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环境变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征 版权信息
- ISBN：9787030709295
- 条形码：9787030709295 ; 978-7-03-070929-5
- 装帧：一般纯质纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
环境变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征 内容简介
本书从宁夏荒漠草原植物生长的主要因子入手，以优选变化中降水格局改变和大气氮沉降增加为背景，基于2011～2015年设立于宁夏荒漠草原的环境变化野外原位试验（降水量变化、氮添加、降水量变化及氮添加、氮和磷添加）和盆栽控制试验（供水量变化、氮添加、氮和磷添加），通过长期的野外试验观测和室内测定分析，系统研究了植物、凋落物、微生物和土壤C:N:P生态化学计量学特征及其影响因素，综合分析了植被-土壤系统C:N:P生态化学计量学特征与植物生物量、植物多样性、土壤呼吸和生态系统碳交换的关系，从生态化学计量学角度深入探讨了环境变化下荒漠草原服务功能，为科学评价优选变化背景下西北干旱半干旱区草地生态系统碳汇能力提供数据支撑。 本书可供生态学、环境科学、自然地理学等相关专业的教学科研人员、研究生和本科生参考阅读。
环境变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征 目录
目录
前言
第1章总论1
1.1研究意义1
1.2国内外研究现状分析2
1.3创新性14
第2章环境变化的试验研究方法16
2.1研究区概况16
2.2试验处理方法17
2.3指标测定方法25
2.4数据处理31
第3章降水量变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征33
3.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征33
3.2土壤基本性质69
3.3植物生长和多样性77
3.4生态系统碳交换89
3.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价91
3.6本章结论111
第4章氮添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征118
4.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征118
4.2土壤基本性质127
4.3植物生长和多样性128
4.4生态系统碳交换136
4.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价138
4.6本章结论148
第5章降水量变化及氮添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征151
5.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征151
5.2土壤基本性质170
5.3植物生长和多样性173
5.4生态系统碳交换和土壤呼吸188
5.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价201
5.6本章结论212
第6章氮磷添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征217
6.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征217
6.2土壤基本性质242
6.3植物生长和多样性245
6.4生态系统碳交换256
6.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价259
6.6本章结论268
第7章存在问题及未来研究展望272
7.1存在问题272
7.2未来研究展望273
参考文献275
致谢300
后记303
前言
第1章总论1
1.1研究意义1
1.2国内外研究现状分析2
1.3创新性14
第2章环境变化的试验研究方法16
2.1研究区概况16
2.2试验处理方法17
2.3指标测定方法25
2.4数据处理31
第3章降水量变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征33
3.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征33
3.2土壤基本性质69
3.3植物生长和多样性77
3.4生态系统碳交换89
3.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价91
3.6本章结论111
第4章氮添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征118
4.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征118
4.2土壤基本性质127
4.3植物生长和多样性128
4.4生态系统碳交换136
4.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价138
4.6本章结论148
第5章降水量变化及氮添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征151
5.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征151
5.2土壤基本性质170
5.3植物生长和多样性173
5.4生态系统碳交换和土壤呼吸188
5.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价201
5.6本章结论212
第6章氮磷添加下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征217
6.1植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征217
6.2土壤基本性质242
6.3植物生长和多样性245
6.4生态系统碳交换256
6.5基于C∶N∶P生态化学计量学的生态服务功能评价259
6.6本章结论268
第7章存在问题及未来研究展望272
7.1存在问题272
7.2未来研究展望273
参考文献275
致谢300
后记303
展开全部
环境变化下荒漠草原碳氮磷生态化学计量学特征 节选
第1章 总论 1.1 研 究 意 义 自工业革命以来，温室气体的过量排放和水蒸气的增加，导致过去130年间全球地表平均温度大约升高了0.85 ℃(IPCC，2013)。全球变暖加速了地球系统的水循环，使全球和区域降水格局的时空分配发生变化，从而对水资源、生态系统状况和社会经济发展等产生深刻的影响(陈琳等，2020)。据报道，全球总降水量在过去100年有增加趋势，但在干旱与半干旱地区减少，同时干旱和洪涝等极端降水事件增加(Folland et al.，2001；Spinoni et al.，2018)。作为全球气候变化的敏感区域，在过去几十年间，我国平均年降水量总体呈增加趋势，且表现出显著的区域分异特征(刘凯等，2020；李明等，2021)。例如，与1961～1980年相比，1981～2010年西北地区的干旱区面积减少，东北地区的半湿润区面积减少(高继卿等，2015；黄小燕等，2015)。降水作为干旱半干旱区植物生长的主要限制因子之一(邹慧等，2016)，调控着土壤水分及养分(N和P等)有效性，其格局的改变将直接作用于植物生长和生物地球化学循环等关键过程，从而对生态系统结构、功能和稳定性产生深远影响。因此，降水格局改变及其效应已成为国内外生态学和其他相关学科研究的热点与重点。 另外，化石燃料燃烧、农业化肥施用和畜牧业集约式发展等持续增强的人类活动产生了大量NOx，导致全球大气N沉降增加。据估计，1984～2016年全球无机N沉降从86.6 Tg N a-1提高到93.6 Tg N a-1(Ackerman et al.，2019)。近年来，随着大气污染物控制措施的实施和社会经济结构的转型，N沉降速率在欧美国家有所减缓(Du，2016；Engardt et al.，2017；Tan et al.，2018)，但在发展中国家仍呈上升趋势(Vet et al.，2014)。近期的研究发现，近10年来我国N沉降速率趋于稳定甚至亦有所降低(Zheng et al.，2018；Yu et al.，2019a；Wen et al.，2020)。然而，煤炭等行业的快速发展使得西北地区N沉降速率加快(顾峰雪等，2016)。研究表明，西北地区普遍可接受1.0～2.0 g m-2 a-1的N沉降量(段雷等，2002)。尽管估测的N沉降量低于全国水平，但较低的N沉降临界负荷以及N沉降的时间累积性(Phoenix et al.，2012)，使得该区域N沉降效应同样不容忽视。研究证实，长期N沉降增加不但会引起土壤酸化和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)，严重威胁生物多样性和生态系统稳定性(Steven et al.，2018)。因此，有必要针对西北地区敏感生态系统开展N沉降效应研究。 生态化学计量学（ecological stoichiometry）主要关注生态系统能量平衡和多种化学元素平衡关系，是研究土壤-植物相互作用与元素循环的新手段和新思路(Sterner & Elser，2002；贺金生和韩兴国，2010)。C、N、P是元素循环和转化的核心，调节和驱动着地上植被生长、群落结构组成以及地下生态过程。通常认为这几种元素的循环过程是相互耦合的(Lal，2004)，其在有机体的生态化学计量比具有相对的内稳性，对维持生态系统结构、功能和稳定性具有重要意义(Yu et al.，2010)。然而，近年来随着全球变化的加剧，植物、微生物和土壤元素平衡关系趋于解耦，进而对关键生态系统过程产生负面影响(Delgado-Baquerizo et al.，2013；Yang et al.，2014；Mayor et al.，2015；Yuan & Chen，2015；Zhou et al.，2017)。植被-土壤系统元素循环是在植物、凋落物和土壤之间相互转换的(Ladanai et al.，2010)，微生物作为元素转换的中间介导者将三者联系了起来(Fabiańska et al.，2019)，因此，将植物、凋落物、微生物和土壤视作一个完整的系统，探讨组分间C∶N∶P平衡特征的变化格局和相互作用，对于认识全球变化背景下生态系统C汇潜力、植物和土壤相互作用的养分平衡制约关系具有重要的现实意义(王绍强和于贵瑞，2008)。 荒漠草原是我国典型的生态脆弱区，也是宁夏境内主要的草原生态系统类型，区域年降水量少(＜300 mm)、蒸发量大(＞2000 mm)、N沉降临界负荷小(1.0～2.0 g m-2 a-1)、可接受的N沉降总量低(0.13×106 t a-1)(宁夏农业勘查设计院等，1988；段雷等，2002)。受气象条件和人为活动的影响，该区植被表现出物种多样性低、群落结构简单和生物量年际变化大等特征，导致生态系统的不稳定性和脆弱性，因而对降水量变化和N沉降增加反应敏感(王攀等，2019；李一春等，2020)。2011年以来，在国家自然科学基金等项目的资助下，本书研究团队在宁夏荒漠草原设置了环境变化的野外原位试验和盆栽试验，通过长期的定位观测，探讨了环境变化下植被-土壤系统C∶N∶P生态化学计量学特征，分析了组分间C∶N∶P平衡特征的协变关系，揭示了植物、凋落物、微生物和土壤间元素传递规律与调节机制，并结合植物生物量、植物多样性、土壤呼吸、生态系统C交换等的变化，从生态化学计量学角度科学评估了环境变化下荒漠草原的生态服务功能，以期为进一步阐明全球变化对荒漠草原结构、功能和稳定性的影响提供理论参考，并助力实现我国2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”目标。 1.2 国内外研究现状分析 1.2.1 降水格局改变 20世纪以来，人类活动引起大气中气溶胶、温室气体(CO2、CH4和N2O等)的浓度不断升高，加上气候内部变率的影响，导致全球变暖和大气环流发生相应改变。据报道，1880～2012年全球平均气温升高了0.85 ℃(IPCC，2013)。在此期间，陆地比海洋增温快，高纬度地区比中低纬度地区增温幅度大，冬半年比夏半年增温明显。中国气候变暖趋势与全球一致。1913年以来，中国地表平均温度上升了0.91 ℃，*近60年气温上升尤为明显，平均每十年升高约0.23 ℃，几乎是全球增幅的两倍。全球性的气候变暖势必会改变降水(总量、强度和频率等)的时空分配格局。降水量变化作为气候变化中*为突出的方面(宋世凯，2017)，已经引起了国内外学者的广泛关注。目前，关于降水格局改变的研究主要集中在全球及各区域降水量和极端降水事件的变化及其地域差异。 1.2.1.1 全球降水格局 第五次政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）评估报告指出，1901年以来全球陆地上的降水没有明显的增加或减少的趋势。但就区域而言，北半球中纬度陆地上的降水增多；在RCP 8.5情境下，21世纪末高纬度和赤道太平洋地区年降水量将呈上升趋势，中纬度和亚热带干旱地区年降水量可能会减少，而中纬度湿润地区可能会有所增加(IPCC，2013)。有研究表明，与温度相比，全球降水量变化在空间上更不均匀，但是总体来说，降水量显著增加的地区比降水量显著下降的地区多(Donat et al.，2013)。随后的研究预测，人类活动导致全球平均降水量呈增加趋势，并且呈纬向分布，北半球中高纬度地区年降水量总体呈增加趋势(孔锋等，2017)。降水格局呈纬向分布是自然因素和人为因素共同作用的结果。一方面，温度升高使水循环加速，改变降水分配，同时大气环流模式的变化导致多雨区和亚热带干燥区向两极迁移，使热带区域加宽，进而影响降水格局的纬向分布(Westra et al.，2014)。另一方面，人类活动在降水格局的纬度分布上发挥着重要作用(Marvel & Bonfils，2013)。 尽管全球范围内年降水量呈增加趋势，但是降水事件之间的间隔期延长，干旱、洪涝等极端事件频现(Westra et al.，2014)。研究表明，20世纪初到20世纪末极端降水有显著变化，尤其是中高纬度地区极端降水增加显著。到21世纪强降水事件很可能将在全球大部分地区增加；未来百年，南北半球降水差距和降水季节波动可能加大，呈现出旱季更旱、雨季更湿的季节特征(Spinoni et al.，2018)。然而，Greve等(2014)的研究发现，“干变干、湿变湿”这种降水格局变化仅显示在全球10.8%的陆地面积上，更多地区并不适用这一规律。Sun等(2012)认为全球陆地降水量随时间和空间的变化减少，平均来说全球陆地上干旱的地区变得湿润，而湿润的地区变得干旱；降水量变化大的地区通常气溶胶排放量也大，由此可推测气溶胶在降水变化中起到了关键作用。Donat等(2016)通过观测数据和气候模型发现，过去的60年中，干旱地区总降水量增加明显，而且降水增加与温度升高呈现线性关系，因此预测21世纪末全球变暖将使得这些地区的降水加剧，尤其是干旱地区，这种加剧也将对极端降水事件产生重要影响。 大气中的水汽含量随气温升高而增加，进而加快全球水循环，导致极端降水事件频发。其机制可以用克劳修斯-克拉佩龙方程(Clausius-Clapeyron equation)中气温和空气水分含量的关系加以解释。即气温每升高1 ℃，大气含水量约提高7%(Pall et al.，2007)。因此，全球变暖不仅能够增加全球的降水量，也增加了极端降水事件发生的频率。Allan(2008)发现温度和极端降水事件的频率之间存在明显的相关性，在温暖期极端降水事件的频率增加，而在寒冷期减少；此外，观测的降水极值比预测的高，这意味着对极端降水事件强度变化的预测可能被低估。Donat等(2016)研究发现，尽管总降水量变化存在不确定性，但是在过去的60年中，干旱和湿润地区的极端降水事件均明显增加；预测到21世纪末，极端降水事件将持续加剧。还有研究表明，全球极端降水强度的增加速度快于降水量；但是模型模拟的极端降水量在热带地区的不确定性较大，导致其模拟极端降水量的准确度降低(Kharin et al.，2013)。因此，尽管模型模拟的结果显示全球变暖使得极端降水事件的频率增加，但是观测数据的不足直接限制了对极端降水事件的评估。 1.2.1.2 中国降水格局 全球增温不仅改变全球的降水格局，也使中国的降水格局发生了显著变化，很多研究表明中国的降水格局变化具有明显的时空差异性(任国玉等，2015；刘凯等，2020)。第五次IPCC评估报告指出，20世纪50～70年代，我国主要多雨带位于华北地区，之后逐渐向南移动到长江流域和华南地区，21世纪以来，雨带开始北移。丁一汇和王会军(2016)发现，我国华北、西北东部、东北南部和西南部分地区降水减少，而西部大部分地区降水增加，呈现出明显的区域差异性。任国玉等(2015)预测，近60年中国年平均降水量的变化规律无一致性，但是区域性降水变化趋势明显，年降水量减少的地区主要发生在东北、华北、华中和西南地区，而年降水量增加的地区主要发生在西北、青藏高原和东南沿海地区；降水量变化的空间结构虽然相对稳定，但是也有渐近的变化特点。降水量减少的地区尽管由黄土高原和华北平原向东北和西南扩散，但近年来“干化”区域开始萎缩；而东北北部和长江中下游地区降水增加的区域面积明显变小；总体看来，中国东部地区降水相对减少和增加的区域均在萎缩，“北旱南涝”的现象趋于缓解。 近几十年，我国不仅降水总量发生了显著变化，而且极端降水事件也发生了改变，呈现出总量增加、强度增强以及极端事件增多等特征(杜懿等，2020；卢珊等，2020；赵东升等，2020)。从全国范围来看，中国极端强降水平均强度和极端强降水量值都有增加的趋势(孙军和张福青，2017)；极端降水可以占到全国平均总降水的1/3(S
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