Global negative vegetation feedback to climate warming responses of leaf litter decomposition rates in cold biomes

Whether climate change will turn cold biomes from large long-term carbon sinks into sources is hotly debated because of the great potential for ecosystem-mediated feedbacks to global climate. Critical are the direction, magnitude and generality of climate responses of plant litter decomposition. Here, we present the first quantitative analysis of the major climate-change-related drivers of litter decomposition rates in cold northern biomes worldwide. Leaf litters collected from the predominant species in 33 global change manipulation experiments in circum-arctic-alpine ecosystems were incubated simultaneously in two contrasting arctic life zones. We demonstrate that longer-term, large-scale changes to leaf litter decomposition will be driven primarily by both direct warming effects and concomitant shifts in plant growth form composition, with a much smaller role for changes in litter quality within species. Specifically, the ongoing warming-induced expansion of shrubs with recalcitrant leaf litter across cold biomes would constitute a negative feedback to global warming. Depending on the strength of other (previously reported) positive feedbacks of shrub expansion on soil carbon turnover, this may partly counteract direct warming enhancement of litter decomposition.

CO2倍增对紫花苜蓿的生态生理作用及模型

本论文是国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”下子项目“对全球变化反应植物生态生理学的基础模型研究”中的重要部分。 本文研究了紫花苜蓿(Medicago Sativa L．)在C02倍增下光合作用、蒸腾作用、气孔导度、叶面积、物候进程、高度、以及生物量的生态生理变化，并在此基础上对苜蓿进行了生态生理模型化的研究。 在倍增(694ppm)和对照(375ppm) C02浓度下，对紫花苜蓿的生态生理学的研究表明，以整个生育期计，倍增组的表观光合作用比对照组可提高18.7%：气孔导度略有下降(2%);蒸腾作用减少了2.7%;水分利用效率提高了30.1%;叶面积增加了48.9%;每株植物白天的净光合总量可提高76.7%，另外，植株高度和整株生物量的测定也显示了C02增加对苜蓿的正效应。 本文还对生理指标的实测数据进行了模型化的研究。对光合作用模型和气孔导度模型中参数的拟合结果表明，C02倍增下，苜蓿的光能转化效率(α)，电子传递速率(Jmax)比对照组都有明显的提高，最大气孔开度(Gsmax)略有下降．

植物个体的生理生态动力学模型

GCTE（全球变化和陆地生态系统），作为IGBP的核心计划之一，其目的是研究陆地生态系统与全球气候变化及人类社会经济和土地利用改变之间相互作用的耦合机理关系，预测生态系统结构、功能的未来变化。其中，植物个体水平的生理生态学模型研究是GCTE中必不可少的重要环节，它不仅可以揭示植物在个体水平上对全球变化的动态响应机制，而且可通过揭示大尺度响应所隐含的微观生物学机理，为大尺度研究提供重要的生理学参数和规律，在全球变化各尺度研究中发挥着不可替代的作用。本文主要围绕植物个体的生理生态学模型开展了如下研究：在开顶式气室CO2倍增大豆生长实验基础上，建立描述植物主要生理过程的生理生态模型，分析植物个体的光合作用、气孔传导度、蒸腾作用以及水分利用效率在全球场变化下的动态响应机制;在此基础上，建立起以统计性天气模型驱动的植物个体生长发育系统动力学模型，通过敏感度分析探讨植物个体的生理生态特性，如光合、呼吸、绿色及非绿色生物量等，对全球变化，特别是对CO2增加，气温升高及降水改变共同作用的响应机制;针对固氮植物的特点，将前一模型发展成为基于共生固氮和同化过程相互作用机制的植物个体生理生态系统动力学模型，模拟不同CO2浓度、气候变化以及固氮与不固氮条件下植物个体生物量的动态响应，并分析CO2浓度、气候条件和是否具固氮能力在对植物生长发育影响方面的相互作用;以中间锦鸡儿为研究材料进行水分控制实验，观测水分对植物同化物分配等过程的影响;将水分利用效率模型应用到NECT样带的主要植物种，得出各植物种的描述其水分利用效率特性的参数，结合样带上各植被类型的结构特征，得到沿样带各植被类型在植物种类组成方面的水分利用效率参数;应用系统聚类分析、因子分析等多元统计方法对样带上锡林河流域122种植物的化学成分与植物类群和所处生境的关系进行了定量分析。结果表明： 1）CO2倍增情况下，净光合速率提高45%，其中光量子效率显著增加，而CO2传导系数略有下降;气孔传导度、蒸腾速率下降约30%;水分利用效率随CO2浓度增加几乎呈线性增长，倍增后提高近一倍。（当气温，水分适宜，光合有效辐射为1000μmol photons m-2 s-1); 2）在北京地区仅CO2倍增而气候条件维持现状的情况下可导致大豆总生物量峰值提高70%，绿色部分提高56%，其中，全生育期内总净光合量增加，而单位干重的暗呼吸速率下降;由于受同化物分配中物候因素的影响，绿色生物量比总生物量提前10日左右到达其峰值。 3）CO2浓度增加和具固氮能力在模拟范围内对植物生长均产生正效应;而在水分为植物生长限制因子的干旱半干旱地区，降水增加对植物生长产生正效应，气温升高则具负效应; 4）随着C供给条件的好转，具固氮能力对植物生长的影响增强;反之随植物吸收N能力的提高，C供给对植物生长的作用加剧。 5）气温、降水在对植物生长发育影响方面，随着一方条件的好转，另一方对植物生长产生的效应增强; 6）具固氮能力对植物生长的正效应随气候条件的好转而增强，气候变化对植物生长的影响随植物具备了固氮能力而加剧; 7）气候条件越恶劣，如在此半干旱区变得更为干旱，CO2浓度增加对植物生长的正效应越加显著;且随CO2浓度的增加，气候因子的效应逐渐减弱。这主要是因CO2增加提高了植物个体的水分利用效率，从而使得CO2的正效应在水分胁迫下更为明显;同时由于水分利用效率的提高，使得植物个体抵御和适应外界环境变化，特别是由气温、降水改变导致的水分条件变化，的能力得到增强。 8）锦鸡儿水分生理生态实验的初步结果表明，土壤水分状况影响着植物的同化物分配，随着水分胁迫的加剧，同化物分配向根部集中，植物的根冠比增加。 9）沿样带水分递减梯度，植被类型在植物种类组成方面的反映水分利用效率特性的参数kv逐渐增加，从而显示出随着水分条件的不足，植被类型中耐旱品种，尤其是C4种增加;人为活动干扰，主要是对草场等的过度利用而导致的盐渍化、沙化，使得退化了的植被类型中k_v值显著提高，表明原有的植物种逐渐被耐旱、耐盐碱的品种，特别是C4植物所代替;在样带动上，这种由于人为活动干扰所引起的植被类型在植物种类组成方面反映水分利用效率特性的参数kv的变化明显大于因样带水分梯度改变而带来的变化。 10）锡林河流域草原植物化学成分一方面与植物类群有关，受自身历史演化的决定，另一方面更受到所处生境条件的极度大影响和制约。其中，禾本科、豆科植物分别具有明显的化学成分特征;撂荒地群落与自然群落中植物、沙质与非沙质生境中植物化学成分差异较显著;因子分析中认为存在大量元素与微量元素两个公共因子，豆科与禾本科相比，豆科植物因其固氮能力，所含大量元素水平较高，而禾本科植物因细胞壁硅质化，含微量元素稍高;沙质生境因其养分贫瘠，植物的大量与微量元素均较非沙质生境中的低;特别是本区地带性土壤-栗钙土与特异性生境沙带中的疏林沙土相比，疏林沙土上植物大量与微量元素含量较栗钙土区植物明显偏低。

全球变化不绿洲的演化趋势研究-以塔里木盆地北部渭干河绿洲为例

本文以全球变化对绿洲水文循环影响为主线，分析了地处干旱区的绿洲在全球变化下的演变趋势。以塔里木盆地北部渭干河绿洲为例，探讨了其水量平衡、非灌溉土壤积盐特性、隐域性盐化草甸植被NPP，以及绿洲土地利用／覆被变化对全球变化的响应。从不同时间尺度上分析了全球变化的两大驱动因子，气候变化和人类活动对绿洲演化的影响。运用系统动力学模型模拟了未来30年绿洲土地覆被变化在上述两驱动因子的作用下的动态演变过程。其主要结论如下： 1、从生态学的角度，绿洲可定义为：存在于干旱、半干旱区的依赖于水源而生存的隐域性绿色景观．地质时期，绿洲的演化由气候等自然因子起决定作用;人类历史时期，在气候等自然因素的大背景下，人类活动对绿洲演变的作用越来越大;近百年来，绿洲的演变则主要受人为活动干扰。 2、在不改变绿洲现有土地利用格局和水资源利用率的情况下，当年平均气温升高2.5℃，无论降水增加200%或不增加，绿洲的水资源量都将出现负平衡，全球变化将使绿洲面临更为严重的水资源短缺。 3、绿洲自然土壤0-5 0cm土层积盐速率对全球变化的响应程度依地下水埋深的大小而有所差异。地下水埋深较小，积盐速率随温度的升高增加较明显;地下水埋深较大时，积盐速率变化不明显。当地下水埋深>2m，地表积盐速率不再随气候变化而变化．地下水埋深h=2m为渭干河绿洲非灌溉土壤地表积盐速率对全球变化响应的临界深度。 4、根据绿洲地下水埋深与植被NPP的相关关系，推导出了估算盐化草甸植被NPP的模型： NPP=-O. 991+0. 0005Eo (h-0. 25h^2+0. 021h^3) +5. 276EXP (-0. 651h) 并分别估算了当前及全球变化下的NPP值。盐化草甸植被NPP随地下水埋深的增加呈指数下降。全球变化下，地下水埋深较大时，NPP的增加较明显;地下水埋深较小时，NPP的增加不明显。 5、灵敏度分析表明：NPP对地下水埋深h的变化比对地下水矿化度变化为更敏感。h=3. 3m为渭干河绿洲盐化草甸植被的胁迫深度。 6、系统动力学模型模拟表明，渭干河绿洲耕地面积的增减受水资源利用率和人口数量变化的制约。全球变化下，由于水文状况的改变，未来30年将导致绿洲耕地面积增幅下降4. 5-5.1%。绿洲水文状况和人口数量变化是决定土地利用格局变化的关键驱动因素。 7、绿洲灌溉土地的优化模式为，耕地：林地：改良草地=70: 23:7;种植业（耕地）内部的比例为，粮食作物：经济作物：人工草地=46: 31: 23。

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应_锡林河流域羊草草原生态系统循环研究

本研究从三个方面研究了草地生态系统的碳循环及其对全球变化的响应： 1)系统整理了世界范围内各种类型草原群落碳循环主要过程和影响因素的有关资料，在此基础上，对草地生态系统巾的碳素贮量和主要流量进行了全球估计;在CENTURY模型碳循环业模型的基础上，对草地生态系统碳循环的分室模型进行了说明;阐述了土壤呼吸作用在草地碳循环中的作用，综述了草地土壤呼吸的测定方法、影响草地呼吸的主要环境因素，对世界范围内草地土壤呼吸量和土壤中的有机碳周转速度进行了初步估计;讨论了全球气候变化、 C02浓度增加和土地利用变化对草地生态系统的可能影响。 2)对内蒙古锡林河流域一个固定样地内的羊草草原群落的碳循环特点进行了初步研究;采用实测数据和CENTURY模型模拟相结合，对该群落中碳素的输入与输出量，碳素贮量和土壤中有机碳的周转口寸间进行了首次估计，得出了“未利用状态下羊草草原群落基本处于碳素平衡状态”的结论。 3)对世界范围内草地利用现状的资料分析表明，全世界70%的草地出现了不同程度的退化， 过度放牧是导致草地退化的主要原因，在退化草地总面积中，约有35%是由于过度放牧造成的。过度放牧是锡林河流域羊草草原退化的主要入为因素，40年来，过度放牧共导致了羊草草地O - 20cm土层中23%的土壤有机碳损失。结合CENTURY模型的预测结果，土地利用变化对羊草草原土壤有机碳贮量的影响将比气候变化和C02浓度增加的影响更加重大。