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高寒草地沙化过程土壤碳氮储量变化及其驱动机制

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生态学报 2024年第15期44卷 6642-6651页

作者：宗宁缪雨珏中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题。草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响。为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草... 详细信息

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题。草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响。为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素。研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69%和55%,P研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动。沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持。

关键词：沙化草地西藏高原理化性质驱动因子

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垫状点地梅对生长季土壤净氮矿化和酶活性的影响

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Journal of Resources and Ecology 2024年第2期15卷 422-430页

作者：邢硕何永涛牛犇徐兴良宋茜王英凡中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室拉萨高原生态试验站北京100101 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学资源与环境学院北京100190 辽宁师范大学辽宁大连116029

垫状植物是高寒生态系统中一类独特的物种,具有厚实的多年生垫状体,可以改善局部微环境,从而对生长于其内部的其他物种起到保育作用,被称为高寒生态系统的工程师,其中对土壤养分有效性的改变是其保育作用的重要途径,但关于这一过程的研... 详细信息

垫状植物是高寒生态系统中一类独特的物种,具有厚实的多年生垫状体,可以改善局部微环境,从而对生长于其内部的其他物种起到保育作用,被称为高寒生态系统的工程师,其中对土壤养分有效性的改变是其保育作用的重要途径,但关于这一过程的研究目前还很少。本研究选择青藏高原广泛分布的垫状点地梅(Androsace tapete),在西藏当雄念青唐古拉山脉南坡4500 m和4800 m两个海拔设置样地,通过动态测定垫状点地梅覆盖下土壤和无垫状点地梅生长的对照草地土壤在生长季中的无机氮含量、净氮矿化速率以及土壤酶活性,对比分析垫状点地梅对土壤氮素有效性的影响。结果表明:(1)土壤中硝态氮和铵态氮含量在4500 m样地无显著差异,但在4800 m样地,垫状点地梅覆盖下土壤的硝态氮与无机氮含量在生长季中期有显著增加,其中硝态氮比对照草地增加了56%,无机氮则增加了74.5%;(2)垫状点地梅还改变了土壤中氮的矿化趋势和速率。在4500 m样地,垫状点地梅覆盖下土壤净氮矿化在生长季中期为负值(氮固定),速率为-0.11μg g^(-1)d^(-1),而对照草地土壤则为正值(氮矿化),速率为0.61μg g^(-1)d^(-1),二者差异显著;在生长季初期和末期二者均为正值,但差异未达到显著水平;在4800 m样地,垫状点地梅覆盖下的土壤在生长季初期的净氮矿化为正值,速率为0.07μg g^(-1)d^(-1),而对照草地土壤则为负值,速率为-1.17μg g^(-1)d^(-1),差异达到了显著水平;生长季中期二者均为负值,但垫状点地梅覆盖下土壤净氮矿化速率(-1.95μg g^(-1)d^(-1))显著低于对照草地土壤(-0.02μg g^(-1)d^(-1));在生长季末期二者也均为负值,且差异不显著。(3)垫状点地梅覆盖下土壤中的硝酸还原酶与亚硝酸还原酶活性显著提高。与对照草地土壤相比,4500 m样地垫状点地梅覆盖下土壤中的硝酸还原酶活性提高了9.1%,亚硝酸还原酶活性提高了15.7%;4800 m样地两种酶的活性则分别提高了22.5%和16.1%,而这两种酶的活性与土壤中无机氮的动态变化显著相关。以上结果表明,与对照草地相比较,垫状点地梅会改变土壤中的氮矿化过程和无机氮含量,但存在着季节上的动态变化,且不同样地之间也存在差异,说明这种作用不仅受垫状植物生态工程师效应的影响,还会受到外部环境变化的影响。并且垫状点地梅的工程师效应在整个生长季出现了不同程度的变化,尤其是在如今全球变暖的大背景下,青藏高原也正在加速变化,因此需要更多的研究来阐明其变化过程。

关键词：垫状植物垫状点地梅无机氮净氮矿化青藏高原

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微塑料对湖泊生态系统初级生产者的影响

生态学报 2024年第11期44卷 4465-4477页

作者：吴凡哈咸瑞黎佳佳高扬中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

塑料的广泛应用导致大量微塑料进入环境,尤其是水环境,从而产生环境风险。浮游植物等自养生物是湖泊系统的主要初级生产者,是湖泊食物链的关键组成部分,为食物链的上游提供能量和物质基础。同时,浮游植物也是对微塑料响应最敏感的类群... 详细信息

塑料的广泛应用导致大量微塑料进入环境,尤其是水环境,从而产生环境风险。浮游植物等自养生物是湖泊系统的主要初级生产者,是湖泊食物链的关键组成部分,为食物链的上游提供能量和物质基础。同时,浮游植物也是对微塑料响应最敏感的类群。了解湖泊浮游植物等初级生产者对微塑料的响应是探究微塑料对湖泊生态系统功能影响的重要基础。总结了全球湖泊生态系统微塑料的丰度、类型、尺寸、来源等分布特征,系统分析了微塑料暴露对浮游植物等初级生产者细胞结构、基因表达和生长,以及对浮游植物叶绿素a含量、光合活性的影响,并总结了其中的影响机制。总体而言,微塑料会降低初级生产者的叶绿素a含量,剂量越高、尺寸越小,这种抑制作用越强烈;同时,微塑料也会作用于初级生产者,造成细胞膜损伤、DNA损伤,调控其相关功能基因表达,抑制其生长和光合活性等。然而,湖泊生态系统微塑料的实际检出浓度远低于室内暴露实验中的添加剂量,微塑料结构和组分也更为复杂,野外观测结果与室内培养实验之间还不能建立直接的对应关系。因此,未来的相关研究应集中在如何有效联系野外观测结果与室内培养实验结果,进一步聚焦建立可靠的、可应用推广的微塑料浓度与初级生产者之间的剂量-效应关系模型,探究微塑料对湖泊初级生产者的作用机制,为刻画微塑料对湖泊生态系统初级生产者及其功能的作用机制提供科学支撑。

关键词：微塑料浓度初级生产者细胞结构光合作用叶绿素a 剂量-效应关系

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泥炭地土壤氮排放对气候暖干化响应研究进展

应用生态学报 2024年第6期35卷 1725-1734页

作者：周易程淑兰方华军杨艳郭一帆李玉娜史方颖王慧陈龙中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统观测与模拟重点实验室北京100101

气候暖干化导致高寒地区泥炭地土壤氮排放急剧增加,但是潜在的微生物调节机制尚不清楚。本文综述了高寒泥炭地土壤氮转化与排放过程对温度升高、水位变化的响应,土壤厌氧氨氧化(Anammox)与NO_(3)^(-)异化还原过程的相互作用,土壤N_(2)O... 详细信息

气候暖干化导致高寒地区泥炭地土壤氮排放急剧增加,但是潜在的微生物调节机制尚不清楚。本文综述了高寒泥炭地土壤氮转化与排放过程对温度升高、水位变化的响应,土壤厌氧氨氧化(Anammox)与NO_(3)^(-)异化还原过程的相互作用,土壤N_(2)O产生路径及其贡献。当前研究的不足体现在:1)只关注土壤N_(2)O排放,忽视了N_(2)的释放,导致高寒地区泥炭地氮的损失量被严重低估;2)Anammox过程对泥炭地N2排放的贡献未被量化;3)Anammox、细菌反硝化和真菌协同反硝化过程对N_(2)损失的相对贡献缺乏定量评估;4)气候暖干化情景下Anammox和NO_(3)^(-)还原过程的解耦机制尚不清楚。未来研究重点应着力于:构建野外增温、水位控制暖干化模拟试验平台,结合稳定性同位素、分子生物学和宏基因组学技术,围绕格局-过程-机理这条主线,系统评估高寒地区泥炭湿地氮排放(N_(2)O、N_(O)、N_(2))的量级、组成比例与主控因素,探讨土壤主要脱氮过程的相互作用规律,量化硝化、厌氧氨氧化和反硝化对N_(2)O、N_(2)产生的相对贡献,甄别对暖干化响应敏感的微生物类群,明晰土壤脱氮转变与微生物群落演替之间的耦联关系,揭示土壤脱氮过程对气候暖干化响应的微生物学机理。

关键词：土壤氮排放硝化厌氧氮转化功能微生物群落北方泥炭地

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鄱阳湖越冬雁类时空分布特征及热点区域识别

湖泊科学 2024年第3期36卷 836-845页

作者：王晨溪夏少霞余定坤于秀波龚磊强中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 江西省鄱阳湖国家级自然保护区管理局南昌330038 中国科学院大学北京100049

鄱阳湖是东亚—澳大利西亚迁徙路线上重要的水鸟越冬栖息地,雁类是迁徙路线上的优势种群。然而,近年来迁徙路线上的雁类种群数量有所下降,识别越冬地雁类时空分布特征,确定分布热点区域是科学、精准保护的前提。本研究利用2018—2021年... 详细信息

鄱阳湖是东亚—澳大利西亚迁徙路线上重要的水鸟越冬栖息地,雁类是迁徙路线上的优势种群。然而,近年来迁徙路线上的雁类种群数量有所下降,识别越冬地雁类时空分布特征,确定分布热点区域是科学、精准保护的前提。本研究利用2018—2021年越冬期在鄱阳湖区域开展的共58次水鸟调查数据,提取了基于时间序列的白额雁(Anser albifrons)、豆雁(Anserfabalis)、鸿雁(Anser cygnoid)的分布数据,分析了3种雁类在越冬地的种群动态、时间和空间分布动态,评估了鄱阳湖各子湖的重要性,确定了雁类分布热点区域。研究结果表明,3种雁类在越冬地的种群数量表现出一定的年际波动,雁类种群总数量维持在27.9万~44.8万只;不同雁类迁徙的时间节律存在差异,本次地面调查数据显示白额雁、豆雁、鸿雁分别是在10月初至11月初、11月中旬、12月中旬到达鄱阳湖,其中鸿雁到达最晚;高峰期集中在11月底至次年2月初,持续时间约为100天;3种雁类分别在2月中旬、2月底和3月中旬开始迁离鄱阳湖。3种雁类空间分布范围有所差异,豆雁分布范围最广,白额雁分布相对集中,高峰期雁类的分布范围最大,对子湖的利用强度也最大。从空间分布特征来看,大湖池和大汊湖重要性最高,鄱阳湖保护区是雁类利用强度最高的区域,其次是都昌保护区。此外,雁类,特别是鸿雁,对保护区以外的子湖利用强度也较高。本研究对精准刻画鄱阳湖越冬雁类时空分布范围、针对性地开展栖息地保护和修复、加强子湖保护和管理具有重要意义。

关键词：鄱阳湖越冬雁类时空分布重要性评估热点区域

耦合叶肉导度的陆面过程模型最大叶肉导度参数的敏感性分析

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生态学报 2024年第1期44卷 271-282页

作者：陈美玲袁国富陈报章中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 气象防灾减灾湖南省重点实验室长沙410118

陆面过程模型添加叶肉导度能有效改善模型模拟的CO_(2)施肥效应精度,但叶肉导度模拟受最大叶肉导度参数取值的影响,优化模型中最大叶肉导度参数是改进陆面过程模型叶肉导度和CO_(2)施肥效应模拟的重要途径。以EALCO(Ecological Assimila... 详细信息

陆面过程模型添加叶肉导度能有效改善模型模拟的CO_(2)施肥效应精度,但叶肉导度模拟受最大叶肉导度参数取值的影响,优化模型中最大叶肉导度参数是改进陆面过程模型叶肉导度和CO_(2)施肥效应模拟的重要途径。以EALCO(Ecological Assimilation of Land and Climate Observations)模型为例添加叶肉导度,通过人为改变最大叶肉导度值的取值,分析模型输出结果对最大叶肉导度的响应,揭示最大叶肉导度参数在模型中的敏感性,并与已有研究结果或观测数据比较,探讨耦合叶肉导度的陆面过程模型最大叶肉导度参数优化的途径。模拟试验以美国哈佛森林典型温带落叶阔叶林生态监测站(US-Ha1 site, Harvard Forest Environmental Monitoring site)数据为驱动。结果显示:(1)随最大叶肉导度增加,总初级生产力(GPP, Gross Primary Production)模拟精度增加,但最大叶肉导度取值大于1.0 mol m^(-2)s^(-1)后模拟精度改善有限,最大叶肉导度小于1.0 mol m^(-2)s^(-1)时GPP模拟精度对最大叶肉导度变化响应敏感;(2)证实了叶肉导度与气孔导度之间存在明显线性关系,最大叶肉导度取值的变化能明显影响这种线性关系的斜率。当最大叶肉导度取值从0.5 mol m^(-2)s^(-1)增加到1.2 mol m^(-2)s^(-1)时,气孔导度与叶肉导度的比值从0.75左右降至0.36,这个结果表明,通过明确某一植被功能型叶肉导度与气孔导度比值,可以间接确定模型最大叶肉导度的合理取值范围;(3)证实了陆面过程模型添加叶肉导度能改进CO_(2)施肥效应模拟精度,最大叶肉导度值能影响施肥效应模拟结果,当最大叶肉导度高于0.57 mol m^(-2)s^(-1)后,随最大叶肉导度增加,模拟GPP随大气CO_(2)浓度增加的增长率呈下降趋势;(4)在月尺度上叶肉导度模拟对最大叶肉导度值的敏感性随不同生长季而不同,在生长盛期的7、8月份最大叶肉导度对叶肉导度模拟结果影响最大,其次是5、6、9月份等生长次盛期,其他月份的影响较小。

关键词：陆面过程模型最大叶肉导度 GPP增长率叶肉导度 EALCO模型

CMIP6气候变化情景下青海三江源区雪灵芝潜在适宜分布预测

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草业科学 2024年第4期41卷 790-801页

作者：张秀娟王彤新杨妍希张庭康左婵王军邦长江大学园艺园林学院湖北荆州434025 中国科学院地理科学与资源研究所/生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101

青海省三江源区是我国重要的生态安全屏障,气候变化严重影响区域植被的生长与分布。雪灵芝(Arenaria kansuensis)作为三江源区典型高山植物,其分布动态变化对高山生态系统稳定具有重要指示意义。基于物种分布数据和WorldClim气候环境因... 详细信息

青海省三江源区是我国重要的生态安全屏障,气候变化严重影响区域植被的生长与分布。雪灵芝(Arenaria kansuensis)作为三江源区典型高山植物,其分布动态变化对高山生态系统稳定具有重要指示意义。基于物种分布数据和WorldClim气候环境因子,采用刀切法与相关分析确定影响雪灵芝分布的主导环境因子并构建MaxEnt模型,结合第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中的4种共享社会经济路径(SSPs)预测未来中期(2041-2060年)和远期(2061-2080年)雪灵芝潜在适宜分布区域,探求雪灵芝气候变化响应的空间格局。结果表明:1)当前气候条件下,中部地区更适合雪灵芝生存。在未来中、远期区域竞争路径(SSP370)气候情景下适宜区面积扩张,而其他情景下适宜区面积均下降,适宜区质心整体向东南迁移。2)大部分地区在中间路径(SSP245)气候情景下不适宜生存,尤其是西部治多县、格尔木市南部(唐古拉山乡)、曲麻莱县及东部的兴海县和共和县。3)影响其空间分布的主要气候因子为年降水量和最冷季降水量。最适宜生长的地区条件是年降水量500~750 mm和最冷季降水>15 mm。研究结果为预测未来气候变化情景下高寒地区指示植物物种的空间分布及其生态系统变化提供了方法参考,也为青海省濒危植物物种保护政策提供了理论依据。

关键词：雪灵芝适宜区 MaxEnt模型环境未来气候情景濒危物种保护生物学

藏北两个临近不同高寒草地碳通量对气候条件的响应

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草业学报 2024年第6期33卷 1-16页

作者：徐玲玲牛犇张宪洲何永涛石培礼宗宁武建双王向涛中国气象局国家气象中心北京100081 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室拉萨高原生态试验站北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 西藏农牧学院动物科学学院西藏林芝860000

生态系统碳循环应对气候变化的敏感性研究是“碳中和”背景下的重要议题。青藏高原高寒草地面积广阔,碳储量丰富,脆弱性高,近年来随着观测技术尤其是涡度相关技术和模拟技术的发展,已有不少研究致力于揭示青藏高原高寒草地生态系统碳水... 详细信息

生态系统碳循环应对气候变化的敏感性研究是“碳中和”背景下的重要议题。青藏高原高寒草地面积广阔,碳储量丰富,脆弱性高,近年来随着观测技术尤其是涡度相关技术和模拟技术的发展,已有不少研究致力于揭示青藏高原高寒草地生态系统碳水通量对气候变化的响应过程。但是,相同气候背景下不同高寒草地类型对环境变化的响应规律及敏感性尚不清楚。本研究基于藏北高原两个临近的高寒草地生态系统,高寒草甸和高寒湿地涡度相关观测的碳水通量数据,对比分析了不同水分条件下藏北高寒草甸和高寒湿地碳循环的气候敏感性。结果表明,高寒草甸的碳交换量要显著小于高寒湿地,高寒草甸是碳中性的,年净CO_(2)交换量为(18.09±40.66) g C·m^(-2) ,而高寒湿地是稳定的碳汇,年净CO_(2)固定量为(155.09±32.85)g C·m^(-2) 。水分条件对高寒草甸和高寒湿地植被光响应曲线最大的光合速率(α)的影响较弱,与饱和光强下的总初级生产力(Amax)呈显著正相关关系。水分对生态系统呼吸与温度的指数响应关系的调节作用主要体现在基础呼吸值(a)上,高寒湿地a的均值是高寒草甸的3.76倍,而对两个高寒草地生态系统呼吸敏感性(Q10)的调节均不显著。高寒草甸和高寒湿地Q10的均值(1.84)以及随温度升高而减小的趋势基本一致。藏北高寒草地生态系统的碳源汇特征对环境因子的响应取决于多因素共同限制,因此,基于区域性的联网协同观测有助于更加清晰地理解高寒生态系统碳交换响应气候变化的机理。

关键词：碳循环高寒草地气候敏感性藏北高原

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大型灌区土壤水盐运移模拟研究进展

干旱区地理 2024年

作者：蒙慧敏占车生胡实林忠辉中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室中国科学院大学中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室

土壤盐渍化是一种由自然和人类活动综合作用引起的土地退化现象，灌区人类活动频繁，影响土壤盐渍化的因素多样，深入理解土壤水盐运移过程将有助于灌区的土壤盐渍化防治。在对灌区土壤水盐运移的影响因素、国内外水盐模型特点和应用研... 详细信息

土壤盐渍化是一种由自然和人类活动综合作用引起的土地退化现象，灌区人类活动频繁，影响土壤盐渍化的因素多样，深入理解土壤水盐运移过程将有助于灌区的土壤盐渍化防治。在对灌区土壤水盐运移的影响因素、国内外水盐模型特点和应用研究梳理的基础上，提出了灌区水盐运移模拟的可能发展方向。灌区盐渍化的形成与气候干旱、地形、土壤季节性冻融、地下水含盐量和成土母质等自然因素，以及不合理的灌溉管理措施、耕作方式和施肥制度等人为因素密切相关。水盐运移模型是研究土壤水盐运移过程的有效工具，目前常用的水盐运移模型包括水盐平衡模型、物理模型和统计模型。由于模型率定和验证所需的土壤水盐运移过程、作物生长过程观测资料较难获取，水盐运移模型多用于田间尺度的节水控盐策略和灌排管理措施优化研究，在区域应用较为有限。现代大型灌区的快速发展导致灌区土壤水盐运移时空分布规律变化较大，对模型的不断改进以及计算机技术的快速发展为探究大型灌区水盐运移时空演变机制提供了可能性。未来应加强基于生态安全的灌区土壤水盐运移机制研究，构建耦合气候模式或经济模型的多过程水盐运移模型。

关键词：灌区土壤盐渍化土壤水盐运移模型气候模式经济模型生态安全