生态学原理开题报告
《外来入侵草本植物（以薇甘菊为例）
对草地生态系统碳循环的影响》
姓名：刘雨婷
年级：2013级
学号：2013013194
1.研究背景与科学意义
生态系统碳循环是生态系统进行物质循环的主要途径，生态系统功能最基本的组成部分,同时也是生物地球化学循环的核心。碳循环可以被简要地描述成以植物为核心,通过绿色植物的光合作用把大气中的CO2固定成有机物,并主要储存于植物、土壤中,同时通过植物的自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸作用,重新向大气中释放C02,构成了大气—植物—土壤—大气之间的碳循环。
生态系统碳循环的研究内容包括生态系统碳库、生态系统碳流。生态系统碳库是指储存在植物、土壤和微生物等中的碳、氮量。生态系统碳是指碳在生态系统大气、植物、土壤等各成分之间的通量。表征碳流的过程有光合作用、生态系统净初级生产、凋落物分解作用、土壤的呼吸作用等。
生物入侵是全球变化的重要组成部分,它不仅严重地威胁着入侵当地生态系统的完整性和生物多样性,而且潜在地改变被入侵地环境的生态系统。入侵植物对入侵地当地物种多样性、物理环境、经济、社会和生态系统过程产生一系列的影响。在植物入侵所造成的众多后果中,其对生态系统过程的影响可能最为深刻, 这主要是因为入侵植物越过不可自然逾越的空间障碍后,在新的栖息地呈爆发式地增长并且失去控制,取代入侵当地的植物,改变原来生态系统的结构和功能。在这个过程中，入侵植物的表型可塑性、适应性进化、天敌释放、种间互利或偏利共生和新化感作用等因素对入侵起到了关键作用。而本课题则以典型入侵物种薇甘菊为例，探究入侵物种对草地生态系统碳循环的影响。
草地生态系统是自然生态系统的重要组成部分，对于维系生态平衡、地区经济（牧业）等均具有重要作用。通过研究入侵植物对草地生态系统碳循环影响，了解入侵植物对草地生态系统的影响过程，影响机理以及影响结果，有利于在接下来的研究中更好地找到对入侵植物的处理方案。能更好地在了解草地生态系统的基础上，对草地生态系统进行维护。
由于全球化的影响，生物入侵现象日益增多，也与越发常见，入侵植物是生物入侵中及其重要的一个方面，因此，研究入侵植物与草地生态系统的关系能跟好地解释生物入侵机制，从而更好地应对此类问题。
2.研究现状与分析
研究者主要认为入侵植物对生态系统碳循环的影响主要对碳流的影响以及对碳库的影响两个方面。由于入侵植物通常具有较强的光合作用和CO2的固定能力，在入侵地通常存在爆发式生长，目前的研究主要存在的一种观点是，入侵之后存在后的生态系统的碳固定能力增强，具有碳汇的功能。由于与本土植物相比,入侵植物常常表现出生长迅速、个体高大和种群密度高等特点,导致入侵植物往
往比本土植物具有更高的生物量，所以有观点认为：植物入侵使生态系统碳库有逐渐增大的趋势。
在前人的研究成果中，我发现，不同的生态系统类型，不同的入侵植物种类对生态系统的碳循环都有不同的作用趋势。但是这些研究成果主要从以下几个方面研究入侵植物对生态系统碳循环的影响：
2.1对碳失汇的影响
2.1.1.入侵植物对生态系统中植物的光合速率及生长速率的影响
光合作用是植物固定CO2的重要过程，也是生态系统发挥发挥其碳汇功能的重要来源。Baruch在比较夏威夷森林的入侵植物与本土植物光合作用速率的差异时发现,30种入侵植物的平均净光合作用速率整体上显著地高于34种土著植物的净光合作用速率。所以,Barueh的研究解释了为什么入侵植物比土著植物生长得更快。
2.1.2.入侵植物对生态系统中凋落物分解的影响
Witkowski对南非海岸带湿地来自澳洲的两种入侵灌木柳叶相思与西澳海岸相思和土著植物进行了地表凋落物分解实验。其结果表明,柳叶相思的凋落物分解速率比本土植物来克斯泊木的高,而西澳海岸相思比土著植物西莲香杞的低。
2.1.3.入侵植物对土壤呼吸的影响
土壤呼吸是根系、微生物呼吸的总称,是生态系统碳失的重要途径。而smith研究木本植物入侵北美草原生态系统时,测定了入侵木本植物和土著草本植物下的土壤呼吸速率。其结果表明,入侵木本植物下土壤的呼吸速率显著低于草地土壤的呼吸速率,这意味着外来木本植物的入侵减少了被入侵生态系统土壤的碳失。
2.2对碳库的影响
2.2.1入侵植物对植物碳库的影响
Ehrenfeld对前人研究结果进行了综合分析。在Ehrenfeld分析中,20个植物入侵的案例中,有16个案例的入侵植物生物量显著地高于土著植物生物量,只有4个案例表现出入侵植物生物量低于土著植物生物量。所以,植物入侵对生态系统植物碳库的影响,总体来看呈增大的趋势。
2.2.2入侵植物对凋落物碳库的影响
虽然凋落物库大小还受分解速率的影响,
但是植物入侵影响净初级生产和生物量的大小,也同样会影响凋落物碳库大小。Witkowski的研究表明,在灌木柳叶相思和西澳海岸相思入侵程度严重的湿地中,两种入侵植物的凋落物量均高于当地土著植物凋落物量的150-200%
2.2.3.入侵植物对土壤碳库的影响
土壤碳库是陆地生态系统碳库中的最大分量,与植物组成的变化有着密切的关系,但是在目前的研究中，对土壤碳库的研究非常多，但是在不同入侵植物以
及其针对的不同生态系统间的碳库变化有一定区别。
在以上知识储备和研究内容的基础上，我发现在研究入侵植物与碳循环关系的研究中，个体的独特性太强，缺少一定的规律性以及预测意义，但是这个过程需要建立一定的模型。在这个过程中，我选取其中一个方面进行探究。由于不同入侵物种对不同生态系统的作用不同，所以本课题主要探究草本入侵植物对草原生态系统碳循环的影响
3.研究目的和意义
3.1研究目的
通过本研究回答如下问题：
（1）薇甘菊的入侵是否增大了被入侵草原生态系统的碳库；
(2) 薇甘菊的入侵是否改变被入侵生态系统凋落物库的碳失汇；
(3) 植物入侵如何影响生态系统碳循环过程,包括其影响的方向和幅度。
3.2研究意义
本研究的结果将为对外来入侵植物的处理提供理论依据。
目前从环境和物种管理的角度,对植物入侵后果的评价,主要侧重于物种多样性的影响和经济损失这两方面,而对生态系统功能和过程影响的评价还还不够全面。所以,本研究为更全面地认识和更客观地评价植物入侵的生态系统后果提供理论依据。
同时作为外来植物入侵生态系统的一个小的方面来完善整个理论体系，从而使其具有预测意义和规律性。
4.研究内容
对薇甘菊这种草本入侵植物入侵草原生态系统后，对其碳循环的影响的规律探究
4.1确定草原生态系统的生态特征，以及薇甘菊和当地植物群落生理生态特征。
调查该草原生态系统的地理位置、年平均气温，年平均降雨量以及物种组成等生态特征。调查该生态系统的主要植物群落以及当地薇甘菊的生长季长度、净光合速率、生物量等生理生态特征。可以作为后续工作分析的参考数据，也是了解该地碳循环的基本数据。
4.2.1薇甘菊入侵前后对该草地生态系统中植物的光合速率及生长速率的影响。
4.2.2薇甘菊入侵前后对生态系统中凋落物分解的影响。
4.2.3薇甘菊入侵前后对生态系统中土壤呼吸的影响。
这三个研究内容从草原生态系统碳失、碳汇的主要途径对薇甘菊对草原生态
系统碳流的方面进行了研究。
4.3.1薇甘菊入侵前后对植物碳库的影响。
4.3.2薇甘菊入侵前后对凋落物碳库的影响。
4.3.3薇甘菊入侵前后对突然碳库的影响
这三个研究内容主要探究了薇甘菊入侵对草原生态系统主要碳库的影响。
【参考文献】
1. Baruch Z,Goldstein G.1999.Leaf construction cost,nutrient
concentration,and net CO2 assimilation of native and species in Hawaii[J].Oecologia,121:183-192
2. Witkowski ETF.1991a.Effects of invasive alien Acacias on nutrient
cycling in the coastal loelands of the cape fynbols[J].Journal of Applied Ecology,28:1-15
3. Smith DL,Johnson L.2004.vegetation-mediated changes in microclimate
reduce soil respiration as woodlands expand into grasslands[J].Ecology,28:1-15.
4. Ehrenfeld JG,Kourtev P,Huang WZ.2001.Changes in soil functions
following invasions of exotic understory plants in deciduous forests[J].Ecological Applicarions,11:1287-1300
5. Hickman, Jonathan E .2013 The native-invasive balance: implications
for nutrient cycling in ecosystems [J] Oecologia, 173: 319-328
6. 鞠瑞亭 .2012.近十年中国生物入侵研究进展[J]. 生物多样性. 20 (5):
581–611
7. 何 震.2015. 植物入侵对河口湿地土壤碳循环影响研究进展[J]. 亚热带水
土保持. 第 27 卷第 3 期
8. 孙 仓. 2007.吉林省外来入侵生物的危害及防治对策[J]. 吉林农业大学学
报. 9 (4 ) : 38 4 一 38 ,
9. 毛子龙. 2011.薇甘菊入侵对深圳湾红树林生态系统碳储量的影响[J]. 生态
环境学报.20(12): 1813-1818
10. 高 燕.2010.中国东北外来入侵植物的现状与防治对策[J]. 中国科学院研
究生院学报. 第 27卷第 2期
生态学原理开题报告
《外来入侵草本植物（以薇甘菊为例）
对草地生态系统碳循环的影响》
姓名：刘雨婷
年级：2013级
学号：2013013194
1.研究背景与科学意义
生态系统碳循环是生态系统进行物质循环的主要途径，生态系统功能最基本的组成部分,同时也是生物地球化学循环的核心。碳循环可以被简要地描述成以植物为核心,通过绿色植物的光合作用把大气中的CO2固定成有机物,并主要储存于植物、土壤中,同时通过植物的自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸作用,重新向大气中释放C02,构成了大气—植物—土壤—大气之间的碳循环。
生态系统碳循环的研究内容包括生态系统碳库、生态系统碳流。生态系统碳库是指储存在植物、土壤和微生物等中的碳、氮量。生态系统碳是指碳在生态系统大气、植物、土壤等各成分之间的通量。表征碳流的过程有光合作用、生态系统净初级生产、凋落物分解作用、土壤的呼吸作用等。
生物入侵是全球变化的重要组成部分,它不仅严重地威胁着入侵当地生态系统的完整性和生物多样性,而且潜在地改变被入侵地环境的生态系统。入侵植物对入侵地当地物种多样性、物理环境、经济、社会和生态系统过程产生一系列的影响。在植物入侵所造成的众多后果中,其对生态系统过程的影响可能最为深刻, 这主要是因为入侵植物越过不可自然逾越的空间障碍后,在新的栖息地呈爆发式地增长并且失去控制,取代入侵当地的植物,改变原来生态系统的结构和功能。在这个过程中，入侵植物的表型可塑性、适应性进化、天敌释放、种间互利或偏利共生和新化感作用等因素对入侵起到了关键作用。而本课题则以典型入侵物种薇甘菊为例，探究入侵物种对草地生态系统碳循环的影响。
草地生态系统是自然生态系统的重要组成部分，对于维系生态平衡、地区经济（牧业）等均具有重要作用。通过研究入侵植物对草地生态系统碳循环影响，了解入侵植物对草地生态系统的影响过程，影响机理以及影响结果，有利于在接下来的研究中更好地找到对入侵植物的处理方案。能更好地在了解草地生态系统的基础上，对草地生态系统进行维护。
由于全球化的影响，生物入侵现象日益增多，也与越发常见，入侵植物是生物入侵中及其重要的一个方面，因此，研究入侵植物与草地生态系统的关系能跟好地解释生物入侵机制，从而更好地应对此类问题。
2.研究现状与分析
研究者主要认为入侵植物对生态系统碳循环的影响主要对碳流的影响以及对碳库的影响两个方面。由于入侵植物通常具有较强的光合作用和CO2的固定能力，在入侵地通常存在爆发式生长，目前的研究主要存在的一种观点是，入侵之后存在后的生态系统的碳固定能力增强，具有碳汇的功能。由于与本土植物相比,入侵植物常常表现出生长迅速、个体高大和种群密度高等特点,导致入侵植物往
往比本土植物具有更高的生物量，所以有观点认为：植物入侵使生态系统碳库有逐渐增大的趋势。
在前人的研究成果中，我发现，不同的生态系统类型，不同的入侵植物种类对生态系统的碳循环都有不同的作用趋势。但是这些研究成果主要从以下几个方面研究入侵植物对生态系统碳循环的影响：
2.1对碳失汇的影响
2.1.1.入侵植物对生态系统中植物的光合速率及生长速率的影响
光合作用是植物固定CO2的重要过程，也是生态系统发挥发挥其碳汇功能的重要来源。Baruch在比较夏威夷森林的入侵植物与本土植物光合作用速率的差异时发现,30种入侵植物的平均净光合作用速率整体上显著地高于34种土著植物的净光合作用速率。所以,Barueh的研究解释了为什么入侵植物比土著植物生长得更快。
2.1.2.入侵植物对生态系统中凋落物分解的影响
Witkowski对南非海岸带湿地来自澳洲的两种入侵灌木柳叶相思与西澳海岸相思和土著植物进行了地表凋落物分解实验。其结果表明,柳叶相思的凋落物分解速率比本土植物来克斯泊木的高,而西澳海岸相思比土著植物西莲香杞的低。
2.1.3.入侵植物对土壤呼吸的影响
土壤呼吸是根系、微生物呼吸的总称,是生态系统碳失的重要途径。而smith研究木本植物入侵北美草原生态系统时,测定了入侵木本植物和土著草本植物下的土壤呼吸速率。其结果表明,入侵木本植物下土壤的呼吸速率显著低于草地土壤的呼吸速率,这意味着外来木本植物的入侵减少了被入侵生态系统土壤的碳失。
2.2对碳库的影响
2.2.1入侵植物对植物碳库的影响
Ehrenfeld对前人研究结果进行了综合分析。在Ehrenfeld分析中,20个植物入侵的案例中,有16个案例的入侵植物生物量显著地高于土著植物生物量,只有4个案例表现出入侵植物生物量低于土著植物生物量。所以,植物入侵对生态系统植物碳库的影响,总体来看呈增大的趋势。
2.2.2入侵植物对凋落物碳库的影响
虽然凋落物库大小还受分解速率的影响,
但是植物入侵影响净初级生产和生物量的大小,也同样会影响凋落物碳库大小。Witkowski的研究表明,在灌木柳叶相思和西澳海岸相思入侵程度严重的湿地中,两种入侵植物的凋落物量均高于当地土著植物凋落物量的150-200%
2.2.3.入侵植物对土壤碳库的影响
土壤碳库是陆地生态系统碳库中的最大分量,与植物组成的变化有着密切的关系,但是在目前的研究中，对土壤碳库的研究非常多，但是在不同入侵植物以
及其针对的不同生态系统间的碳库变化有一定区别。
在以上知识储备和研究内容的基础上，我发现在研究入侵植物与碳循环关系的研究中，个体的独特性太强，缺少一定的规律性以及预测意义，但是这个过程需要建立一定的模型。在这个过程中，我选取其中一个方面进行探究。由于不同入侵物种对不同生态系统的作用不同，所以本课题主要探究草本入侵植物对草原生态系统碳循环的影响
3.研究目的和意义
3.1研究目的
通过本研究回答如下问题：
（1）薇甘菊的入侵是否增大了被入侵草原生态系统的碳库；
(2) 薇甘菊的入侵是否改变被入侵生态系统凋落物库的碳失汇；
(3) 植物入侵如何影响生态系统碳循环过程,包括其影响的方向和幅度。
3.2研究意义
本研究的结果将为对外来入侵植物的处理提供理论依据。
目前从环境和物种管理的角度,对植物入侵后果的评价,主要侧重于物种多样性的影响和经济损失这两方面,而对生态系统功能和过程影响的评价还还不够全面。所以,本研究为更全面地认识和更客观地评价植物入侵的生态系统后果提供理论依据。
同时作为外来植物入侵生态系统的一个小的方面来完善整个理论体系，从而使其具有预测意义和规律性。
4.研究内容
对薇甘菊这种草本入侵植物入侵草原生态系统后，对其碳循环的影响的规律探究
4.1确定草原生态系统的生态特征，以及薇甘菊和当地植物群落生理生态特征。
调查该草原生态系统的地理位置、年平均气温，年平均降雨量以及物种组成等生态特征。调查该生态系统的主要植物群落以及当地薇甘菊的生长季长度、净光合速率、生物量等生理生态特征。可以作为后续工作分析的参考数据，也是了解该地碳循环的基本数据。
4.2.1薇甘菊入侵前后对该草地生态系统中植物的光合速率及生长速率的影响。
4.2.2薇甘菊入侵前后对生态系统中凋落物分解的影响。
4.2.3薇甘菊入侵前后对生态系统中土壤呼吸的影响。
这三个研究内容从草原生态系统碳失、碳汇的主要途径对薇甘菊对草原生态
系统碳流的方面进行了研究。
4.3.1薇甘菊入侵前后对植物碳库的影响。
4.3.2薇甘菊入侵前后对凋落物碳库的影响。
4.3.3薇甘菊入侵前后对突然碳库的影响
这三个研究内容主要探究了薇甘菊入侵对草原生态系统主要碳库的影响。
【参考文献】
1. Baruch Z,Goldstein G.1999.Leaf construction cost,nutrient
concentration,and net CO2 assimilation of native and species in Hawaii[J].Oecologia,121:183-192
2. Witkowski ETF.1991a.Effects of invasive alien Acacias on nutrient
cycling in the coastal loelands of the cape fynbols[J].Journal of Applied Ecology,28:1-15
3. Smith DL,Johnson L.2004.vegetation-mediated changes in microclimate
reduce soil respiration as woodlands expand into grasslands[J].Ecology,28:1-15.
4. Ehrenfeld JG,Kourtev P,Huang WZ.2001.Changes in soil functions
following invasions of exotic understory plants in deciduous forests[J].Ecological Applicarions,11:1287-1300
5. Hickman, Jonathan E .2013 The native-invasive balance: implications
for nutrient cycling in ecosystems [J] Oecologia, 173: 319-328
6. 鞠瑞亭 .2012.近十年中国生物入侵研究进展[J]. 生物多样性. 20 (5):
581–611
7. 何 震.2015. 植物入侵对河口湿地土壤碳循环影响研究进展[J]. 亚热带水
土保持. 第 27 卷第 3 期
8. 孙 仓. 2007.吉林省外来入侵生物的危害及防治对策[J]. 吉林农业大学学
报. 9 (4 ) : 38 4 一 38 ,
9. 毛子龙. 2011.薇甘菊入侵对深圳湾红树林生态系统碳储量的影响[J]. 生态
环境学报.20(12): 1813-1818
10. 高 燕.2010.中国东北外来入侵植物的现状与防治对策[J]. 中国科学院研
究生院学报. 第 27卷第 2期