Seasonal and interannual variation in water vapor and energy exchange over a typical steppe in Inner Mongolia, China

In this study, we conducted eddy covariance (EC) measurements of water vapor exchange over a typical steppe in a semi-arid area of the Inner Mongolia Plateau, China. Measurement sites were located within a 25-year-old enclosure with a relatively low leaf area index (similar to 1. 5 m(2) m(-2)) and dominated by Leymus chinensis. Energy balance closure was (H + LE) = 17.09 + 0.69 x (Rn - G) (W/m(2); r(2) = 0.95, n = 6596). Precipitation during the two growing seasons of the study period was similar to the long-term average. The peak evapotranspiration in 2004 was 4 mm d(-1), and 3.5 mm d(-1) in 2003. The maximum latent heat flux was higher than the sensible heat flux, and the sensible heat flux dominated the energy budget at midday during the entire growing season in 2003; latent heat flux was the main consumption component for net radiation during the 2004 growing season. During periods of frozen soil in 2003 and 2004, the sensible heat flux was the primary consumption component for net radiation. The soil heat flux component was similar in 2003 and 2004. The decoupling coefficient (between 0.5 and 0.1) indicates that evapotranspiration was strongly controlled by saturation water vapor pressure deficit (VPD) in this grassland. The results of this research suggest that energy exchange and evapotranspiration were controlled by the phenology of the vegetation and soil water content. In addition, the amount and frequency of rainfall significantly affect energy exchange and evapotranspiration upon the Inner Mongolia plateau. (c) 2007 Published by Elsevier B.V.

CO2H2O and energy exchange of an Inner Mongolia steppe ecosystem during a dry and wet year

We used an eddy covariance technique to measure evapotranspiration and carbon flux over two very different growing seasons for a typical steppe on the Inner Mongolia Plateau, China. The rainfall during the 2004 growing season (344.7 mm) was close to the annual average (350.43 mm). In contrast, precipitation during the 2005 growing season was significantly lower than average (only 126 mm). The wet 2004 growing season had a higher peak evapotranspiration (4 mm day(-1)) than did the dry 2005 growing season (3.3 mm day(-1)). In 2004, latent heat flux was mainly a consumption resource for net radiation, accounting for similar to 46% of net radiation. However, sensible heat flux dominated the energy budget over the whole growing season in 2005, accounting for 60% of net radiation. The evaporative rate (LE/R-n) dropped by a factor of four from the non-soil stress to soil water limiting conditions. Maximum half-hourly CO2 uptake was -0.68 mg m(-2) s(-1) and maximum ecosystem exchange was 4.3 g CO2 m(-2) day(-1) in 2004. The 2005 drought growing stage had a maximum CO2 exchange value of only -0.22 mg m(-2) s(-1) and a continuous positive integrated-daily CO2 flux over the entire growing season, i.e. the ecosystem became a net carbon source. Soil respiration was temperature dependent when the soil was under non-limiting soil moisture conditions, but this response declined with soil water stress. Water availability and a high vapor pressure deficit severely limited carbon fixing of this ecosystem; thus, during the growing season, the capacity to fix CO2 was closely related to both timing and frequency of rainfall events. (c) 2007 Published by Elsevier Masson SAS.

放牧对典型草原土壤-植物系统中碳、氮、磷库特征的影响

放牧是内蒙古典型草原最主要的利用方式。放牧已对草原生态系统的结构和功能产生了巨大的影响。本论文研究了放牧对内蒙古典型草原土壤-植物系统中碳、氮、磷库特征的影响，结果表明： （1）草地开垦已使土壤C、N贮量显著损失。放牧已使羊草草原土壤C贮量表现出下降的趋势，大针茅草原没有表现出这种变化趋势。 （2）放牧尚没有使土壤全N发生显著变化，但土壤N素一些组分的比例发生了变化。放牧后，土壤NH_3-N下降，酸不溶态N比例有所提高;放牧使Fe-P比例显著降低。 （3）蒙古草原土壤微生物量C、N与土壤有机C、全N、降雨量、温度均表现出了很好的相关性。放牧对微生物量的影响与不同草原类型和放牧率有关。 （4）放牧使土壤养分元素的空间异质性加大。退化草地恢复过程中小叶锦鸡儿灌丛诱导了植物组成、生物量和土壤化学元素含量在空间上的分异，这种生态效应有利于退化草地的恢复。 （5）不同放牧强度对土壤C、N、P库和植物系统中C、N、P含量的影响不同。放牧使植物系统地上部C含量下降，N、P含量提高。高强度的放牧使土壤N、根系中的N素向表层相对聚集，表现出明显的表聚化现象。植物C/N、C/P比在中、重度放牧强度下最低，此时植物残体分解速率最高，极度放牧最终C、N循环速率减小。不考虑放牧率，研究放牧对土壤C、N、P含量的影响可能会得出矛盾的结论。 （6）放牧草地中低等植物地衣、蓝细菌在元素化学循环中的作用提高。地衣Xanthoparmelia camtschadalis （Ach.）的生物量在经度放牧草地中最高，其体内C、N含量与放牧率的关系与维管植物相似。退化草地中蓝细菌可能是最重要的N素来源。

羊草草原群落氮素平衡和碳水化合物贮藏对氮素添加的响应

草地在世界各种不同的气候带和土壤类型区均有分布，约占陆地面积的24%。尽管二十世纪中叶以来，人类通过各种措施，使氮素由大气圈进入生物圈的量已经翻了一翻，但是，草地生态系统由于没有得到足够的氮素补充，其生产力至少是季节性地受到氮素的制约。我国草原生态系统的退化与氮素匮乏已经引起了广泛重视。尽管一些研究者的工作已经涉及到氮素循环的一些方面，但是关于草原生态系统的氮素平衡过程的系统研究迄今尚未开展。地下器官中贮藏养分的积累是多年生牧草抵御不良环境条件的物质保障，碳水化合物是我国典型草原植物重要的贮藏营养物质。但是关于我国草原生态系统贮藏养分的研究还相当匮乏。值得一提的是，不合理的人类活动也加剧了草地生态系统氮素的损失，甚至对全球环境和人类健康产生了重要影响。为此，我们在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的羊草样地设计了氮素添加试验，采用15N稀释法对典型草原羊草群落的氮素吸收利用、氮素平衡进行了研究，并就氮素添加条件下，植物氮素利用与植物竞争的关系、氮素吸收分配与牧草生物产量与品质的关系进行了探讨。同时采用高效液相色谱对羊草群落植物贮藏碳水化合物的种类与含量进行了测定。 15N稀释法的试验结果表明：我国典型草原羊草群落吸收的氮素平均16.41%来源于肥料，83.59%来源于土壤。氮素添加不仅显著促进了羊草群落地上器官对肥料氮索和土壤氮素的吸收量，而且促进了地下器官对肥料氮素和土壤氮素的吸收量。生物量达到最大时，羊草群落吸收的氮素分配到地下器官中的比例平均为74.85%，分配到地上器官中的比例平均为25.15%。植物吸收的肥料氮素在地上和地下器官之间的分配比例约各占50%。 在我国典型草原羊草群落，植物对肥料氮素的回收率仅为31.61%，氮素添加显著影响羊草群落植物对肥料氮素的回收，随着氮素添加量的提高，地上和地下植物器官对肥料氮素的回收量均显著提高。凋落物的肥料氮素回收率为2.92%，地下凋落物的回收率显著高于地上凋落物。肥料氮素的土壤存留率为36.16%，主要分布在地表至40cm的土层范围内(>95%)。各土层存留的标记肥料氮素量均随着氮素添加量的增加而显著提高。肥料氮素的当季损失率为21.77%-43.38%。风险：收益分析表明，在本试验条件下，添加5.25gN/m2与28gN/m2的处理风险大于收益，添加17.5g/m2的处理风险最低，收益最高，在草原生态系统的管理中可以参考。 为了了解羊草群落植物的竞争能力是否对羊草群落植物的相对多度有影响，我们对不同盖度的10个物种的15N吸收速率、15N分配、植物组织氮素含量、单株生物量、根／冠比、氮素生产力等反映植物竞争能力的指标进行了测定和分析。发现向根系的氮素分配比例、根／冠比、和氮素生产力与植物的相对盖度显著正相关，向地上器官的氮素分配比例、氮素吸收速率与相对盖度呈显著负相关，而植物组织氮素含量、和单株生物量与植物相对盖度无关。 试验前，我们认为氮素吸收速率应该与植物的相对多度显著正相关，但是本试验发现却是显著负相关。这一结果说明，高的氮素吸收速率并不能代表较高的竞争能力，而是稀少植物能够与优势植物共存的一种生理机制。 氮素的吸收与分配显著地影响牧草的生物产量和品质。氮素添加提高了羊草生物量，促进了生物量向地上器官的分配比例，降低了向根系的分配比例，使根／冠比显著降低。氮素添加促进了羊草对氮素的吸收以及向茎叶中的分配比例，降低了向根系的分配比例，提高了羊草各器官的氮素含量和地上器官的蛋白质含量，对根系的蛋白质含量无显著影响。本试验条件下，氮素添加水平为17.5gN/m2时，羊草根、茎、叶生物产量均最高。与17.5gN/m2的处理相比较，添加28gN/m2的处理，羊草的生物产量以及牧草蛋白质含量均无显著差异。初步认为，本实验条件下，17. 5gN/m2是较为适宜的氮素添加量。 地下器官中贮藏养分的积累是多年生牧草抵御不良环境条件的物质保障，碳水化合物是我国典型草原植物重要的贮藏营养。采用高效液相色谱(HPLC)对羊草群落地下器官的贮藏性碳水化合物进行了分析。结果表明，羊草群落地下贮藏碳水化合物种类主要包括甘露糖醇、果聚糖、蔗糖、葡萄糖和果糖。其中甘露糖醇是最主要贮藏碳水化合物，约占60%;其次是果聚糖，约占30%。氮素添加量对羊草群落地下贮藏碳水化合物有显著影响。在0～50 g NH4N03. m-2.yr-1范围内，随着氮素添加量的增加，总糖、果聚糖、甘露糖醇的含量均逐渐升高。氮素添加时期对羊草群落地下贮藏碳水化合物含量亦有显著影响。7月初（雨季）添加氮素比4月份（牧草开始返青）更有利于牧草地下贮藏碳水化合物的积累。 对羊草根茎中的贮藏性碳水化合物的测定结果表明，羊草根茎中的贮藏碳水化合物组分主要包括果聚糖、甘露糖醇、蔗糖、葡萄糖和果糖。其中果聚糖是最主要贮藏碳水化合物，约占60%：其次是甘露糖醇，约占20%。氮素添加量对羊草根茎中的贮藏碳水化合物有显著影响。在0～17.5 g N/m2范围内，随着氮素添加量的增加，总糖、果聚糖、甘露糖醇的含量均逐渐升高。氮素添加时期对羊草根茎中的贮藏碳水化合物的含量亦有显著影响。在7月初添加氮素比4月份添加氮素更有利于贮藏碳水化合物的积累。

植物N;P计量化学：中国高等之外的分异规律与野外试验初步验证

元素化学计量学指从化学计量学的角度出发，通过分析比较生命物质不同结构层次（分子、细胞、器官、机体、种群、群落等）或生态系统中元素的相对比值，来研究各层次相互之间以及生态学过程中元素之间的关系。生态化学计量学研究可以把生态实体的各个层次存元素水平上统一起来，足近年来新兴的一个生态学研究领域，广泛应用于生态学研究中。C，N，P是生物地球化学循环中的重要元素，在生态系统中占有重要地位，许多环境问题都与它们有关，由此这三种元素的化学计量学受到生态学家们的普遍关注。C:N:P化学计量学在水生生态系统中研究较为深入，目前已发展到染色体水平，而在陆地生态系统中的研究较为匮乏近年来由于人类活动的强烈影响，这三种元素的循环在速度和规模上都发生了前所未有的改变，导致一系列环境问题的出现，因此C：N:P化学计量学在陆地生态系统中的研究就显得尤为重要。作为地球生命存在基础的绿色植物，在地球上已有数亿年的演化历史，研究陆地植物的元素化学计量学不仅有助于深入了解植物存在于地球上的内在机制，而且可以为许多环境问题的解决提供理论依据。本文首先建立中国不同地区植物氮磷含量数据库，通过数据分析找出一般规律，并进一步揭示植物不同进化阶段N:P化学计量比的变化规律。在此基础上，通过在内蒙古羊草草原设立不同施肥样地来模拟自然界不同氮磷环境，从试验水平上研究不同施肥处理及施肥梯度下生态系统中氮、磷、有机质的变化规律，并从化学计量学角度研究其内在机制。 利州新建成的中国维管植物数据库（包含1603种植物）研究了不同进化水平以及不同功能群（生活型）间植物N:P比的变化规律，并沿胡焕庸线（胡线）把中团分为为东西两部分，从总体水平上对比了东、西部间叫植物氮磷含量以及N：P的异同。结果表明：l）从演化水平来看，尽管氮磷含量表现出极大的差异，除豆科植物外，植物N：P基本保持稳定水平;2）木本植物与草本植物的N：P比差异．显著，木本植物之间（常绿乔木，常绿灌木，落叶乔木，落叶灌木）N：P不具有显著差异;3）中国东西部植物养分含量和N：P比表现出极显著差异，东部的养分含量低于西部，而N:P显著高于西部。 在内蒙古羊草草原两块永久实验样地（样地A：1980年围封样地和样地B：1999年田封样地）进行了为期两年的N素和P素添加试验。氮素添加梯度为0，5，15，30，50，80 g NHN03.m.2.yr-1。P素添加梯度为0，2，4，8，16，and 32 g P2Osm-2 yr-1（仪分析了羊草器官的结果）。分别从植物器官、物种、功能群水平研究了N素添加对N:P化学计量学的影响，此外还研究了土壤和凋落物C：N:P化学计量学对N素添加的响应。结合生物量的变化趋势，探讨了元素化学计量学对养分状况的指示作用。 1．羊草器官对施肥的响应结果表明，添加N素可以显著提高羊草器官中的含N量，p素可以显著提高器官中的含P量：除2001年样地A中的根茎外，根茎中的含P量基本不受N素添加的影响;茎中的含P量同样表现出不受N素添加影响的趋势（2000年B区茎除外）：N素添加可以显著增大羊草叶片中的含P量(B区2000年叶片除外)。P素添加对羊草器官的含N量没有影响;羊草器官中的氮磷含量施肥处理下表现出显著的正相关关系（N素添加下B区叶片除外）。N素添加对羊草器官的N:P比没有显著影响（A区茎2000年和B区叶片2000年除外）：P素添加显著降低了羊草器官中的N:P比。 2．四种优势植物（羊草、羽茅、针茅和苔草）地上生物量和N:P化学计量学对氮肥的响应研究发现，四个物种的氮磷含量均具有极显著相关关系;氮肥可以显著提高样地A中的羽茅生物量，降低苔草的生物量，而使样地B中的羊草生物量增大;两块样地中，四个物种的氮磷含量及N：P比均随N素水平的增高而增大（样地A中的羽茅N:P比除外）。 3．基于生活型划分的功能群（多年生根茎禾草，多年生丛生禾草，豆科植物，多年生杂类草，一二年生植物，灌木和半灌木）对N素添加的响应研究表明：施N可以提高样地A中的多年生丛生禾草的生物量，而使样地B中的多年生根苇禾草增加;多年生杂类草的相对多度在两个样地中均随施氨水平的增加而显著 降低：在样地B中，施氮可以显著提高不同功能群的氮磷含量;在样地A中，功能群N、P含量对施肥的响应并没有一致的变化规律，添加N素可以显著提高不同功能群的含N量（豆科植物除外），多年生根茎禾草和多年生杂类草的P含量有显著增大的趋势（P < 0.005），而其它功能群（豆科植物、灌木和小半灌木、多年生杂类草和～二年生杂类草）的P含量基本恒定（P>0.05）;在样地A中，多年生丛生禾草，多年生杂类草，一二年生植物，灌木和半灌木的N：P比随施氨水平的增加而显著增大，多年生根茎禾草和豆科植物的N:P比基本不变;在样地B中，多年生丛生禾草的N:P比随施氨水平的增加而显著增大，多年生根茎禾草、多年生杂类草和…二年生杂类草不受施氨水平的影响。 4．添加N素对根实验结果表明：两块样地中，上层根(0-10 cm)的生物量仅在施N后第一年显著增加，而下层根(10-20 cm)的地下生物量在两年的施N处理下均不受施肥梯度的影响i在样地A中，施肥后第一年对根的N、P含量影响不显著，施肥后第二年可以显著增大上层根的N、P含量;在样地B中，添加N素后第一年可以显著增大根的含P量; 在两个样地中，两年的N肥处理对根的N：P比没有显著影响：在施氨处理中，根的N、P含量及N:P比在施肥第一年的响应要高于第二年。 5．所有处理中，上层土壤(O-lO cm)养分含量（有机碳，全氮，全磷）均高于下层土壤（10-20 cm）;在样地A中，氮素添加对r十壤有机碳没有显著性作用，在施肥第一年可以显著增加上层土壤的N、P含量，而在施肥后第二年对土壤N、P含量没有显著影响;在样地B中，添加N素对两年的土壤养分均没有显著影响：养分添加两个样地土壤中的元素比值（C:N比，C:P比，N:P比）没有显著影响;土壤养分对施N一年后的响应要高于第二年。 6．养分添加对凋落物化学特征及化学计量学特征的影响研究结果表明：凋落物现存量不受施肥的影响;2001年凋落物现存量与2000年和2001年的地上生物量相关关系不显著;添加N素可以显著提高凋落物的N含量，而对有机碳含量和P含量没有显著影响;凋落物C：N比随施肥梯度的增大而显著降低，N:P比显著增高，而C:P比没有明显变化。 以上研究结果表明，不同植物功能群的N:P比存在差异，人类活动强烈影响自然植被中的植物N：P比;但植物的N：P比不受植物进化的影响（豆科植物除外）;由于植物已有数亿年的演化历史，同时N与P在植物的结构和功能上具有密切的联系，在生物地球化学循环中办存在耦合作用。因此植物N：P比值恒定可能是一普适性规律。 N素添加试验表明，在植物根、地上器官、物种和功能群水平上N与P均呈显著正相关关系，反映了植物体内的氮磷含量具有协同作用。共存种对N肥的响应不同，表明物种受不同元素的制约。因此除非把生态系统中所有物种对施肥的响应刻画清楚，笼统的认定生态系统缺乏某种元素是不适当的。 施肥试验表明，两种围封时间样地的主要限制性元素不同。极度退化(样地B)植物生长主要缺N，而在保护较好样地(样地A)，P也逐步成为一种限制因素。反映了随着保护时间的增加，植物生长逐渐由N限制型向N、P共同限制型过渡。添加的养分要么被植物吸收，挥发到大气中，或以凋落物的形式返还到土壤表层。但是对养分的预算有待于进一步研究。土壤中的养分含量对N素添加有…个滞后效应，而植物响应较为迅速。功能群N:P比在施肥实验中不能保持恒定，可能是由于实验时间较短的缘故;化学计量学的研究表明羊草草原分解凋落物的微生物受P素的制约，可能是由于植物体内具有高的P素再转运机制。这一结论有待于进一步的验证。氮肥降低了凋落物的C:N比，因此凋落物的分解速率可能将要发生改变。这需要进一步开展C循环的研究。

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。

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。

典型草原土壤性状变化对灌丛化的响应

以草原和稀树草原中木本植物多度的增加为特征的草地灌丛化，是全球范围普遍发生的现象，但灌丛化的生态学效应目前仍存在争议。对灌丛化草地生态系统特征与过程的研究，将有助于我们进一步了解草地生态系统的退化和恢复机理，为退化草原恢复与管理实践提供理论依据。 本研究以位于内蒙古锡林河流域, 一个经23年围封恢复、具有明显灌丛化特征的草原生态系统为研究对象，通过分析小叶锦鸡儿灌丛及其相邻草本群落下的土壤容重、机械组成、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和无机氮(IN)的差异，确定小叶锦鸡儿灌丛对草原土壤物理化学性状的影响。主要结果如下： （1）小叶锦鸡儿灌丛化增加了表层土壤（0-5 cm）粗粒级颗粒的比例，降低了浅层土壤（0-20 cm）的容重，较大灌丛下10-20 cm土层仍存在这种现象。这至少部分归因于灌丛对凋落物的截获积聚，以及小叶锦鸡儿的根系分泌物在质和量上较之草本植物的不同，促进了土壤团聚体的发育。 （2）小叶锦鸡儿灌丛斑块引起了典型草原生态系统土壤有机碳、全氮和无机氮的空间分布的变化。在浅层土壤中（0-20cm），由灌丛斑块内部向外部SOC、TN和IN均趋于降低。随小叶锦鸡儿灌丛大小（存在时间）的增加，0-20 cm和60-100cm土层SOC和TN均有增加趋势。 （3）除表层（0-5cm）外，小叶锦鸡儿大灌丛与邻近草地土壤C/N比值无显著差异。 总之，小叶锦鸡儿灌丛不仅改变了草原土壤的物理性状，而且提高了灌丛下土壤有机碳和氮的含量，改变了草原生态系统C、N的空间分布格局，表明草原灌丛化明显改变了草原生态系统的碳氮循环。基于草原约占陆地面积的40%以及全球草地灌丛化普遍存在的事实，这种伴随草原灌丛化发生的土壤有机碳和氮的变化可能会对全球碳氮循环和气候有显著影响。

克氏针茅草原的碳通量与碳收支

植被和大气之间CO2通量的长期观测有助于理解陆地生态系统的碳循环及其控制机理，评价生态系统碳循环及其对未来气候变化的响应。本研究以中国北方克氏针茅草原为研究对象，以涡度相关法为主要技术手段，利用克氏针茅草原观测站碳通量的长期连续观测数据，探讨了环境因子在不同时间尺度上对克氏针茅草原光合生产力(GEP)、系统呼吸(Re)和净CO2交换(NEE)的影响，分析了克氏针茅草原碳通量的季节变化和年际碳收支动态。主要得到以下结论： (1) 温度和土壤水分是调控克氏针茅草原光响应曲线的关键环境因子。10-20oC是克氏针茅草原瞬时GEP的最适温度，15-20oC是日GEP的最适温度。GEP日总值随土壤水分的增加呈二次曲线关系，当土壤含水量(SWC)超过0.2 m3m-3时，GEP日总值不再增加。 (2) 克氏针茅草原Re同时受温度和土壤水分的控制。降雨脉冲对短期系统呼吸有激发作用。Lloyd & Taylor方程对Re的拟合效果好于指数方程。 (3) 克氏针茅草原表现出白天净碳吸收和夜间净碳释放的日变化特征，并且往往出现上午碳吸收强、下午碳吸收弱的不对称现象。降雨的季节分布通过SWC的季节变异间接影响克氏针茅草原NEE的季节变化。在日尺度上，NEE主要受温度和土壤水分的控制，10-20oC的空气温度有助于克氏针茅草原吸收CO2。在月尺度上，NEE主要受土壤水分的控制。 (4) 生长季的长度是决定克氏针茅草原源汇变化的关键因子。 (5) 克氏针茅草原的GEP、Re和NEE都具有非常明显的季节变化。冬季或干旱胁迫下量级较低，温暖和湿润季节的量级较高。干旱胁迫同时抑制植被的GEP和Re，对GEP的抑制强度更大，随着土壤水分的下降，不同尺度的NEE累积值逐渐向正值转变，即生态系统由碳汇转变为碳源。 (6) 克氏针茅草原2005年降雨量只有174mm，当年GEP和Re也是三年中最低的，只有101和169gCm-2yr-1;2006年降雨量为215mm，GEP和Re是三年中最强的，分别为149 和187gCm-2yr-1;2004年降雨量为297mm，接近多年平均，但大部分降雨发生在8、9月份，GEP和Re分别为141和190gCm-2yr-1。 (7) 克氏针茅草原在2004、2005和2006年碳收支分别为：49、68和37 gCm-2yr-1。未来全球气候的变暖可能对克氏针茅草原的碳汇功能产生负面影响，降雨的季节不均匀分布可能加强这种影响。