国科大王艳芬团队在草地生态系统响应极端气候方面的研究进展

  • 文/生命科学学院 (生命科学学院)
  • 创建于 2021-07-27
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  全球变暖和水循环加剧导致极端气候事件频发,极端气候事件如何影响陆地生态系统的关键过程及其相关的服务功能正逐渐成为全球变化生态学的研究热点和前沿。基于多年的极端气候事件野外控制实验,中国科学院大学王艳芬团队在评估半干旱草原对极端气候事件(干旱、热浪、暴雨和极端的降水分布)的响应方面取得系列成果。

  通过对生态系统多个层级的同步观测,揭示干旱和热浪胁迫下,植被地上地下互馈机制、生态系统多层级联动响应机制以及时间尺度效应。研究发现功能型(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物量的稳定性,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。个体层级植物通过生理适应(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)应对极端水热压力,直接影响叶片光合速率,进而改变生态系统层级的碳收支;另一方面,群落层级通过改变物种组成(优势禾草减少,非禾草增加)适应极端水热压力,调节生态系统层级碳收支(Plant Cell Environ.,2021,44 (7), 2402-2413)。此外,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(Geoderma, 2020, 378,114629)。植被群落组成通过地上地下生物量调节土壤呼吸对极端干旱的响应(Plant Soil, 2019, 439, 357-372)。

  通过比较发生在生长季不同时期干旱生态影响的差异,探明季节发生时间对极端干旱影响草地生态系统结构和功能的调节作用。研究发现不管干旱发生在生长季的早期、中期还是末期,都抑制围封草地的生态系统CO2 通量。但是生态系统CO2通量对早期干旱最敏感,对中期干旱最不敏感。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(Agr. Ecosyst. Environ., 2018, 266, 153-166)。中期和末期干旱抑制土壤中参与碳氮磷循环的酶活力和细菌群落的多样性,而早期干旱没有显著效应(Geoserm, 2021, 401, 115327)。研究结果表明干旱发生时间对其生态效应有重要的调节作用,而放牧措施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物量,但是生长季末期暴雨大幅减少地下生物量,而生长季中期暴雨对地下生物量没有影响。相反,生长季末期暴雨对生态系统CO2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生态系统CO2通量,后两年促进生态系统CO2通量。研究结果表明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(New Phytol., 2019, 223(2), 647-660; Agr. Forest Meteorol. 2017, 247, 356-364.)。

  在生长季降水总量不变的情况下,改变单次降水量和降水次数,形成四个降水变异型梯度,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物量和生态系统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、前述两者、生长季早期降水分别主导这些非线性关系(Sci. Total Environ., 2021, 781,147062)。不同功能性之间的补偿效应(旱生植物增加,广旱生植物的减少)维持地上生物量的稳定(Agr. Forest Meteorol. 2017, 240-241, 1-9)。但是需要注意的是,本地参数化后的DNDC模型模拟出的结果是土壤含水量单一主导的线性响应,两种方法不一致的结果直观的表明现有的生态过程模型很难准确反映生态系统对降水变异型的响应。而本研究得到的量化关系和机制能够为生态系统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。

责任编辑:高塬