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地理資源所在高寒草甸生態系統響應全球變化研究中獲系列進展

2019-08-23 地理科學與資源研究所
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  全球變化會對陸地生態系統結構及功能產生深遠影響,然而,研究人員對于陸地生態系統尤其是高寒生態系統如何響應全球變化及其內在過程機理的認識十分有限。近年來,中國科學院地理科學與資源研究所牛書麗研究組依托若爾蓋紅原生態站,建立了一系列全球變化野外控制實驗平臺,系統地研究了高寒草甸生態系統對氣候變暖、降雨改變及氮沉降增加的響應及機理,并在該領域取得了一系列階段性成果。

  20198月,國際學術期刊Science Advances 在線發表了題為Water scaling of ecosystem carbon cycle feedback to climate warming 的研究論文,報道了水分可利用性調控生態系統碳通量對增溫響應的最新研究成果。以往的實驗及模型研究結果表明增溫會促進生態系統凈碳吸收或者釋放,造成對氣候變暖或負或正的反饋調節。然而,目前仍不清楚何種因素決定了生態系統碳循環對全球變暖的反饋大小及方向。而這一科學問題的未知,為預測未來全球變暖趨勢帶來了很大的不確定性。牛書麗課題組將野外控制實驗與全球整合分析手段相結合,發現在濕潤條件下增溫通常會促進生態系統凈碳吸收而對全球變暖產生負反饋,而在干旱條件下卻抑制生態系統凈碳吸收從而產生正反饋。具體機理為:在濕潤條件下,增溫造成水分降低的間接作用會增強溫度增加產生的直接作用,共同促進生態系統凈初級生產力(NEP)并產生負反饋調節;相反在干旱條件下,增溫造成水分降低的間接作用會在一定程度上抑制溫度增加對NEP的直接促進作用,且在極端干旱條件下甚至會造成NEP的降低并產生正反饋 (Quan et al. 2019, Science Advances)。該研究所揭示的增溫效應的水分調節機制,不僅為以往研究中不一致的增溫效應提供了較好的統一性認識,也有助于提高生態系統碳循環對氣候變暖響應的模型預測準確性。

  此外,牛書麗研究組基于位于四川省紅原縣(青藏高原高寒草甸生態系統)的全球變化控制實驗平臺(見圖),還取得了以下主要研究進展:

  1. 通過野外增溫控制實驗及對生態系統各個碳、水循環過程的拆分,發現氣候變暖增加了高寒草甸生態系統水分利用效率,植被蒸騰作用對增溫的響應決定了該高寒草甸生態系統水分利用效率的變化,而生態系統總初級生產力或土壤水分蒸發的貢獻較小(Quan et al. 2018, Journal of Geophysical Research-Biogeosciences)。該研究從各碳水通量過程上為他們充分認識高寒草甸生態系統水分利用效率響應氣候變暖提供了新思路,并強調了植被蒸騰作用的關鍵調節作用。

  2. 全球氣候變化模型預測未來極端干旱的頻率和強度將增加,然而目前還不清楚極端干旱是否及如何引發生態系統的極端響應;利用多梯度的降水控制實驗,課題組發現不同生態系統碳通量組分對極端降水變化的響應敏感性存在差異,主要表現在植物呼吸比微生物呼吸敏感、植物地上部分的呼吸比根系呼吸敏感;生態系統凈碳交換與降雨量間存在非線性關系(Zhang et al. 2019, Functional EcologyZhang et al. 2017, Scientific Report),而草地管理(刈割)會增加生態系統生產力對降雨變化的敏感性(Zhang et al. 2019, Plant and Soil),這些發現對于改進碳循環動力學模型、預測生態系統碳通量對降水變化的響應有著重要意義。進一步的機理研究發現生態系統的極端響應是由植物群落結構的變化所驅動,如物種的異步性、物種丟失或優勢物種間的重新排序等,由此強調了群落動力學在決定生態系統生產力對極端干旱的抵抗力方面的關鍵作用 (Zhang et al. 2019, Journal of Ecology)

  3. 通過紅原開展的氮添加梯度試驗,他們發現土壤呼吸不同組分對氮添加響應的敏感性存在顯著差異,主要表現在氮添加對土壤自養呼吸的抑制作用大于異養呼吸,導致異養呼吸占土壤呼吸的比例隨氮添加劑量的增加而增加;氮添加引起的植物群落組成變化顯著影響自養呼吸而對異養呼吸無顯著影響 (Wang et al. 2019, Functional Ecology);另外,生態系統碳通量(生態系統凈CO2交換、生態系統呼吸、總生態系統生產力)對氮素添加的響應在實驗的第二年便由線性響應氮飽和響應,此高寒草甸生態系統碳通量對氮素添加響應的氮素臨界值和飽和值分別為2 g N m-2 year-18 g N m-2 year-1 (Song et al. 2017, Biogeosciences)。同時課題組還發現高寒草甸生態系統的碳利用效率對氮添加的響應并不敏感,而碳利用效率隨著氮添加速率的增加之所以保持恒定主要是由于碳吸收與碳釋放的內在耦合 (Ma et al. 2018, Journal of Geophysical Research-Biogeosciences)。上述研究對于生態系統碳循環參數化以及理解氮沉降持續增加下的生態系統碳固存具有重要意義。

  上述研究得到國家自然科學基金杰青項目(31625006)、國家重點研發計劃課題(2016YFC0501803)、第二次青藏高原綜合科學考察研究項目(2019QZKK0302)等的資助。

    相關發表成果: 

  (1)Quan Q, Tian D, Luo Y, Zhang F, Crowther T, Zhu K, Chen H, Zhou Q, Niu, S*. 2019. Water scaling of ecosystem carbon cycle feedback to climate warming. Science Advances, 5:eaav1131.

  (2)Zhang F, Quan Q, Ma F, Tian D, Hoover DL, Zhou Q, Niu S*. 2019. When does extreme drought elicit extreme ecological responses? Journal of Ecology, DOI: 10.1111/1365-2745.13226.

  (3)Zhang F, Quan Q, Ma F, Tian D, Zhou Q, Niu S*. 2019. Differential responses of ecosystem carbon flux components to experimental precipitation gradient in an alpine meadow. Functional Ecology, 33(5): 889-900.

  (4)Wang J, Song B, Ma F, Tian D, Li Y, Yan T, Quan Q, Zhang F, Li Z, Wang B, Gao Q, Chen W, Niu S*. 2019. Nitrogen addition reduces soil respiration but increases the relative contribution of heterotrophic component in an alpine meadow. Functional Ecology, DOI: 10.1111/1365-2435.13433.

  (5)Zhang F, Quan Q, Ma F, Zhou Q, Niu S*. 2019. Clipping increase ecosystem carbon sequestration and its sensitivity to precipitation change in an alpine meadow. Plant and Soil.

  (6)Chen WN., Zhang F, Wang B, Wang J, Tian D, Han G, Wen X, Yu G, S. Niu*. 2019. The diel and seasonal variation of methane in an alpine meadow. Journal of Geophysical Rsearch-Biogeosciencs. DOI: 10.1029/2019JG005011.

  (7)Quan Q, Zhang F, Tian D, Zhou Q, Wang L, Niu S*. 2018. Transpiration dominates ecosystem wateruse efficiency in response to warming in an alpine meadow. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences123(2), 453-462.

  (8)Ma F, Song B, Zhang F, Quan Q, Zhou Q, Niu S*. 2018. Ecosystem carbon use efficiency is insensitive to nitrogen addition in an alpine meadow. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 123(8), 2388-2398.

  (9)Song B, Sun J, Zhou Q, Zong N, Li L, Niu S*. 2017. Initial shifts in nitrogen impact on ecosystem carbon fluxes in an alpine meadow: patterns and causes. Biogeosciences, 14, 3947-3956.

  (10)Zhang F, Quan Q, Song B, Sun J, Chen Y, Zhou Q, Niu S*. 2017. Net primary productivity and its partitioning in response to precipitation gradient in an alpine meadow. Scientific Reports, 7(1): 15193.

 

全球變化控制實驗平臺

打印 責任編輯:葉瑞優

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