自2011年起, 在青藏高原高寒草甸实施人工模拟增温和降水改变实验, 2013年7月采集实验区土壤样品, 监测土壤物理特性(土壤粒径和pH值)以及碳组分(全碳、有机碳、可提取有机碳、微生物生物量碳)的变化, 得到如下结果。1) 增温显著改变0~20 cm土壤温度和含水量, 增水和减水显著提高和降低0~20 cm土壤含水量, 但不影响土壤温度。2) 在0~10 cm土层深度, 增温显著降低土壤微生物生物量碳; 增水降低土壤可提取有机碳含量, 增加土壤微生物生物量碳; 减水显著增加土壤黏粒比例和可提取有机碳含量, 降低土壤砂粒比例和微生物生物量碳。在10~20 cm土层深度, 增水显著降低土壤可提取有机碳含量。3) 增温和降水改变对土壤测定指标的影响不存在交互作用。4) 主成分分析结果表明, 土壤总体格局发生趋同主要是因为降水改变, 而不是增温。结果表明, 在未来青藏高原高寒草甸降水持续增加的情景下, 土壤黏粒比例和可提取有机碳含量的降低可能会进一步对高寒地区的植物生产力以及微生物群落产生重要影响。
基于海北站氮磷添加实验平台, 研究青藏高原高寒草地常见植物叶片干物质含量(LDMC)、比叶面积(SLA)和叶片碳、氮、磷含量(LC, LN, LP)属性对N添加、P添加和NP同时添加的响应。从10个物种总体来看, N添加使LN显著增加9.4%。P添加使LP显著增加81.8%。N添加和P添加对LDMC和SLA有显著的交互作用。在无N添加条件下, P添加使LDMC减小2.3%, SLA增加3.5%; 在N添加条件下, P添加使LDMC减小10.1%, SLA增加15.3%。N添加和P添加对基于叶经济谱的物种排序无显著影响, 而NP同时添加显著改变了基于叶经济谱的物种排序。结果表明, 通过提高SLA和叶片NP含量, 使高寒草地植物对光、土壤可利用性N和P的获取与利用能力增强。NP同时添加可以显著改变叶属性的种间变异, 进而导致青藏高原高寒草地常见植物在叶经济谱上形成新的分布格局。因此, 在利用叶属性预测群落结构和生态系统功能对NP同时添加的响应时, 应该考虑物种的特异性响应。
在2013年10月至次年4月, 首次利用微根管直接观测和土壤温度间接观测相结合的方法, 研究增温对青藏高原高寒草甸土壤冻融循环过程的影响。结果显示: 1) 全年增温和冬季增温均显著增加非生长季 5, 10, 20 cm 的土壤温度, 而且冬季增温处理下的 5~20 cm土壤非生长季月平均温度比全年增温处理下的高0.01~0.18oC; 2) 全年增温和冬季增温显著降低了完全冻结期和冬春解冻期的冻土层厚度, 而对秋冬始冻期的冻土层厚度没有影响; 3) 全年增温和冬季增温显著减少了完全冻结期的持续天数和增加冬春解冻期的持续天数, 而对秋冬始冻期的持续天数没有影响; 4) 冬季增温比全年增温对冻土层厚度和冻融循环持续天数的影响更加显著。研究表明, 在青藏高原高寒草甸气候温暖化的趋势下, 非生长季土壤冻融交替天数的增加, 可能会进一步对高寒地区的地下碳氮循环产生重要的影响。
为了探究青藏高原高寒草甸非水成化土壤是否发生潜育化, 在2013年12月至2014年3月非生长季的野外观测过程中, 发现青藏高原东北部高寒草甸非水成化土壤存在季节性潜育化, 主要由较高的有机质含量以及土壤季节性冻融产生的厌氧环境造成。在土壤腐殖质层观察到铁锰结核和胶膜层, 呈蓝灰色, 潜育类型属于轻潜型和假潜育型。通过分析得出, 土壤潜育化主要发生在土壤季节性冻融期间, 潜育层厚度与冻融层厚度之间显著正相关。2014年1月的取样分析结果显示, 潜育化显著降低微生物生物量碳, 提高了活性态铁锰含量、阳离子交换量和有效磷含量。季节性潜育化可能对冻融过程中微生物群落结构、根系动态、温室气体排放以及养分循环等方面产生重要影响。由于潜育化只发生在非生长季, 这一现象容易被忽略, 但其对土壤生态过程产生的影响值得关注。
基于海北站野外长期增温和降水改变控制平台, 研究高寒草甸生态系统生长季土壤无机氮对增温和降水改变的响应。结果表明, 增温使铵态氮降低 47.5% (p = 0.001), 硝态氮降低 46.1% (p = 0.021)。降水的改变对无机氮的影响存在不对称性, 增加降水使铵态氮增加 74.7% (p = 0.046), 硝态氮增加 154% (p = 0.017); 减少降水使铵态氮降低, 对硝态氮无显著影响。铵态氮、硝态氮随着土壤湿度的增加而增加, 与土壤温度无显著关系。这表明增温和降水改变主要通过改变土壤湿度而不是土壤温度影响生长季土壤无机氮。因此预测, 未来气候变化背景下, 土壤湿度的增加可能导致青藏高原高寒草甸土壤无机氮的可利用性增加。
