大兴安岭是我国气候变暖的敏感地区。为比较在升温过程中不同地区落叶松(Larix gmelinii)径向生长对温度的响应差异, 在大兴安岭主脉南段、中段和北段进行树木年轮取样, 建立了各点年轮宽度年表, 根据年表第一主成分载荷系数分类最终合成南部、中部和北部各区年轮指数。利用相关函数分析了落叶松径向生长与温度变化的关系, 结合主成分分析对比了不同地区树木年轮宽度变化对温度的响应差异。结果表明: 落叶松径向生长对温度变化的响应呈现明显的南北差异(中部>北部>南部); 南部年轮指数与上年11月到当年4月的平均温度显著相关, 中部年轮指数与上年生长季(6-8月)和当年3-10月的平均温度显著负相关, 北部年轮指数与生长季前(4-5月)的平均温度极显著正相关。气候变暖背景下, 高温引起的区域暖干化使土壤水分成为限制落叶松径向生长的主要因子, 土壤干旱程度加剧使落叶松生长对温度变化的响应增强。胸高断面积增量指示的落叶松生产力经历了从响应低温胁迫到响应高温引起的水分胁迫的转变。未来几十年, 若温度持续升高, 大兴安岭地区落叶松径向生长量将呈南部和中部降低、北部升高的趋势。

沙漠土壤在全球土壤主要温室气体通量中扮演着重要角色, 但是在环境变化条件下的通量估算结果存在很大的不确定性。在新疆古尔班通古特沙漠设定N0、N0.5、N1、N3、N6和N24 6个样方, 以0、0.5、1.0、3.0、6.0和24.0 g·m^-2·a^-1 6个不同模拟氮(N)沉降浓度进行N处理, 两年后开始对施N样方进行为期两个生长季的N₂O、CH₄和CO₂通量测定。研究表明生长季对照样方(N0)的N₂O、CH₄和CO₂的平均通量分别为4.8 μg·m^-2·h^-1、-30.5 μg·m^-2·h^-1和46.7 mg·m^-2·h^-1, 季节变化显著影响3种气体的通量。N0、N0.5和N1在春季和夏季具有相似的N₂O排放速率, 排放速率高于秋季, 而N6和N24的N₂O排放主要受N输入时间影响; CH₄的吸收在春季和夏季相对较高, 秋季较低; CO₂的排放量在第一年春季和夏季之间变化较小, 但高于秋季排放量, 第二年CO₂动态与N浓度相关。N增加通常能显著促进N₂O的排放, 但受测定季节和年度的影响, 且各处理的N₂O排放因子大小无明显规律; CH₄的吸收受N增加影响不显著; CO₂的排放在第一年不受N增加的影响, 第二年高浓度N增加对春季和夏季CO₂排放具有限制作用, 对秋季影响不显著。结构方程模型的研究表明, 对N₂O、CH₄和CO₂的动态变化影响较大的因子分别是施N浓度、土壤温度或土壤含水量和植株密度。整个生长季由N带来的净通量和增温潜力非常小。

生物结皮土壤呼吸是干旱区碳循环的重要参与者, 是了解荒漠生态系统碳循环的重要过程之一, 但有关生物结皮土壤呼吸对水热因子的响应还存在许多不确定性, 难以在区域尺度上准确评估生物结皮土壤系统碳排放对水热因子变化的响应及反馈方向和程度。该文以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类和藻-地衣结皮土壤为研究对象, 利用开顶式生长室模拟增温, 采用全自动土壤碳通量测定系统研究了模拟增温及降水格局变化对不同类型生物结皮土壤呼吸的影响。结果表明: 观测期间(2016年4月1日到7月31日), 不同自然降水事件下(降水量在0.3-30.0 mm间), 藓类结皮土壤呼吸速率在-0.16-4.69 μmol·m^-2·s^-1之间变动, 藻-地衣结皮土壤呼吸速率在-0.21-5.72 μmol·m^-2·s^-1之间变动。藓类结皮土壤呼吸速率平均为1.09 μmol·m^-2·s^-1, 高于藻-地衣结皮土壤呼吸速率的0.94 μmol·m^-2·s^-1, 是藻-地衣结皮土壤呼吸速率的1.2倍。生物结皮土壤呼吸在不同的降水事件下具有明显的时空异质性, 且生物结皮土壤呼吸速率与降水量有显著正相关关系。对照下两类结皮土壤呼吸速率平均为1.24 μmol·m^-2·s^-1, 增温条件下为0.79 μmol·m^-2·s^-1, 增温显著降低了其呼吸速率, 增温主要是通过加速土壤水分的散失而降低两类结皮土壤呼吸。大多数情况下, 土壤温度和生物结皮土壤呼吸呈现类似的单峰曲线, 但土壤温度峰值出现的时间滞后于生物结皮土壤呼吸峰值出现的时间, 滞后时间一般为2 h。

了解不同气候下土壤微生物对植物生态化学计量特征的影响有利于理解未来温度变化下植物与土壤的相互关系。该文以车桑子(Dodonaea viscosa)为研究对象, 从云南省元谋县两个海拔区采集车桑子根际土壤样品, 并设定相应的两个温度处理, 通过微生物灭菌和接种处理, 测定了车桑子叶片养分及其所在的土壤特性, 研究了温度、微生物及温度与微生物的交互作用对车桑子的碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征的影响, 分析其N、P养分特征与土壤特性间的关系。研究结果表明: 相比于灭菌处理, 两个海拔区的土壤微生物对车桑子养分吸收都有促进作用, 对P的促进作用极为显著。温度对车桑子C、N、P化学计量特征无显著影响, 但温度与微生物的交互作用对车桑子的C、N、P化学计量特征有显著影响。这种交互作用主要体现在: 在接种高海拔区土壤微生物的处理中, 温度没有显著影响车桑子的C、N、P化学计量特征, 而在接种低海拔区土壤微生物的处理中, 相比于高温条件, 低温显著抑制了车桑子对N、P的养分吸收。土壤微生物对养分吸收的促进作用可能源于其中有益微生物(如丛枝菌根真菌)的直接促进作用, 而并非是通过土壤微生物的养分循环过程。由于接种微生物处理使车桑子从土壤中吸收了更多的N、P, 从而使该处理的土壤有效N、P显著低于灭菌处理。在元谋干热河谷未来气温变凉的情况下, 由于土壤微生物对植物的反馈作用, 该区车桑子的生长可能会受到一定的抑制。

大气氮(N)沉降增加加速了生态系统N循环, 导致生态系统磷(P)需求增加。开展不同N:P处理对荒漠草原植物生长和生态化学计量特征影响的研究, 不仅可为预测长期大气N沉降增加条件下植物和土壤的相互作用提供新思路, 而且可为全球变化背景下我国北方草地植被的可持续管理提供科学指导。该文通过2013-2014年针对甘草(Glycyrrhiza uralensis)设立的不同N:P的盆栽控制试验, 研究了不同N:P处理对甘草生物量和碳(C)、N、P化学计量学特征(叶片、根系和土壤)的影响, 比较了C:N:P化学计量学特征在叶片、根系和土壤3个库间的差异和联系, 探讨了土壤C:N:P化学计量比对甘草生长和养分摄取的指示作用。结果显示: N:P的适当减小降低了土壤和甘草(叶片和根系)的C:P和N:P, 提高了甘草地上和地下生物量, 说明适量的P添加提高了土壤P有效性和甘草P摄取能力、促进了甘草生长和生物量积累。但过低的N:P处理(高P添加)使土壤C:P和N:P显著下降, 抑制了甘草对N的摄取, 从而不利于甘草生长; 甘草叶片和根系(尤其叶片) C:N:P化学计量学特征均与土壤C:N:P化学计量学特征存在不同程度的相关性, 意味着土壤C、N、P及其计量关系的改变会直接作用于植物。以上结果表明, 适当的人为P添加可通过调节土壤和植物叶片C:N:P化学计量学特征, 缓解土壤和植物间P的供需压力, 从而减缓长期大气N沉降增加对荒漠草原群落结构的不利影响。

在区域和全球尺度上估算植被总初级生产力(GPP)对理解陆地生态系统的碳循环具有重要意义。由于地表异质性的存在, 局限在站点尺度上的观测数据无法直接扩展到更大空间尺度的区域上。通过与地面观测数据相结合, 遥感成为实现植被GPP空间扩展的主要工具。但是现有模型对气象数据依赖较多, 且在不同气象数据集的驱动下, 模拟结果间会有差异, 进而产生不确定性。建立以遥感数据为主的GPP模型(简称遥感GPP模型), 使其易于在区域和全球尺度上应用, 是解决上述问题的一个可行方案。该研究使用TG (temperature and greenness model)和VI (vegetation index model)两个遥感GPP模型, 结合中国通量观测研究联盟(ChinaFLUX)的台站数据, 对中国典型植被类型的GPP进行了模拟、比较与评估, 旨在进一步提高遥感GPP模型在中国区域的适用性。结果表明: (1) TG和VI模型选用的遥感参数均与GPP观测值有较高的相关性, 都可以得到可信的光合转换系数m和a。基于与夜间地表温度平均值的相关关系, m和a在空间尺度上得到了扩展, 这使得TG和VI都可以应用到区域尺度上。(2) TG和VI模型的模拟值与实测值间的相关性大多较高, 决定系数(R²)多在0.67以上。但不同台站间的误差变动较大, TG模型的均方根误差为0.29-6.40 g·m^-2·d^-1, VI模型的均方根误差为0.31-7.09 g·m^-2·d^-1。(3)总体而言, TG模型的表现优于VI, 尤其在海拔或纬度较高、以温度限制为主的台站, TG模型的模拟效果较好。上述结果初步揭示遥感GPP模型具备了在区域尺度上应用的潜力。

灌丛化是干旱半干旱草原一种常见的全球性变化现象, 由于野外土壤、灌丛和草本的蒸散耗水难于拆分的限制, 关于灌丛化蒸散耗水效应的研究较少。该文将已有的二源模型应用于我国内蒙古灌丛化草原估算其蒸散发, 并用波文比系统观测结果对模型进行了率定。研究结果表明改进的模型可以较好地重建灌丛化草地的蒸散发特征; 敏感性分析结果表明模型输入变量及参数对蒸散发组分拆分结果产生的误差较小。在此基础上进行了灌丛化的情景模拟, 研究其耗水效应。结果表明: 灌丛化对蒸散发总量影响较小, 而对蒸散发组分影响较大。灌丛化初期盖度5%、中期盖度15%及后期盖度为30%的情境下, 对应的生长季内蒸散发(ET)平均值分别为182.97、180.38和176.72 W·m^-2; 土壤蒸发(E)占蒸散发比率(E/ET)平均值分别为52.9%、53.9%和55.5%。灌丛化从初期到中期、中期至后期, 蒸散发降幅平均值分别为0.34%和0.44%, E/ET升幅分别达2.04%及3.25%。该研究结果表明在内蒙古太仆寺旗站点灌丛化导致的土壤水分差异并不明显, 但随着灌丛化加剧, 灌丛逐渐替代草本, 改变了原有的生态系统结构, 植被叶面积指数变小, 导致冠层导度降低。研究结果强调我国半干旱草原区灌丛化加剧对生态系统总蒸散耗水量影响不大, 但其土壤蒸发无效损耗快速增加会导致系统水分利用效率降低。

为了深入探讨植物对环境变化的适应机制, 该文以内蒙古草原区羊草(Leymus chinensis)不同基因型为对象, 在人工控制条件下, 研究了羊草基因型、刈割、干旱及其交互作用对羊草11个数量性状的影响。结果显示: (1)所观测的11个性状(光系统II光化学效率、最大净光合速率、蒸腾速率、比叶面积、相对生长速率、分蘖增长数、地上及地下生物量、叶总酚浓度、根非结构性碳水化合物总量和根冠比)受环境因素(干旱、刈割或两者交互)影响显著, 表明该物种具有较强的表型可塑性; 且在4种环境条件(对照、刈割、干旱、刈割干旱)下, 不同基因型羊草的反应规范并不一致, 其中, 最大净光合速率、蒸腾速率、比叶面积、相对生长速率、叶总酚浓度和根非结构性碳水化合物总量受环境和基因型交互作用影响显著, 表明这些性状的表型可塑性具有一定的遗传基础。(2)对同一环境条件下, 不同基因型间的性状进行分析显示, 分蘖增长数、地下生物量和根非结构性碳水化合物含量在4种环境条件下均未检测到基因型间的差异; 而其余8个性状在基因型间的差异显著, 表明这些性状的差异具有一定的遗传基础, 其中, 与生长相关的6个性状的遗传力(H²)较高, 均大于0.5, 而叶总酚浓度和根冠比仅在刈割干旱条件下检测出显著差异, H²分别为0.145和0.202。这些实验结果为理解羊草这一重要物种在内蒙古草原区的广泛分布提供了适应机制方面的数据支持, 为合理预测未来气候变化对该物种的影响提供了科学依据, 为合理利用和保护该物种及其生态系统提供了理论依据。

为研究土壤盆栽和溶液培养的‘84K’ (Populus alba × P. glandulosa)离体根系的根压及根压昼夜节律, 系统探讨影响根压的因素及它们与根压的关系, 深入了解根压的产生机制及其节律调控, 采用压力转换器法对‘84K’离体根系的根压进行了研究。该研究采用不同时间取样、摘叶、环割等试验处理, 不同土壤温度、昼夜温差/恒温等测定条件研究了离体根压的节律, 并进一步运用化学抑制剂研究根系呼吸代谢、根系导水率对根压的影响, 并测定伤流液的渗透强度及其无机离子和可溶性糖含量日变化以探讨它们和根压昼夜节律的关系。研究发现, ‘84K’离体根系的根压具有昼高夜低的周期节律, 在上午至正午达到峰值, 在20:00达到谷值。不同取样时间、不同培养介质对根压周期性有一定的影响, 但总体昼高夜低没有改变。摘叶、环割、呼吸抑制剂或细胞膜水导抑制剂影响根压峰值的大小, 但对根压的昼夜节律没有明显影响。摘叶、环割或呼吸抑制剂显著地降低了根压峰值, 而水导抑制剂对根压峰值影响不大, 说明根压峰值的大小主要受呼吸作用, 包括呼吸底物的影响, 而根系水导率对根压峰值的影响不大。根压峰值随土壤温度下降而下降、土壤温度还改变根压的昼夜节律。随温度的变化, 最大根压和呼吸速率同步变化, 意味着根压随温度的变化也是呼吸代谢在起作用。根系伤流液渗透强度白天高晚上低。伤流液无机离子含量以及可溶性糖含量的日变化和渗透强度变化一致, 其中无机离子扮演更主要的角色。昼夜温差条件下的根压峰值显著大于昼夜常温条件下的根压峰值。总之, ‘84K’根压呈现较稳定的昼夜周期性, 昼高夜低。根压峰值大小主要受呼吸代谢的调控, 呼吸抑制剂、呼吸代谢底物、影响呼吸作用的温度等都影响‘84K’根压峰值的大小。根系导水率对根压有一定的影响, 但不显著。

长期以来, 光合作用机理模型中参数的确定都是一个难点。该文提出一种参数反演的方法, 称为近似贝叶斯法(APMC), 用来确定Farquhar光合模型的生理参数。通过将整个冠层抽象为一片大叶的思维抽象, 笔者进一步将APMC应用到冠层尺度的生理参数求解, 使直接求算冠层尺度生理参数成为可能。该文详细介绍了使用APMC估算光合模型参数的具体算法, 并用实测数据进行了验证。结果表明, APMC可以很好地应用于冠层光合模型参数的估计, 估计所得的参数落在参数生理上下限值之间, 应用1 948个实测数据进行检验, 得到决定系数0.75。模拟值和实测值的线性回归曲线斜率为1.04, 与理论上的1.0非常接近。这个方法对光合模型参数的获取或许有积极的意义。