护，控制放牧强度。 3）浑善达克沙地榆树疏林在景观水平上破碎化严重。研究发现榆树疏林斑块在全旗分布不均匀，斑块集中分布于北部苏木。其中有20个嘎查所含疏林斑块面积较多，占该旗疏林斑块总面积的86%，是主要分布区。榆树疏林斑块密度较低，斑块边界割裂严重，斑块之间分离度高，大斑块较少，小斑块数量多。 4）建立保护区可恢复浑善达克退化生态系统。运用以地养地模式，将大部分退化沙地围封保护，进行自然恢复;在小面积土地上建立了高产高效饲料基地，以向上一营养级提供足够的能量。结果表明，牲畜的压力逐步向小范围的土地集中，而大面积的退化草地借助自然力逐步恢复。群落生物量、平均高度和总盖度2年后均显著增加。植被组成方面，优质牧草比例提高。生态恢复不仅使自然生态系统得以恢复，而且带动了社会经济的发展，项目中的正蓝旗巴音胡舒嘎查牧民，在实验示范以后，年人均收入提高了32%。在全旗自然保护区建成后，大量居民将从保护区内迁移到城镇中去，有利于提高城市化水平，有利于调整产业结构，对于当前逐渐发展的二、三产业有促进作用;同时，自然保护区面积扩大有利于城市人口增长，能为城市发展提供消费食物来源、水源保障、环境保障。 5）拟建自然保护区设计。按照景观规划理论、Diamond自然保护区设计原则，选择榆树疏林斑块集中分布区，作为潜在核心区，运用ArcGIS的缓冲区分析功能，设计不同的宽度。同时调查斑块外不同距离样方与疏林斑块的群落相似度。由此而初步确定的核心区分布在正蓝旗23个嘎查，面积1 531 km2，约占全旗总面积的15%。根据核心区边界的生态、经济社会发展等因素，以及保护核心区所需要的最小宽度、当地土地利用所能规划的最大宽度，确定了不同区域的缓冲区宽度。由此而确定的缓冲区面积为1140km2，占保护区总面积的11.2%。其他地区均设置为过渡区，面积为7514km2，占保护区总面积的73.8%。 6）浑善达克自然保护区-社区的可持续发展。按照区域可持续发展理论，对浑善达克自然保护区-社区的各个苏木、镇、牧场、示范区，按照环境、经济、社会三个子系统进行了综合评价。发现可以按照区域可持续发展原则将正蓝旗划分为四个区域、两条畜产品产业带，简称“四区两带”战略：北部景观保护区、西部生态功能恢复区，以自然保护和生态恢复为主;中部社会经济服务区，以经济社会发展为主，集中建设好三个小城镇，发展集约化畜牧业、生态旅游产业;南部低山丘陵农业区，以及沿国道、省道的畜产品产业带。

全球气候变化条件下新疆天山云杉林生长的分析与模拟

气候变化对人类赖以生存的陆地生态系统尤其是森林会产生很大的影响。本论文选择新疆天山东部的伊吾、中部的天池和小渠子、西部的昭苏四个代表性样点，利用BIOME-BGC模型和树木年轮分析方法探讨1961 ~ 2000年间气候变化和大气CO2浓度增高对天山北坡地带性植被天山云杉林（Picea schrenkiana）生长的影响，并利用BIOME-BGC模型预测未来气候变化条件下天山云杉林生产力的可能变化。 利用BIOME-BGC模型模拟了当前气候和CO2浓度条件下四个研究样点净初级生产力（NPP）特征。比较BIOME-BGC模型模拟值与实测NPP、树木年轮指数，结果表明该模型适用于天山北坡天山云杉林的模拟研究。 以BIOME-BGC模型模拟的NPP和树木年轮宽度指数作为生长指标，分析了天山云杉林过去40年的生长特点和趋势。结果表明近40年来天山云杉林生长总体上呈现上升趋势，尤其是自1987年以后，变化幅度更大。天山云杉林的生长对气候变化的反应很敏感，年降水量与当年的NPP呈现显著正相关关系（R=0.774 ~ 0.882，P < 0.001）。年降水量与树木年轮宽度指数也呈现出相似的相关关系，但相关系数相对较小（0.305 ~ 0.544），其中只有昭苏和小渠子样点达到显著水平。在昭苏和伊吾，年平均温度与对应年份的NPP相关关系微弱，相关系数仅分别为0.036和0.159。而天山中部的小渠子和天池年平均温度与对应年份的NPP呈显著负相关关系（相关系数分别为-0.324和-0.322;P <0.05）,这可能是由于温度的升高加剧水分胁迫，导致NPP下降。年平均温度与树木年轮宽度指数的相关关系与NPP的基本一致。同时，年平均温度也表现出比较强的滞后效应,尤其是滞后两年的效应，这可能是由于温度的升高，加速养分循环产生施肥效应，从而间接促进天山云杉林的生长。近40年来，大气CO2浓度的增高对天山云杉林生长具有一定促进作用，NPP升高的幅度为1.85 ~ 4.51%,根据树木年轮估算大气CO2施肥效应β相对比较小,仅为0.133。进一步分析表明大气 CO2浓度主要是通过提高水分利用效率的途径促进天山云杉林生长。 利用RegCM2区域气候模式模拟的大气CO2倍增时（大约2070年）的气候变化情形作为输入参数，应用BIOME-BGC模型预测了在未来气候状况发生改变，而大气CO2浓度没有变化的情况下（C0T1P1），天山云杉林的NPP增长幅度为13.33 ~ 29.11%,其中对东部伊吾NPP的促进作用最大，其次是中部的小渠子和天池，而对西部昭苏NPP的影响最小;结合当前气候条件和大气CO2浓度加倍情形（C1T0P0），模拟结果表明NPP在比较温暖的天山中部和西部将会有所增加，增加幅度为1.17 ~ 8.62%，而在寒冷的东部伊吾，NPP则会下降2.50%, CO2的施肥效应表现出很大的温度依赖性;结合气候变化和大气CO2浓度加倍情形（C1T1P1），模拟结果表明NPP的增加幅度将会上升为26.43 ~ 37.24%，温度、降水和大气CO2浓度对NPP的影响存在较强的交互作用。 研究表明树木年轮真实记录了树木在自然条件下长期的生长特征，是验证生态系统模型比较理想的材料之一。生态系统模型可以从机理上对生态系统的生物物理过程以及影响因子进行分析和模拟。本研究利用生态系统模型与树木年轮方法相结合很好地揭示天山云杉林的生长与全球气候变化之间的相互关系。同时，研究表明未来气候变化有利于天山云杉林的生长，天山云杉林可能会成为一个重要的碳汇而在碳循环研究中倍受关注。