黄土高原半干旱草地生态系统对降水变化的响应与模拟

Low precipitation amount and high variability are among the main characteristics of the semiarid Chinese Loess Plateau. Precipitation amount decreased and more concentrated on less extreme events in the last 50-y in this region. Climate models predict that both precipitation amount and extreme event will increase in the future, with the potential for rapid and significant impacts on ecosystem process and function in this region. It is imperative to explore the response of ecosystem key process to changes in precipitation amount and extreme event on the Loess Plateau. This is also important for ecological fragile region to deal with climate change and achieve sustainability. Therefore, this project will combine both field experiment and ecosystem model simulation to assess the impact of multi-level changes in precipitation amount and extreme event on a semiarid grassland ecosystem of the Loess Plateau. These include (1) sensitivity of ecosystem carbon, nitrogen and water processes to changes in precipitation amount (both increase and decrease) and intensified extreme event; (2) threshold and non-linear responses of ecosystem process to precipitation change; and (3) key biotic and abiotic characteristics determining the sensitivity of ecosystem process to changes in precipitation. By doing so, we will improve the capacity to understand and predict response of regional ecosystem to changes in precipitation, and to provide scientific basis for ecosystem management.

降水量低且变率大是半干旱黄土高原的最主要特征之一。近50年来该区域降水量明显减少、降水更集中于少数极端降水事件，但气候模式预测区域未来降水量和极端降水强度都将增大。降水变化将对区域生态系统过程和功能产生迅速且显著的影响。探讨降水量和极端降水变化对黄土高原生态系统关键过程影响，是生态脆弱区应对气候变化、实现区域可持续发展的必然要求。本项目拟以黄土高原半干旱草地生态系统为对象，通过设计降水量和极端降水强度多个水平变化的野外控制实验，并结合生态系统机理模型，研究：(1) 生态系统碳、氮、水等关键过程响应降水量变化(增加和减少)和极端降水强度增大的敏感性；(2) 生态系统关键过程对降水变化的阈值和非线性响应特征与机理；(3) 决定该生态系统过程对降水变化敏感性的关键生物学和非生物学特征。从而提升我们理解和预测区域生态系统响应降水变化的能力，为促进生态系统管理提供科学依据。

降水量低且变率大是半干旱黄土高原的最主要特征之一。气候模式预测区域未来降水量将增大、极端降水可能增强。探讨降水量和极端降水变化对黄土高原生态系统关键过程影响，是生态脆弱区应对气候变化、实现区域可持续发展的必然要求。本项目主要研究了：(1)黄土高原半干旱草地生态系统对降水量和极端降水强度变化的敏感性；(2)决定草地生态系统对降水量和极端降水强度变化敏感性的关键生物学与非生物学特征；(3) 草地生态系统对降水量和极端降水强度变化的非线性响应特征与机理。.本项目取得如下研究结果：（1）通过对黄土高原典型半干旱草地地上生物量的长期（2004-2017年）观测，发现当年地上生物量随前一年降水量增加而显著地线性增加，即具有遗留效应。在极端降水频率增加的情景下，降水量仍对草地地上生物量具有遗留效应。降水频率增加，导致杂草密度增加而禾本科植物密度减少。由于杂草的高度和生物量分别比禾本科低65%和53%，降水频率增加导致草地总地上生物量减少，地上生物量对降水量的敏感性降低。（2）生态系统生产力与降水量存在线性和非线性关系，线性关系表明生态系统生产力对降水量的变化更敏感。水分是大多数旱地生态系统的主要限制因子，因此旱地生态系统生产力对降水量变化敏感，生产力与降水量呈线性关系。而那些受气温或太阳辐射、土壤养分限制的生态系统，生产力与降水量呈非线性关系，生产力对降水量变化的敏感性较低。（3）利用实测的生物量和降水、气温等气候数据，课题组比较了多个净生产力估算模型，发现基于年均降水量的NCEAS（国家生态分析与整合中心）模型所估算的生产力与实测数据吻合度最高。发现在2000-2016年期间黄土高原草地生态系统植被绿度持续增加，2009-2016年期间的植被绿度比2000-2007年增加了近15%。气候和人为因子对植被绿度增加的贡献比率分别约为60%和40%。.项目获得了黄土高原34个草地生态系统实测的生物量和降水、气温等气候数据，在空间上基本覆盖了黄土高原的主要气候类型。本项目的数据和研究结果可为我国旱地区生态可持续性发展和生态安全屏障建设提供科学支撑。