人工固沙植被演替过程中碳-水通量动态及其耦合机理研究

Dynamics of carbon and water fluxes is one of the core concerns of global change researches, and the changes in the coupling relationships between carbon and water fluxes map the succession process and stability of artificial sand-fixing vegetation. This project will adopt the method of spatial sequence instead of temporal successional sequences, taking the artificial revegetation in different successional stages in Shapotou areas in the southeastern edge of the Tengger Desert as the research subject. Via applying eddy covariance and stable isotope techniques and by combining field monitoring and simulation experiment, this project aims to study the daily, seasonal and annual characteristics of carbon and water fluxes of the artificial revegetation and their responses to the variations of vegetation, soil and meteorological factors at leaf, plant, community and ecosystem levels during the process of vegetation succession; analyses the driving mechanisms underlying the coupled carbon and water fluxes at different scales; probes into the responses and variation ranges of the stability maintenance of carbon and water fluxes to precipitation and heat in the future through simulation experiments and model analysis. Our goal is to provide scientific basises for the precise assessment of carbon sequestration benefits from the vegetation construction and the management of the artificial vegetation system in Chinese desert.

碳通量和水通量动态是全球变化研究的核心内容之一，两者耦合关系的变化也映射了人工固沙植被系统的演替进程和稳定性。本项目采用空间代替时间的方法，以我国腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同演替阶段的人工固沙植被区为研究对象，借助涡动相关和稳定同位素技术及野外监测与模拟实验结合的手段，研究植被演替过程中叶片、植株、群落和生态系统尺度上碳通量、水通量的日、季节及年际变化特征及其对植被、土壤和气象因子变化的响应规律，分析不同尺度碳-水耦合的驱动机理，并模拟分析碳通量、水通量对未来温度、降水变化的响应，为准确评估沙区植被建设对我国碳汇收益和人工固沙植被系统管理提供科学依据。

碳通量和水通量动态是全球变化研究的核心内容之一，两者耦合关系的变化也映射了人工固沙植被系统的演替进程和稳定性。本项目采用空间代替时间的方法，以我国腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同演替阶段的人工固沙植被区为研究对象，借助涡动相关和稳定同位素技术及野外监测与模拟实验结合的手段，获得了以下结果：(1) 探明了植被演替过程中碳通量的日、季节和年际变化规律。研究发现，在天然植被区，碳通量随着年降雨变化出现了碳源-汇之间的变化，但是人工植被区无论是干旱年份还是湿润年份，均表现为碳汇；人工植被的建立，增加了荒漠生态系的碳汇功能，但是其碳汇能力随着植被演替时间的增加而降低。(2) 揭示了植被演替过程中水通量(ET)的日、季节和年际变化变化特征。结果表明，水通量随着植被演替时间的增加，蒸散量也逐渐增加；随着植被固定时间的增长，蒸散量对降水的消耗也逐渐增加。(3) 探明了植被演替过程中，碳通量与水通量之间的耦合关系。结果表明碳通量与水通量之间的耦合关系是随着植被演替时间的增加而加强的。(4) 揭示了不同尺度水分利用效率(WUE)的变化规律。在植被恢复早期，生态系统层次WUE较高，随着植被演替时间的增加WUE逐渐降低；在叶片尺度上，虽然植被演替的过程改变了植物的WUE，但是不同的植物WUE对植被演替的响应是存在差异的。油蒿的WUE表现出了随着植被建植时间的增加而逐渐增加，而柠条的WUE低于油蒿，且没有随着植被演替过程表现出明显的变化趋势。(5) 揭示了环境因素以及植被因素(NDVI)对碳通量(NEE、GEP 、Reco)和ET的影响。浅层土壤含水量与天然植被区NEE、人工植被区GEP、Reco呈现显著的正相关关系，与天然植被区GEP、Reco和人工植被区NEE呈现显著的负相关关系；天然植被区与人工植被区ET均受到辐射的影响较大，除此之外，天然植被区ET受降雨的影响较大，而人工植被区ET受到土壤水分(浅层或者深层)的影响较大；演替早期碳通量更多的受到NDVI影响，演替后期碳通量受到NDVI的影响较小；水通量在天然植被区受NDVI的制约高于人工植被区，演替早期的受到的制约要高于演替后期。(6) 探明了降水变化对植物光合与蒸腾以及群落NEE、GEP 、Reco和ET的影响。降水的变化改变了生态系统植物的光合速率与蒸腾速率，从而改变了植物的水分利用效率，但是不同的植物对降水变化的响应存在差异。