中国灌木生态系统的碳水平衡

截至目前为止的中国区域可持续发展和生态系统与全球变化的研究中，占国土面积22%的灌木生态系统无论是从理论还是实验来说都是一个短板。最近的数据模型融合结果表明，在未来90年中，全球气候的总趋势是更加干旱。依靠乔木固定碳导致的碳和水分的矛盾将更加突出。而具有抗旱和耐寒特性的灌木在节水和固碳降低土壤侵蚀方面的功能值得重视。本项目以全国灌木生态系统为对象，用实验和生理模型结合的方法确定全国6个灌木生态系统类型的光合与水分生理特性模型。用MODIS遥感数据与地面数据结合的方法建立灌木生态系统状态数据集。生理模型的结果和面上数据被用于标定和验证大尺度灌木生态系统模型。最后用标定和验证过的生态系统模型来模拟全国灌木生态系统在未来30的碳和水的平衡功能以及二者之间的关系。上述研究内容与区域生态系统管理和持续发展有直接关系。

1．灌木入侵草原机理的模拟. 过度放牧被认为是造成灌木入侵草原的主要原因之一。按这个理论，围封后应该有草本的恢复和灌木的下降。但奇怪的是，在过去8年中我们发现围封样地内灌木的盖度和地上生物量显著地增加了一倍之多。结果不仅与大部分理论相悖。通过模型模拟，我们认为，长期过度放牧并不能直接导致草原灌木化。而长期过度放牧后再草原极度退化的条件下实行禁牧，恰恰提高了灌木化的可能性。因为退化的草原需要一定的时间才能演替成为生产率高的物种，灌木正有可能以草原还来不及恢复的机会入侵草原。有人认为中国的目前草原应该全部禁止放牧，这样的提议恰恰违反了当前主流研究的结果。因为长期过度放牧后禁牧可能导致迅速的草原灌木化。..2. 干旱区灌木气孔导度模型的建立及抗旱机理. 根据我们野外测定的灌木茎秆导水率与水分胁迫之间的关系和室内对导管解剖的结果，植物导水效率与因水分胁迫导致的导水率的损失之间存在一种妥协机制。传输效率高的植物，如半灌木的导管在水分胁迫下其道观传导率损失也较多。据此我们推导出了新的气孔模式。并利用MCMC方法反演了模型。结果说明，北方落叶灌木具有极强的抵御土壤水分干旱的能力。半灌木的气孔行为显著区别于灌木，具有一定的草本特性：即保卫细胞弹性模量较小，在水分胁迫较大的时候，气孔开度迅速降低以保持水分。这个结果解释了为什么国内的半灌木（油蒿、冷蒿）退化草原通过围封使半灌木衰退而草本恢复，而国外灌木草原却不能通过围封来剔除其中的灌木。..3．全国灌木EVI和NPP 的模拟. 为了得到全国灌木系统生长得趋势，我们用时空数据分析方法，分析了全国6 个灌木生态系统类型（亚热带常绿落叶灌木、温带落叶灌木、亚高山常绿灌木，亚高山落叶灌木、温带灌木灌木，以及高寒地区矮灌木）在2001-2013年MODIS EVI 植被指数以及生长季长度的时空变化趋势。结果说明全国灌木系统EVI 在2001-2013 间呈显著增加趋势。中国灌木生态系统的年平均NPP为361.31 g C m-2 a-1，其中亚热带常绿落叶灌木最高为539.06 g C m-2 a-1，而高寒荒漠灌木最低为67.50 g C m-2 a-1。2001-2013年间，中国灌木生态系统的NPP以1.58 g C m-2 a-2的速度增加了6%..4。发表论文12篇。