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生命学院郝彦宾教授在草地生态系统碳循环响应极端气候方面取得了系列研究进展

  • 图文:李林峰
  • 发布于 2021-07-21
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人类活动产生的二氧化碳是引起气候变化的重要原因,全球变暖和水循环加剧导致极端气候事件频发,研究极端气候事件如何影响陆地生态系统的碳循环正逐渐成为全球变化生态学的研究热点和前沿,也是正确评价林草系统在实现碳达峰和碳中和目标中作用的重要基础。基于多年的极端气候事件野外控制实验,中国科学院大学郝彦宾教授在评估半干旱草原碳循环对极端气候事件(干旱、热浪、暴雨和极端的降水分布)的响应方面取得了系列成果。

揭示极端干旱和热浪胁迫下,植被地上地下互馈机制:功能型(优势种非优势种)之间相互补偿决定极端气候事件胁迫下群落地上生产力的稳定性,但是这种补偿效应依赖于地下根系的响应:如果地下根系死亡,地上功能型之间的补偿效应消失;多层级联动响应机制:植物个体通过生理适应(关闭气孔)和结构适应(将更多的碳优先分配到地下增加水分吸收,降低叶面积减少水分蒸腾损失)应对极端水热胁迫,直接影响叶片净光合速率,进而改变生态系统碳收支;另一方面,群落通过改变物种组成(优势禾草减少,非禾草增加)适应极端水热胁迫,调节生态系统碳收支;生物调节机制的时间尺度效应:微生物是土壤呼吸季节动态响应干旱和热浪的主导生物因子,而植物(生物量、丰度和多度)是土壤呼吸年际动态响应干旱和热浪的主导生物因子。

探明季节发生时间对极端干旱影响草地碳循环中的调节作用。不管干旱发生在生长季的早期、中期还是末期,都会抑制围封草地的生态系统CO2 吸收。但是生态系统CO2吸收对早期干旱最敏感。而生长季不同时期的干旱对放牧草地CO2影响具有很大的年际变异性,整体而言,早期干旱对碳汇功能的负效应大于末期干旱的负效应。研究结果表明干旱发生时间对其影响生态系统CO2吸收有重要的调节作用,而放牧措施会进一步调节这种响应。

明确暴雨对草地碳循环的影响依赖于其季节发生时间和重复次数。不管暴雨发生在生长季中期还是末期都不影响地上生产力,但是生长季末期暴雨大幅减少地下生产力,而生长季中期暴雨对地下生产力没有影响。相反,生长季末期暴雨对生态系统CO2吸收没有影响,而生长季中期暴雨在试验的前两年抑制植物光合进而降低了生态系统CO2吸收,后两年促进生态系统CO2吸收。生态系统通过个体生理和结构的适应以及群落结构的适应来提高对暴雨的正响应能力。

量化多个碳循环过程对降水变异型的响应关系并明确主导因子。土壤水分和氮可利用性共同决定生产力和生态系统CO2通量对降水变异型的非线性响应,其中土壤呼吸与降水变异型呈三项式关系,总初级生产力和净初级生产力、生态系统呼吸和地下生物量与降水变异型呈凸面关系,但临界点不同。土壤含水量、土壤无机碳含量、生长季早期降水分别主导这些非线性关系。但是需要注意的是,本地参数化后的DNDC碳氮循环模型模拟的结果表明是土壤含水量主导的单一线性响应,两种方法不一致的结果表明现有的生态过程模型很难准确反映生态系统对极端降水变异格局的响应。而本研究得到的量化关系和机制能够为生态系统碳循环模型的发展和改进提供坚实的理论基础和充足的数据支撑。

上述研究得到中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA20050103, XDA19030202)和国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(31761123001, 31761143018)支持。

图1 极端气候控制试验平台


图2 极端干旱、热浪和热干旱对草地生态系统CO2通量的影响


图3 极端降雨事件对草地生态系统生产力的影响

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