温带退化草原碳固持能力对降水格局变化的响应及机理研究

Global warming changes hydrological cycle, temporal and spatial distributions of precipitation in terrestrial ecosystems. Precipitation amount has been considered as an important factor determining ecosystem productivity. Recent researches, however, indicated that precipitation frequency, timing, variability and extremity may play more vital roles in sustenance of ecosystem functions, especially for the arid and semiarid regions. More than 90% grasslands were facing degradation in China. Restoration of degraded grasslands provided a pathway for sequestrating CO2 and the grasslands of north China is an area with the strong carbon sequestration potential. In this study, a fenced and a degraded plot are chosen in Inner Mongolia semiarid grasslands. Precipitation pattern manipulative experiments will be conducted in each site. Carbon sequestration potential of each grassland site is quantified by comparing the carbon storage in the vegetation and soils. New techniques, such as high-throughput sequencing and stable isotope tracer, will be applied in our study to elucidate the linkage of key processes of above- and below-ground carbon cycles and their responses to changing precipitation pattern.In additional, the role of soil microbial community on regulating soil carbon balance will be illuciated.Our researches will be helpful for compohansive understanding the underlying meachnismes of carbon sequestration potentail of restoring degreaded grasslands and its response to future changing precipitation pattern in semiarid grassland of north China.

全球变化背景下，我国北方温带草原区降水格局的变化表现为降水的季节和年际变 异增强，极端的降水事件更加频繁，而这将显著影响草原生态系统碳水循环过程。我国近90% 的草原存在不同程度的退化，退化草原生态系统的恢复为固定CO2提供了一条有效途径，其中北方温带草原是最具固碳潜力的区域。而目前关于退化草原生态系统的碳汇功能及其对未来降水格局变化的响应及其机理方面的研究非常缺乏。本项目将在内蒙古温带半干旱草原区选择长期围封和放牧退化的草原群落，通过降水格局控制实验，应用高通量测序、稳定同位素标记等新技术，对比研究草原生态系统地上-地下碳循环过程的耦合关系，阐明由微生物介导的地下碳循环关键过程对降水格局变化的响应机理，了解未来降水格局变化对我国北方退化草原恢复过程中碳固持能力的潜在影响，为该区域的长期碳平衡和碳汇功能的评估提供重要的数据支持和机理解释

全球变化背景下，我国北方温带草原区降水格局的变化表现为降水的季节和年际变异增强，极端的降水事件更加频繁，而这将显著影响草原生态系统生产力和碳循环过程。我国北方温带草原是最具固碳潜力的区域，而目前关于草原生态系统的碳汇功能及其对未来降水格局变化的响应及其机理方面的研究非常缺乏。本项目基于建立在内蒙古温带半干旱草原的长期降水格局野外控制实验，通过对生态系统生产力和碳循环关键过程连续9年的监测，取得了如下研究发现：1）生态系统生产力和碳循环过程均随着降水量的增加而非线性增加，且对减水处理响应的敏感性显著大于增水处理。2）降水量变化并没有显著地改变生产力地下碳分配比例，但是显著提高了表层根系分布，这一变化与浅根系物种生物量贡献比例相关。3）资源获取型物种（如浅根植物）比资源保守型物种（如深根植物）对降水响应更加敏感，其生物量随降水增加提高更快。4）性状均值和种内变异相比，性状可塑性是预测植物生长对降水变化响应最敏感的指标，性状可塑性主要通过影响植物多度而不是个体大小来改变其生物量。5）土壤呼吸异养组分对降水变化响应的敏感性显著高于自养组分，并主导了总土壤呼吸的变化趋势，这导致随着降水量增加土壤呼吸异养组分所占比例显著提高。在未来降水格局变化背景下，降水量增加会加速土壤有机碳分解过程，影响土壤碳库稳定性。这些结果表明我国温带草原对在水分资源条件变化有较强的适应性，可以维持植被生产力及其地上地下分配比配比例的相对稳定；同时植物可以通过改变植物性状如地下根系的垂直分布来适应降水格局的变化，在全球变化研究中要充分考虑植物性状可塑性在生态系统结构和功能响应中的作用；而不同碳交换过程对降水变化敏感性的差异也将深刻影响温带草原碳固持能力。本项目的相关研究成果为评估未来全球降水格局变化条件下，我国北方温带草原长期碳平衡和碳汇功能提供重要的数据支持和机理解释。