草原生态系统碳循环对降雨的响应阈值及机理研究

Global climatic change has profoundly impacted the structure and function of terrestrial ecosystem. The function of ecosystem services would lose when the impacts of climatic change on ecosystem exceed its threshold. So far, we have limited understanding of ecosystem's threshold responses, and especially have little understanding of the factors and mechanisms that cause the threshold responses. This study will be conducted in an alpine meadow in Sichuan, China. We will use manipulative experiments combined with pot experiments to investigate the responses of ecosystem carbon cycle (especially the processes of belowground carbon cycle) to changes in precipitation. We aim to find the tipping point of carbon cycle in response to the precipitation gradient, and reveal the mechanisms of different performances between aboveground and belowground carbon cycle processes. Furthermore, we will study the divergent threshold responses of grassland ecosystem in the fenced and unfenced plots, in order to reveal how human activities influence the threshold responses of grassland ecosystem to climatic change. This study will be helpful to understand ecosystem's responses to climatic change, and will provide parameters for models that used for predicting ecosystem primary productivity and carbon stocks in this alpine meadow.

全球气候变化对陆地生态系统的结构和功能已经产生急剧影响，当影响超过生态系统阈值时，生态系统服务功能将发生崩溃。然而，我们对生态系统阈值的理解还知之甚少，尤其是缺乏对其形成机制和诱发系统阈值改变的因子的了解。本研究以脆弱生态系统川西北高寒草甸为研究对象，用生态系统水平上降雨控制实验，研究高寒草甸生态系统碳循环关键过程尤其是地下碳循环过程对降雨梯度的响应，揭示并量化高寒草甸碳循环对降雨梯度的响应阈值，探讨地上和地下碳循环过程对降雨梯度响应异同的生态学机制。该研究有助于揭示生态系统对全球变化的响应阈值及机理，并为高寒草原生态系统初级生产力和碳储量的模型预测提供参数检验和模型验证。

全球变化背景下，降雨格局的改变对陆地生态系统结构和功能的影响逐渐加剧，然而我们对降雨梯度下生态系统的非线性响应和生态阈值的理解十分匮乏，尤其是对其过程机理的理解非常有限。本项目以脆弱生态系统青藏高原东部高寒草甸为研究对象，基于生态系统水平上降雨梯度控制实验，研究高寒草甸生态系统碳循环关键过程对降雨梯度的响应及其生物学机制。.本研究设置了6个水平的降雨梯度实验处理，分别为1/12P、1/4P、1/2P、3/4P、P、5/4P（P为生长季降雨），每个降雨梯度下设置不刈割和刈割两种模拟人类活动方式，通过测定碳循环主要过程相关指标来研究高寒草甸生态系统碳循环对降雨梯度的响应。取得的主要研究结论如下：.（1）高寒草甸地上净初级生产力对降雨梯度响应存在阈值。在实验的第二年和第三年，高寒草甸生态系统地上净初级生产力在1/12P处理下显著低于对照，比对照降低了37.7%和48.3%。地上净初级生产力与降雨量之间的关系为显著的非线性关系，其生物学机理是：在1/12P处理下群落的生物多样性降低、优势物种重新排序以及物种非同步性降低，这些群落特征的变化导致生态系统稳定性降低。（2）高寒草甸生态系统碳循环过程与降雨梯度间呈非线性关系。从第二年开始，极端减雨处理（1/12P）下生态系统呼吸和总生态系统初级生产力显著降低，生态系统净碳吸收受到抑制。该非线性关系主要由土壤含水量、无机氮含量和生态系统净初级生产力的变化所决定。（3）根生物量和地下净初级生产力对降水变化的敏感性较低，且土壤总呼吸、土壤异养呼吸与根系呼吸对降雨变化没有响应。（4）刈割方式提高了高寒草甸生态系统碳循环对土壤含水量变化的敏感性。割草使得净生态系统CO2交换与总生态系统生产力对降雨梯度的响应阈值提前。.本研究证实了碳循环关键过程与降雨梯度的非线性关系，该结果不仅能为预测和模拟高寒草甸生态系统对降雨变化的响应提供实验证据和理论依据，而且为降雨格局变化背景下的草地生态系统可持续管理提供理论基础。