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環(huán)境變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征 版權信息
- ISBN：9787030709295
- 條形碼：9787030709295 ; 978-7-03-070929-5
- 裝幀：一般純質紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
環(huán)境變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征 內容簡介
本書從寧夏荒漠草原植物生長的主要因子入手，以優(yōu)選變化中降水格局改變和大氣氮沉降增加為背景，基于2011～2015年設立于寧夏荒漠草原的環(huán)境變化野外原位試驗（降水量變化、氮添加、降水量變化及氮添加、氮和磷添加）和盆栽控制試驗（供水量變化、氮添加、氮和磷添加），通過長期的野外試驗觀測和室內測定分析，系統(tǒng)研究了植物、凋落物、微生物和土壤C:N:P生態(tài)化學計量學特征及其影響因素，綜合分析了植被-土壤系統(tǒng)C:N:P生態(tài)化學計量學特征與植物生物量、植物多樣性、土壤呼吸和生態(tài)系統(tǒng)碳交換的關系，從生態(tài)化學計量學角度深入探討了環(huán)境變化下荒漠草原服務功能，為科學評價優(yōu)選變化背景下西北干旱半干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力提供數(shù)據(jù)支撐。 本書可供生態(tài)學、環(huán)境科學、自然地理學等相關專業(yè)的教學科研人員、研究生和本科生參考閱讀。
環(huán)境變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征 目錄
目錄
前言
第1章總論1
1.1研究意義1
1.2國內外研究現(xiàn)狀分析2
1.3創(chuàng)新性14
第2章環(huán)境變化的試驗研究方法16
2.1研究區(qū)概況16
2.2試驗處理方法17
2.3指標測定方法25
2.4數(shù)據(jù)處理31
第3章降水量變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征33
3.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征33
3.2土壤基本性質69
3.3植物生長和多樣性77
3.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換89
3.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價91
3.6本章結論111
第4章氮添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征118
4.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征118
4.2土壤基本性質127
4.3植物生長和多樣性128
4.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換136
4.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價138
4.6本章結論148
第5章降水量變化及氮添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征151
5.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征151
5.2土壤基本性質170
5.3植物生長和多樣性173
5.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換和土壤呼吸188
5.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價201
5.6本章結論212
第6章氮磷添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征217
6.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征217
6.2土壤基本性質242
6.3植物生長和多樣性245
6.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換256
6.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價259
6.6本章結論268
第7章存在問題及未來研究展望272
7.1存在問題272
7.2未來研究展望273
參考文獻275
致謝300
后記303
前言
第1章總論1
1.1研究意義1
1.2國內外研究現(xiàn)狀分析2
1.3創(chuàng)新性14
第2章環(huán)境變化的試驗研究方法16
2.1研究區(qū)概況16
2.2試驗處理方法17
2.3指標測定方法25
2.4數(shù)據(jù)處理31
第3章降水量變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征33
3.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征33
3.2土壤基本性質69
3.3植物生長和多樣性77
3.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換89
3.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價91
3.6本章結論111
第4章氮添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征118
4.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征118
4.2土壤基本性質127
4.3植物生長和多樣性128
4.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換136
4.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價138
4.6本章結論148
第5章降水量變化及氮添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征151
5.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征151
5.2土壤基本性質170
5.3植物生長和多樣性173
5.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換和土壤呼吸188
5.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價201
5.6本章結論212
第6章氮磷添加下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征217
6.1植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征217
6.2土壤基本性質242
6.3植物生長和多樣性245
6.4生態(tài)系統(tǒng)碳交換256
6.5基于C∶N∶P生態(tài)化學計量學的生態(tài)服務功能評價259
6.6本章結論268
第7章存在問題及未來研究展望272
7.1存在問題272
7.2未來研究展望273
參考文獻275
致謝300
后記303
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環(huán)境變化下荒漠草原碳氮磷生態(tài)化學計量學特征 節(jié)選
第1章 總論 1.1 研 究 意 義 自工業(yè)革命以來，溫室氣體的過量排放和水蒸氣的增加，導致過去130年間全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃(IPCC，2013)。全球變暖加速了地球系統(tǒng)的水循環(huán)，使全球和區(qū)域降水格局的時空分配發(fā)生變化，從而對水資源、生態(tài)系統(tǒng)狀況和社會經濟發(fā)展等產生深刻的影響(陳琳等，2020)。據(jù)報道，全球總降水量在過去100年有增加趨勢，但在干旱與半干旱地區(qū)減少，同時干旱和洪澇等極端降水事件增加(Folland et al.，2001；Spinoni et al.，2018)。作為全球氣候變化的敏感區(qū)域，在過去幾十年間，我國平均年降水量總體呈增加趨勢，且表現(xiàn)出顯著的區(qū)域分異特征(劉凱等，2020；李明等，2021)。例如，與1961～1980年相比，1981～2010年西北地區(qū)的干旱區(qū)面積減少，東北地區(qū)的半濕潤區(qū)面積減少(高繼卿等，2015；黃小燕等，2015)。降水作為干旱半干旱區(qū)植物生長的主要限制因子之一(鄒慧等，2016)，調控著土壤水分及養(yǎng)分(N和P等)有效性，其格局的改變將直接作用于植物生長和生物地球化學循環(huán)等關鍵過程，從而對生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和穩(wěn)定性產生深遠影響。因此，降水格局改變及其效應已成為國內外生態(tài)學和其他相關學科研究的熱點與重點。 另外，化石燃料燃燒、農業(yè)化肥施用和畜牧業(yè)集約式發(fā)展等持續(xù)增強的人類活動產生了大量NOx，導致全球大氣N沉降增加。據(jù)估計，1984～2016年全球無機N沉降從86.6 Tg N a-1提高到93.6 Tg N a-1(Ackerman et al.，2019)。近年來，隨著大氣污染物控制措施的實施和社會經濟結構的轉型，N沉降速率在歐美國家有所減緩(Du，2016；Engardt et al.，2017；Tan et al.，2018)，但在發(fā)展中國家仍呈上升趨勢(Vet et al.，2014)。近期的研究發(fā)現(xiàn)，近10年來我國N沉降速率趨于穩(wěn)定甚至亦有所降低(Zheng et al.，2018；Yu et al.，2019a；Wen et al.，2020)。然而，煤炭等行業(yè)的快速發(fā)展使得西北地區(qū)N沉降速率加快(顧峰雪等，2016)。研究表明，西北地區(qū)普遍可接受1.0～2.0 g m-2 a-1的N沉降量(段雷等，2002)。盡管估測的N沉降量低于全國水平，但較低的N沉降臨界負荷以及N沉降的時間累積性(Phoenix et al.，2012)，使得該區(qū)域N沉降效應同樣不容忽視。研究證實，長期N沉降增加不但會引起土壤酸化和N富集，而且可能造成C∶N∶P失衡和P限制增加(Deng et al.，2017；Wright et al.，2018)，嚴重威脅生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性(Steven et al.，2018)。因此，有必要針對西北地區(qū)敏感生態(tài)系統(tǒng)開展N沉降效應研究。 生態(tài)化學計量學（ecological stoichiometry）主要關注生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和多種化學元素平衡關系，是研究土壤-植物相互作用與元素循環(huán)的新手段和新思路(Sterner & Elser，2002；賀金生和韓興國，2010)。C、N、P是元素循環(huán)和轉化的核心，調節(jié)和驅動著地上植被生長、群落結構組成以及地下生態(tài)過程。通常認為這幾種元素的循環(huán)過程是相互耦合的(Lal，2004)，其在有機體的生態(tài)化學計量比具有相對的內穩(wěn)性，對維持生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和穩(wěn)定性具有重要意義(Yu et al.，2010)。然而，近年來隨著全球變化的加劇，植物、微生物和土壤元素平衡關系趨于解耦，進而對關鍵生態(tài)系統(tǒng)過程產生負面影響(Delgado-Baquerizo et al.，2013；Yang et al.，2014；Mayor et al.，2015；Yuan & Chen，2015；Zhou et al.，2017)。植被-土壤系統(tǒng)元素循環(huán)是在植物、凋落物和土壤之間相互轉換的(Ladanai et al.，2010)，微生物作為元素轉換的中間介導者將三者聯(lián)系了起來(Fabiańska et al.，2019)，因此，將植物、凋落物、微生物和土壤視作一個完整的系統(tǒng)，探討組分間C∶N∶P平衡特征的變化格局和相互作用，對于認識全球變化背景下生態(tài)系統(tǒng)C匯潛力、植物和土壤相互作用的養(yǎng)分平衡制約關系具有重要的現(xiàn)實意義(王紹強和于貴瑞，2008)。 荒漠草原是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，也是寧夏境內主要的草原生態(tài)系統(tǒng)類型，區(qū)域年降水量少(＜300 mm)、蒸發(fā)量大(＞2000 mm)、N沉降臨界負荷小(1.0～2.0 g m-2 a-1)、可接受的N沉降總量低(0.13×106 t a-1)(寧夏農業(yè)勘查設計院等，1988；段雷等，2002)。受氣象條件和人為活動的影響，該區(qū)植被表現(xiàn)出物種多樣性低、群落結構簡單和生物量年際變化大等特征，導致生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和脆弱性，因而對降水量變化和N沉降增加反應敏感(王攀等，2019；李一春等，2020)。2011年以來，在國家自然科學基金等項目的資助下，本書研究團隊在寧夏荒漠草原設置了環(huán)境變化的野外原位試驗和盆栽試驗，通過長期的定位觀測，探討了環(huán)境變化下植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征，分析了組分間C∶N∶P平衡特征的協(xié)變關系，揭示了植物、凋落物、微生物和土壤間元素傳遞規(guī)律與調節(jié)機制，并結合植物生物量、植物多樣性、土壤呼吸、生態(tài)系統(tǒng)C交換等的變化，從生態(tài)化學計量學角度科學評估了環(huán)境變化下荒漠草原的生態(tài)服務功能，以期為進一步闡明全球變化對荒漠草原結構、功能和穩(wěn)定性的影響提供理論參考，并助力實現(xiàn)我國2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”目標。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀分析 1.2.1 降水格局改變 20世紀以來，人類活動引起大氣中氣溶膠、溫室氣體(CO2、CH4和N2O等)的濃度不斷升高，加上氣候內部變率的影響，導致全球變暖和大氣環(huán)流發(fā)生相應改變。據(jù)報道，1880～2012年全球平均氣溫升高了0.85 ℃(IPCC，2013)。在此期間，陸地比海洋增溫快，高緯度地區(qū)比中低緯度地區(qū)增溫幅度大，冬半年比夏半年增溫明顯。中國氣候變暖趨勢與全球一致。1913年以來，中國地表平均溫度上升了0.91 ℃，*近60年氣溫上升尤為明顯，平均每十年升高約0.23 ℃，幾乎是全球增幅的兩倍。全球性的氣候變暖勢必會改變降水(總量、強度和頻率等)的時空分配格局。降水量變化作為氣候變化中*為突出的方面(宋世凱，2017)，已經引起了國內外學者的廣泛關注。目前，關于降水格局改變的研究主要集中在全球及各區(qū)域降水量和極端降水事件的變化及其地域差異。 1.2.1.1 全球降水格局 第五次政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）評估報告指出，1901年以來全球陸地上的降水沒有明顯的增加或減少的趨勢。但就區(qū)域而言，北半球中緯度陸地上的降水增多；在RCP 8.5情境下，21世紀末高緯度和赤道太平洋地區(qū)年降水量將呈上升趨勢，中緯度和亞熱帶干旱地區(qū)年降水量可能會減少，而中緯度濕潤地區(qū)可能會有所增加(IPCC，2013)。有研究表明，與溫度相比，全球降水量變化在空間上更不均勻，但是總體來說，降水量顯著增加的地區(qū)比降水量顯著下降的地區(qū)多(Donat et al.，2013)。隨后的研究預測，人類活動導致全球平均降水量呈增加趨勢，并且呈緯向分布，北半球中高緯度地區(qū)年降水量總體呈增加趨勢(孔鋒等，2017)。降水格局呈緯向分布是自然因素和人為因素共同作用的結果。一方面，溫度升高使水循環(huán)加速，改變降水分配，同時大氣環(huán)流模式的變化導致多雨區(qū)和亞熱帶干燥區(qū)向兩極遷移，使熱帶區(qū)域加寬，進而影響降水格局的緯向分布(Westra et al.，2014)。另一方面，人類活動在降水格局的緯度分布上發(fā)揮著重要作用(Marvel & Bonfils，2013)。 盡管全球范圍內年降水量呈增加趨勢，但是降水事件之間的間隔期延長，干旱、洪澇等極端事件頻現(xiàn)(Westra et al.，2014)。研究表明，20世紀初到20世紀末極端降水有顯著變化，尤其是中高緯度地區(qū)極端降水增加顯著。到21世紀強降水事件很可能將在全球大部分地區(qū)增加；未來百年，南北半球降水差距和降水季節(jié)波動可能加大，呈現(xiàn)出旱季更旱、雨季更濕的季節(jié)特征(Spinoni et al.，2018)。然而，Greve等(2014)的研究發(fā)現(xiàn)，“干變干、濕變濕”這種降水格局變化僅顯示在全球10.8%的陸地面積上，更多地區(qū)并不適用這一規(guī)律。Sun等(2012)認為全球陸地降水量隨時間和空間的變化減少，平均來說全球陸地上干旱的地區(qū)變得濕潤，而濕潤的地區(qū)變得干旱；降水量變化大的地區(qū)通常氣溶膠排放量也大，由此可推測氣溶膠在降水變化中起到了關鍵作用。Donat等(2016)通過觀測數(shù)據(jù)和氣候模型發(fā)現(xiàn)，過去的60年中，干旱地區(qū)總降水量增加明顯，而且降水增加與溫度升高呈現(xiàn)線性關系，因此預測21世紀末全球變暖將使得這些地區(qū)的降水加劇，尤其是干旱地區(qū)，這種加劇也將對極端降水事件產生重要影響。 大氣中的水汽含量隨氣溫升高而增加，進而加快全球水循環(huán)，導致極端降水事件頻發(fā)。其機制可以用克勞修斯-克拉佩龍方程(Clausius-Clapeyron equation)中氣溫和空氣水分含量的關系加以解釋。即氣溫每升高1 ℃，大氣含水量約提高7%(Pall et al.，2007)。因此，全球變暖不僅能夠增加全球的降水量，也增加了極端降水事件發(fā)生的頻率。Allan(2008)發(fā)現(xiàn)溫度和極端降水事件的頻率之間存在明顯的相關性，在溫暖期極端降水事件的頻率增加，而在寒冷期減少；此外，觀測的降水極值比預測的高，這意味著對極端降水事件強度變化的預測可能被低估。Donat等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，盡管總降水量變化存在不確定性，但是在過去的60年中，干旱和濕潤地區(qū)的極端降水事件均明顯增加；預測到21世紀末，極端降水事件將持續(xù)加劇。還有研究表明，全球極端降水強度的增加速度快于降水量；但是模型模擬的極端降水量在熱帶地區(qū)的不確定性較大，導致其模擬極端降水量的準確度降低(Kharin et al.，2013)。因此，盡管模型模擬的結果顯示全球變暖使得極端降水事件的頻率增加，但是觀測數(shù)據(jù)的不足直接限制了對極端降水事件的評估。 1.2.1.2 中國降水格局 全球增溫不僅改變全球的降水格局，也使中國的降水格局發(fā)生了顯著變化，很多研究表明中國的降水格局變化具有明顯的時空差異性(任國玉等，2015；劉凱等，2020)。第五次IPCC評估報告指出，20世紀50～70年代，我國主要多雨帶位于華北地區(qū)，之后逐漸向南移動到長江流域和華南地區(qū)，21世紀以來，雨帶開始北移。丁一匯和王會軍(2016)發(fā)現(xiàn)，我國華北、西北東部、東北南部和西南部分地區(qū)降水減少，而西部大部分地區(qū)降水增加，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。任國玉等(2015)預測，近60年中國年平均降水量的變化規(guī)律無一致性，但是區(qū)域性降水變化趨勢明顯，年降水量減少的地區(qū)主要發(fā)生在東北、華北、華中和西南地區(qū)，而年降水量增加的地區(qū)主要發(fā)生在西北、青藏高原和東南沿海地區(qū)；降水量變化的空間結構雖然相對穩(wěn)定，但是也有漸近的變化特點。降水量減少的地區(qū)盡管由黃土高原和華北平原向東北和西南擴散，但近年來“干化”區(qū)域開始萎縮；而東北北部和長江中下游地區(qū)降水增加的區(qū)域面積明顯變；總體看來，中國東部地區(qū)降水相對減少和增加的區(qū)域均在萎縮，“北旱南澇”的現(xiàn)象趨于緩解。 近幾十年，我國不僅降水總量發(fā)生了顯著變化，而且極端降水事件也發(fā)生了改變，呈現(xiàn)出總量增加、強度增強以及極端事件增多等特征(杜懿等，2020；盧珊等，2020；趙東升等，2020)。從全國范圍來看，中國極端強降水平均強度和極端強降水量值都有增加的趨勢(孫軍和張福青，2017)；極端降水可以占到全國平均總降水的1/3(S
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