中国典型草地生态系统水碳耦合关键指标对气候变化响应的样带研究

本研究以指示生态系统在不同层次上的水碳耦合关系的关键指标（蒸腾利用效率、水分利用效率、降水利用效率）为切入点，通过其时空变异特征的综合对比分析，探讨中国典型草地生态系统的水碳耦合机制及其对气候变化的响应趋势。研究以分布于我国北方温带地区和青藏高原的天然草地样带为平台，通过样带上四个定位研究站的长期通量观测和模型模拟，揭示生态系统在三个指标在不同时间尺度上的变异特征、生物环境控制机制，以及站点间的差异。再以遥感观测数据为基础，通过模型估算整个样带上的生态系统连续多年的生产力、蒸散及其组分，进而揭示这三个指标在样带尺度上的空间格局及其生物环境控制机制。在此基础上，通过站点上不同时间尺度之间，站点尺度与样带尺度间，以及各指标间的对比分析，探讨我国典型草地生态系统的水碳耦合机理。研究结果可为预测气候变化对我国主要草地生态系统水碳循环的影响提供理论依据，也为实施生态系统固碳管理措施提供参考依据。

深入解析生态系统水碳耦合关系是认识气候变化对生态系统水碳循环影响的重要环节。本研究以生态系统在不同层次上的水碳耦合关系为切入点，通过其时空变异特征的综合对比分析，探讨中国典型草地生态系统的水碳耦合机制及其对气候变化的响应。围绕这一主题，本研究从三个方面开展研究并取得重要进展：(1) 整合地面样方调查数据和遥感数据，系统分析了沿中国草地样带气候梯度降水与植被生产力的耦合关系、变异特征及控制机制；（2）改造蒸散模型，实现由站点到区域的生态系统GPP和蒸散的模拟，揭示了样带尺度GPP、蒸散和水分利用效率的空间格局；（3）开展了叶片尺度水分利用效率观测实验和生态系统长期水碳通量监测数据分析，解析了叶片尺度和生态系统尺度水分利用效率的时空变异特征，揭示了其生物环境控制机制。特别地，本研究揭示了沿气候梯度中国草地生态系统降水利用效率的空间格局与控制机制，提出在大陆及以上空间尺度上，植被生产力与年均降雨量的关系应当呈logistic曲线形式，而并非经典的迈阿迷模型所提出的指数方程形式。揭示了沿中国草地样带降水对植被生产力空间变异的影响机制，发现不同草地类型生产力与年均降雨之间的线性关系的斜率存在显著差异，导致在整个研究区域二者呈指数回归关系，同时，发现降水的季节分配均匀程度对ANPP的空间变异的贡献与MAP的贡献几乎相等，这使我们对草地生态系统生产力与降水的关系有了更进一步的认识。揭示了中国典型生态系统水分利用效率的差异，发现植被内在水分利用效率、海拔、C4植物比例的重要调控作用。改善了双源蒸散模型的关键环节，实现生态系统蒸散、GPP和水分利用效率在不同空间尺度上的模拟，为进一步解析区域尺度生态系统水碳循环特征提供重要支持。本研究在生态系统水碳关系方面取得的研究成果将提升对中国陆地生态系统碳水循环机理的认识，为预测气候变化对中国陆地生态系统关键过程的影响提供重要科学依据。