气象干旱对我国温带草原总初级生产力影响的时滞效应研究

Terrestrial gross primary productivity (GPP) plays a key role in carbon exchanges between land and atmosphere systems. In areas with few observation data, the estimation of GPP is still uncertain. GPP’s spatial distribution, dynamic variation and the mechanism of its influence factors are not clear. Additionally, drought has a significant impact on GPP of temperate grassland ecosystems, which has lacks of quantitative analysis at present. Temperate grassland in China is an important ecological climate sensitive area, and the scope and frequency of drought have increased in this area in the past few decades. In this project, we take the temperate grassland areas in China as the study area, aiming to estimate the regional GPP and analyze its spatial-temporal variations and the drought legacy effects. The main research contents include: (1) optimizing a valid ensemble learning method which applies to small sample size, estimating the study area’s GPP with flux data and climate data. (2) quantitatively analyzing the characteristics of spatial-temporal variations of the study area’s GPP during 1982-2015. (3) quantitatively analyzing the legacy effects of multi-timescale drought on GPP in the study area. This project will contribute to a better understanding of the response mechanism of regional carbon cycle to global change, provide basic data for accurate accounting of regional carbon budget, and provide a scientific basis for ensuring the ecological security of climate-sensitive areas and improving the development policy.

陆地生态系统总初级生产力(GPP)是陆地与大气间碳交换的重要环节。在观测数据较少的区域，GPP的估算还存在很大不确定性，其空间分布、动态变化以及影响因子的作用机制尚不明确。此外，干旱对温带草原生态系统GPP有显著影响，但其定量分析工作还有待开展。我国温带草原为重要生态气候敏感区，且过去数十年间干旱范围与频次有增长趋势。本研究拟以我国温带草原地区为研究区，开展区域GPP估算和干旱对其影响的时滞效应工作。主要研究内容包括：①发展适用于小样本量观测数据的集成学习方法，结合实测通量数据与气象数据，准确估算研究区GPP；②定量分析1982-2015年间研究区GPP的时空变化特征；③定量分析多时间尺度干旱对研究区GPP变化的时滞效应。本项目有助于深化理解区域碳循环对全球变化的响应机制，可为准确核算区域碳收支提供基础数据，为保障我国气候敏感区生态安全和完善开发政策提供科学依据。

草原是重要的陆地生态系统类型，提供生产力等生态系统服务功能，同时也是重要的气候变化敏感区。近年来，我国温带草原区域气象干旱事件发生的强度和频次都在增加，然而气候变化和干旱事件对温带草原生态系统生产力的影响方式、影响程度和影响机制尚不明确。本研究以我国内蒙古温带典型草原生态系统为研究对象，利用基于地面观测、遥感反演、数据驱动等生产的多源数据，使用model-tree-ensemble （MTE）这一机器学习方法，估算了我国温带草原1982~2015年0.1°*0.1°空间分辨率的月尺度总初级生产力。利用该总初级生产力数据集和表征生产力的增强型植被指数EVI，结合干旱指数SPEI分析研究了气象干旱对温带草原生产力的影响，得出以下主要结论：（1）温带草原对季节尺度和年尺度的水分动态变化的响应均存在时滞现象，但对季节尺度的水分变化更为敏感；（2）2001-2015年间的温带草原生态系统稳定性随着纬度升高而递减，存在明显的纬向分布特征；（3）相对于温度和降水，生长季稳定性与SPEI的相关性更强，但与季节性SPEI呈显著正相关，而与年尺度SPEI呈显著负相关关系。本研究可为评价和改进陆地生态系统过程模型中的碳-水耦合模块提供数据支撑和依据，也可为草原生态系统管理优化提供决策支持。