CO2浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的影响

自工业革命以来，大气的C02浓度以前所未有的速度增加，已经由280μmol mol-1升高到了360μmol mol-l。据预测，到下个世纪中／末期，C02浓度将为目前的二倍。C02浓度升高及其引起的全球气候变化必将影响到植物的生长发育，进而对整个生态系统产生巨大影响。因此，有关C02浓度升高对各类生态系统的影响的研究引起了广泛关注，成为近年来的研究热点。早期的研究多数集中于考察C02浓度升高对植物个体水平生长发育的影响。然而，高C02对植物的效应严重依赖于具体物种和具体环境条件，使得基于由短期盆栽实验获得的研究结果不能够有效地预测自然生态系统的行为。因此，长期、原位处理实验越来越受到重视。由于原位研究的难度较大，目前这方面的研究还不是很多。有限研究结果显示，由于生境条件和种间关系方面的巨大差异，自然生态系统对C02浓度升高的反应迥异。 草原生态系统由于C02浓度控制上比较容易实现，而且其物质循环相对较快，因而一直是C02富集实验研究最多的一类植被，生态系统水平的研究更是如此。然而涉及的区域和草原类型并不多，不足以进行可靠预测。目前，关于C02升高效应，研究比较系统的草原生态系统主要集中在：美国Kansas的高草草原、美国California的一年生草原、瑞士西北部的石灰质草原、美国Colorado的矮草草原和一些牧场。我国总土地面积的40%为草地，类型丰富，然而相关研究不多，尤其是对自然生态系统的原位研究几乎为空白。 为揭示C02浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的效应，我们在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的永久羊草样地开展了两年的C02倍增实验(2001，2002)。在羊草样地选择相对均匀地段设置12个开顶式气室（直径1.8m），每个气室内分成4个小样方(0.5m×0.5m)，其中6个气室在生长季给予加倍C02处理（约600μmol mol-l），另6个气室不补充C02（约300μmol moI-l）。地上部分用收割法取样，分种记录数量、高度和重量等指标，地下部分取样用环刀法。用Li-cor6400光合系统测定群落光合和呼吸速率。野外实验结束后，统一分析植物和土壤样品中的C、N等元素含量。另外，在内蒙古草原站院内设置了两组桶培实验，一组是取自羊草样地的带苗原状土，一组是取自羊草样地的混匀土，种上冰草(Agropyron cristatum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)的种子。2组桶培实验分别用两个水分梯度和两个C02梯度处理。水分处理分别为：浇水处理——每4天浇lOOOml水，相当于平均降雨量的160%;干旱处理——持续干旱，适时补水以保持植物不萎蔫，共浇水4000ml水。C02处理和取样方法与样地原位实验相同。主要研究结果和结论如下： 1)两年的C02加倍处理没有使羊草草原的生物量、植物种和功能型组成发生显著改变，桶培实验中，浇水处理显著促进了植物生长，原状土植物、种子苗实验的冰草和无芒雀麦对C02加倍处理同样不敏感，而种子苗实验的豆科植物紫花苜蓿在C02加倍处理下生物量显著提高。以上结果显示，由于水分和养分（特别是N）的限制，以及优势植物对C02的相对不敏感，C02浓度升高对羊草草原地上生物量和结构的效应相对不大。 2)羊草草原的根垂直分布在加倍C02条件下发生显著改变，但根生物量对C02加倍处 理相对不敏感。在4次取样中只有一次对C02加倍处理表现出显著变化，根长的变化与根生物量的变化不完全一致，根的比根长在加倍C02条件下增加。根垂直分布的变化趋势与降雨的时间分布相适应，干旱少雨时期C02使下层根量增加，多雨时期C02则使上层根量增加。以上结果显示，根的空间分布比根生物量对C02加倍处理更敏感。水分是根空间分布变化的驱动因子，加倍C02条件下，根空间分布的变化趋势倾向于优化对水分的充分利用。 3)加倍C02处理使羊草草原的群落光合速率显著提高，群落呼吸速率显著降低，因而使群落碳净输入量增加。土壤碳贮量占羊草草原碳总贮量的70%以上，碳总贮量及其组分（包括地上碳贮量、根碳贮量、土壤碳贮量）在两个C02浓度处理之问均没有显著差异。另外，加倍C02处理使羊草草原群落及其优势植物羊草的c：N比增加。以上结果显示，在加倍C02条件下羊草草原的碳净输入量增加，这意味着在未来高 C02条件F，羊草草原将作为碳汇对大气C02起反馈调节作用。其碳贮量对加倍C02 处理的不敏感与许多以前的研究结果相似，一般认为是由于土壤碳贮量本底太大， 掩盖了C02效应，这还有待于更长期原位实验的证实。羊草草原群落c：N比在高C02 浓度下的变化将影响凋落物降解、N素循环和动植物营养关系等，进而对生态系统 功能产生深远影响。

内蒙古毛乌素沙地不同生境油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)灌丛地碳动态研究

油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)是内蒙古鄂尔多斯高原特有的半灌木，构成该地区沙地优势植被类型。主要分布在固定、半固定沙丘，同时在流动沙丘也有少量分布。它在当地经济价值、防风固沙环保方面均处于无以取代的地位。在毛乌素沙地沙漠化日益扩大的严峻态势下,研究其群落地上、地下过程对生境变化的响应不仅对维持干旱、半干旱区生态系统稳定的管理措施上有所帮助，而且也有助于了解全球变化背景下物种对环境条件的长期变化适应策略。 为此，本项研究以毛乌素沙地为研究区域，利用异速生长关系确立不同生境油蒿生物量最佳回归方程，并调查、比较了毛乌素沙地固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘三个生境油蒿灌丛地的生物量、土壤和植被的碳储量、生产力和细根周转、土壤微生物生物量碳、氮和土壤呼吸。具体结果如下： 1. 建立并比较了油蒿枝、株两个水平上各部分（不含细根）生物量异速生长关系式，其中枝形态指标（枝直径BD、枝长BL、叶枝长LBL）与油蒿叶、枝、果各部分生物量的异速关系最好;株水平上冠层面积CA与其叶、枝干、果、粗根各部分生物量的回归效果较好。不同生境生物量与其生长变量的异速生长关系存在差异。2004年调查的油蒿灌丛生物量从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘分别是354.8，178.3和30.4 g m-2;各部分（叶、枝干、果、粗根、不同径级细根的)生物量都呈递减趋势。地下根与总生物量比值排序为固定>半固定>流动沙丘。不同生境细根生物量垂直分布存在差异，在固定沙丘根可至100 cm，半固定沙丘达90 cm，而在流动沙丘仅为60 cm，这些结果有助于使了解不同生境中的相同物种如何通过自身形态及其生物量调整来适应生境的差异。 2. 不同生境油蒿灌丛地植被碳储量和土壤碳储量在P < 0.05水平上差异显著，其中固定沙丘植被碳储量和土壤碳储量分别为224.04和7521 g C m-2，半固定沙丘是119.27和3029 g C m-2，流动沙丘是16.83和2300 g C m-2。可见沙区土壤有机碳远大于植被碳量。 3. 利用最大值减最小值方法、标准取样法和内生长土芯法研究了不同生境油蒿灌丛地的地上、粗根生产力和地下细根生产力。发现各生境生产力、细根周转都随着植被盖度增加而增加，地下根生产力与总生产力之比随着植被盖度增加而减少;不同生境油蒿灌丛地生产力在P < 0.05水平上存在显著差异，2005年总生产力范围在18.23-293.82 g m-2 yr-1之间;细根总周转率在0.16-0.54 yr-1之间。 4. 利用异速生产关系确立不同生境不同水平上油蒿叶面积的最佳回归关系式并对不同生境的比叶面积（SLA）进行了比较，其中枝水平上各生境叶面积与枝直径、枝叶长、枝长相关关系在P < 0.001水平上显著;株水平上各生境叶面积与株高、冠层面积相关关系在P < 0.001水平显著;从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘SLA由大变小，这可能与生境养分差异有关。 5. 不同生境油蒿灌丛地土壤微生物碳、氮和土壤呼吸范围分别在117.99-153.99 mg kg-1、1.49-3.31mg kg-1和0.54-1.96 μmol m-2 s-1之间，它们从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘依次下降。

人工湿地强化净化太湖水体富营养化研究

为了进一步降低水中营养盐浓度、提高水体透明度，为湖泊生态系统的恢复创造条件，促进湖泊水体生态系统良性循环，以太湖五里湖富营养化水体为研究对象，采用中试规模的人工湿地技术来强化净化富营养化水体。重点研究了不同流态、不同基质、不同植物及植物有无条件下各人工湿地系统对富营养化水体的处理效果。此外，还对生长在人工湿地中的7种湿地植物芦苇(Phragmites communis)、香蒲(Typha angustifolia)、茭白(Zizania caduciflora)、水葱(Scirpus validus.)、菖蒲(Acorus calamus)、鸢尾(Iris pseudacorus)和千屈菜(Lythrum salicaria)的生长、生理生态特性如气体交换、叶绿素荧光、光合色素含量及氮、磷吸收能力进行了研究，旨在探索高等植物在富营养化水体净化过程中的机理和规律，为人工湿地污水净化机理奠定一定的科学和理论基础。主要研究结果如下： 通过对垂直潜流、水平潜流和自由表面流三种类型的人工湿地系统对富营养化水体净化效果的对比研究，我们发现在水力负荷0.64 m d-1，进水污染物浓度化学需氧量(COD) 7.37 mg L-1、氨氮(NH4+-N) 1.63 mg L-1、硝氮(NO3--N )1.41 mg L-1、总氮(TN) 4.82 mg L-1和总磷(TP) 0.15 mg L-1的条件下，三种不同流态的人工湿地对富营养化水体均有一定的净化功能。三种类型的人工湿地对主要污染物COD、NH4+-N、NO3--N、TN和TP的去除效果分别为：垂直潜流40.4%、45.9%、62.9%、51.6%和64.3%;水平潜流39.6%、32.0%、65.3%、52.1%和65.7%;自由表面流16.5%、22.8%、34.2%、19.8%和35.1%。相比之下，垂直潜流、水平潜流对主要的污染物的去除效果明显好于自由表面流人工湿地。除垂直潜流湿地NH4+-N的平均去除率显著大于水平潜流外，两人工湿地在其余指标的去除效果上无显著差异。考虑到土地面积的限制，就太湖五里湖富营养化水体治理而言，垂直潜流和水平潜流较自由表面流更为适合。 以沸石为基质的人工湿地较以砾石为基质的人工湿地对NH4+-N有很好的去除效果，除此之外两种基质类型的人工湿地在其余各污染指标的去除效果方面差异不显著。但随着湿地运行时间的延长，沸石对NH4+-N的吸收能力会逐渐减弱，考虑到湿地构建成本，建议就地取材，以当地较为廉价的砾石为人工湿地基质比较经济适用。 有无植物对有机污染物COD的去除效果影响差异不显著，但对TN和TP去除效果影响差异极显著，有植物的人工湿地对TN的去除率比无植物的分别高出12.5%和13.4%，对TP去除率分别高出16.9%和31.0%。不同植物对人工湿地处理效果的影响差异不显著，可见湿地流态对处理效果的影响大于植物的影响。 各湿地植物叶片的净光合速率(Pn)日变化均为双峰曲线，有光合“午休”现象。其中芦苇、茭白、鸢尾、菖蒲、水葱和千屈菜Pn的下降主要是由气孔导度(gs)的下降造成的，而香蒲则更多的受叶肉光合能力下降的影响。除千屈菜的Pn与gs之间呈显著正相关外，其余植物的Pn与gs之间均呈极显著正相关。气孔行为对湿地植物光合作用碳的固定显示了明显的主导控制作用。 各湿地植物的光补偿点(LCP)差异不显著，其均值都在10µmol m-2 s-1以上，显示了阳生植物的特性。但湿地植物的光饱和点 (LSP)差异极显著，LSP大小依次为香蒲1476.3µmol m-2 s-1>水葱1140.0µmol m-2 s-1>菖蒲753.7µmol m-2 s-1>芦苇751.7µmol m-2 s-1>茭白640.7µmol m-2 s-1>千屈菜567.3µmol m-2 s-1>鸢尾479.0µmol m-2 s-1。7种湿地植物的CO2补偿点差异极显著，CO2补偿点大小依次为水葱47.1µmol mol-1>茭白28.4µmol mol-1>香蒲23.7µmol mol-1>鸢尾16.8µmol mol-1>菖蒲16.7µmol mol-1>千屈菜15.2µmol mol-1>芦苇14.8µmol mol-1。与此相反，湿地植物的CO2饱和点差异不显著。 各湿地植物的Fv/Fm值大小差异也极显著，Fv/Fm值大小依次为千屈菜0.8168>水葱0.8348>香蒲0.8262>菖蒲0.8198>芦苇0.8168>茭白0.8040>鸢尾0.7930。由此可见千屈菜、水葱较芦苇和茭白有较高的PSⅡ效率。7种湿地植物叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量水平差异极显著，芦苇和茭白叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量水平都较高，这在客观上解释了他们为何拥有较强的光合能力。 不同湿地植物的生物量大小差异极显著，平均生物量(干重)变化范围在0.26-6.65 kg m-2之间。除香蒲和水葱的地下部生物量显著大于地上部外，其余植物都是地上部生物量大于地下部，这非常有利于人工湿地生态工程中通过收获植物地上部生物量来达到去除氮、磷污染目的。 不同湿地植物植株氮、磷含量差异极显著。湿地植物对氮吸收总量变化范围为6.09-93.96 g m-2，吸收氮最高是芦苇，最低是菖蒲;对磷吸收总量变化范围为0.51-8.95 g m-2，吸收磷最高是香蒲，最低是菖蒲。经测算，植物吸收的总氮量占人工湿地总氮去除量的0.6-17.1%，总磷量占人工湿地总磷去除量的1.4-40.5%。本次试验中香蒲和芦苇对氮、磷的吸收去除能力比较高，茭白、鸢尾、水葱和千屈菜的吸收去除能力中等，而菖蒲的吸收能力较弱。

玉米农田土壤呼吸作用动态与模拟研究

利用动态密闭气室法(Licor-6400-09)，对锦州玉米生长季(5～9月)农田土壤呼吸作用动态及其影响因子进行连续两年的野外动态观测，分析表明，在植株尺度上，玉米地土壤呼吸作用存在明显的空间异质性，较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近玉米植株的地方。玉米地土壤呼吸作用的日变化为不对称的单峰型曲线，最小值和最大值分别出现在6:00～7:00和13:00左右。2005年玉米生长季土壤呼吸速率均值为3.16 µmol CO2 •m-2•s-1，最大值为4.77 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在7月28日，最小值为1.31 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在5月4日。 植物根系生物量的分布格局是影响土壤呼吸作用空间异质性的关键因素。土壤呼吸作用与根系生物量呈显著的线性关系，而土壤湿度、土壤有机质、全氮和碳氮比对土壤呼吸作用空间异质性的影响并不显著。在土壤呼吸作用日变化中，土壤呼吸速率(SR, µmol CO2 •m-2•s-1)与10 cm土壤温度(T, ℃)均呈显著的指数函数关系 。在季节尺度上，参数α和β是波动的，玉米净第一性生产力(NPP, g •m-2 •d-1)和生物量(B, g •m-2)分别为影响参数α和β季节性波动的主导因素。鉴于此，建立了方程 用以模拟土壤呼吸作用的季节变化。土壤温度、NPP和生物量共同影响着玉米生长季土壤呼吸作用的季节性变化，它们共同解释了土壤呼吸作用季节变化的93%。 小时尺度上，土环中的根系生物量是影响土壤呼吸速率空间变异的关键因子，土壤呼吸速率与根系生物量呈线性关系 ;日时间尺度上，土壤呼吸速率与根系生物量线性方程中的参数α和β是波动，土壤温度是影响α和β波动的主导因素，于是得到方程 。季节时间尺度上，土壤呼吸作用可表达为 ，土壤温度、土壤湿度和玉米NPP共同驱动着玉米生长季土壤呼吸作用的时间变化和空间变异，它们可以解释玉米生长季土壤呼吸作用时空变化的74%。 通过建立土壤呼吸作用与玉米根系生物量的回归方程，对根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了间接估算。玉米生长季根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43.1～63.6%之间波动，均值为54.5%。假定玉米果实和秸杆中的碳在收获期间没有从农田中转移走，2005年整个生长季玉米生态系统的碳收支为–1127.0 gC•m-2，碳交换速率在 0.52～-18.05 g C•m-2 •d-1 之间波动。玉米生长初期，玉米生态系统表现为C的弱碳源;玉米播种后35天一直到收获，玉米生态系统表现为碳汇。

库布齐沙漠两个不同土地利用类型生态系统呼吸比较研究

陆地生态系统的呼吸作用是全球碳循环的一个主要通量和响应全球变化的一个潜在的重要正反馈机制。研究陆地生态系统的呼吸作用特征及其对生物环境因子的响应具有重要意义。本实验利用涡度相关技术对内蒙古库布齐沙漠两个不同土地利用类型的生态系统（人工种植杨树林和天然的油蒿灌丛）2006年生长季（4-10月）的生态系统呼吸特征进行比较研究，并分析了控制生态系统呼吸（Re）的生物与环境因子。结果表明：在这两种生态系统中Re存在着显著的日变化和季节变化，两个生态系统之间Re也存在着显著差异。Re日平均最大值分别2.0 mol CO2 m-2 s-1和1.7 mol CO2 m-2 s-1，都显著低于其他类似生态系统。杨树林和油蒿灌丛的生态系统Re与空气温度都表现出明显的指数相关关系，温度敏感指数Q10分别为1.11和1.12。两个生态系统的Re都与土壤水分含量呈显著的线性正相关关系，表明库布齐沙漠的生态系统的Re受到了土壤水分条件的限制。杨树林和油蒿灌丛生态系统呼吸Re都与叶面积指数的有线性回归关系，说明叶面积指数对生态系统呼吸有很好的指示作用。 本文还选择了两个生态系统内四种常见的土壤覆盖类型（分别是：杨树林生态系统的沙地SL和低洼地BL;油蒿灌丛生态系统的灌丛间BS和灌丛内WS），利用动态密闭气室测定了5-9月土壤呼吸的季节动态以及植株尺度的小尺度空间异质性。结果表明：1）不同土壤覆盖类型的土壤呼吸存在着很大的差异，其中低洼地BL和沙地SL分别有着最大和最小值，灌丛内WS的土壤呼吸要明显高于灌丛外BS。根生物量是导致它们之间差异的主要原因。2）土壤呼吸与土壤含水量之间的线性关系表明，土壤水分是两个生态系统土壤呼吸的限制因子。3）两个生态系统土壤呼吸存在着明显的小尺度差异，在靠近植株（0.5m内）地方的土壤呼吸的值明显高于距植株0.5m外的值，而0.5m外的土壤呼吸没有显著差异。小尺度土壤呼吸与根生物量之间明显的线性关系，说明根生物量是导致小尺度土壤呼吸差异的原因。本实验对沙漠生态系统的土壤呼吸和生态系统呼吸特征及其影响因子的研究，对准确的估计这一地区的碳收支有很大的帮助，为深入的理解干旱半干旱地区的生态系统碳循环提供了有价值的信息。