黄土高原农牧交错带典型草地群落碳循环对降水变化的响应

In the cropping-pastrol ectone of the Loess Plateau, the precipitation varies greatly with year and season, resulting in the great shifts in the ecosystems productivity and carbon sequestration of the grassland, which is the typical and dominant vegetation in the ectone region. Through field long term experiment and laboratory control experiment, aiming at the typical grassland community, this project will be conducted to study the hydrological, biological and carbon cycling processes at different precipitation senarior so as to understand how precipitation changes derive the carbon cycling in the grassland in the region at leaf, individual and community levels. Through these studies, we aim to calrify the linkage of the precipitation - soil water - aboveground photosynthesis - aboveground respiration - roots resoiration - soil repisration in grassland, and to establish the transfering relationship of the major cycling processes of water and carbon between leaf level, individual level and community level. The objectives were to understand the respons and acclimation of carbon cycling, and thus the carbon sequestration in grassland to the changes of the precipitation in the cropping-pastrol ectone of the Loess Plateau, which would provide scientific evidences for precise predicting carbon cycles in different precipitation senarior and practical guidelines for the grassland management.

黄土高原农牧交错带典型植被为草地，该区降水年际和季节变化大，生态系统生产力和碳汇功能波动剧烈，对环境因子变化响应敏感。本项目针对黄土高原农牧交错带典型草地群落，通过野外长期定位试验和室内模拟试验，系统研究草地水文过程、生物学过程和碳循环主要过程对降水季节变化和年际变化的响应特征，从叶片、个体和群体尺度揭示研究区降水变化对碳循环主要过程的驱动机制，阐明降水-土壤水-植物光合-植物呼吸（地上部）-根系呼吸-土壤呼吸的联动机制和水力学联系，建立研究区典型草地群落叶片、个体和群体水平碳循环主要过程和水分利用效率的尺度转化关系，明确草地碳循环对降水格局变化的响应和适应机理，揭示研究区典型草地群落在不同降水模式下的碳汇功能，从而为黄土高原农牧交错带草地生态系统碳循环的准确预测和管理提供理论依据和技术支撑。

项目围绕黄土高原农牧交错带草地生态系统碳循环过程对降水变化和水分关系的响应特征开展研究。在黄土高原农牧交错带北部，针对不同草地群落，研究了水分管理对土壤呼吸及有关过程的影响。在黄土高原农牧交错带的核心地带—宁夏云雾山自然保护区，布设了典型草地群落（本氏针茅群落）降水控制试验平台，设计不同降水年际变化（正常降水年、干旱年和湿润年）和季节变化（雨季增加、雨季减少、旱季增加、旱季减少，以及这4种处理的不同组合）模式，在项目执行期间测定了土壤呼吸、生态系统呼吸、生态系统净气体交换速率，并对土壤水分含量和温度以及气象条件进行了自动连续观测。在这些实验研究基础上，系统分析了典型草地群落主要碳交换过程在不同降水变化模式下的日变化、季节变化和年际变化特征，利用结构方程模型建立了降水-土壤水-群落碳交换过程的联动关系，并且用Biome-BGC模型对研究区过去50年和未来不同气候变化情景下的碳交换过程进行了模拟。发现水分添加显著促进了本氏针茅、苜蓿、自然恢复和退化苜蓿草地群落土壤呼吸速率，但是未改变其季节变化特征。此外，水分添加显著增加了苜蓿、自然恢复和退化苜蓿草地群落土壤呼吸的温度敏感性。碳交换过程表现出明显的日变化和季节变化特征，并且主要受温度变化的影响,但是受降水变化影响较小。不同时间尺度上降水-土壤水热环境-群落碳交换过程之间的联动关系驱动机制存在差异。在季节变化尺度上，降水变化对群落碳交换过程的影响主要通过改变净生产力来实现。在日变化时间尺度上，降水变化直接决定着群落生产力水平，生产力水平和土壤温度共同决定着生态系统呼吸速率，而土壤呼吸速率主要取决于土壤温度的变化，受生产力水平的影响较小。对黄土高原农牧交错带典型草地群落碳交换过程的预测结果表明，研究区草地生态系统过去50年碳交换年际变化主要受降水影响，在未来气候变化情景下，在温度不变和升高的情况下，旱季增雨可以增强，而雨季增雨则会减弱其碳汇功能。