青藏高原高寒草甸CO2通量对气候波动变暖的试验和模拟研究

Filed experiment and climate modeling all predict the intensified ecosystem carbon sink in alpine ecosystems in a warming climate. Most of the field expeirment use the continuous warming with the same magnitude of radiation forcing, which ignore the annual variability of warming magnitude in natural condition. Field experiment with fine design can not capture all the details of annual variability with climate warming. Integration of experiment and modelling is nesessary to study the ecosystem CO2 fluxes to warming. The resistance and resilience of the ecosystems CO2 to warming affect the model parameters. The model results would be biased if the parameters derived from continous warming experiment were used. Alpine grassland in the Qinghai-Tibet Plateau stores one third of the grassland carbon storage in China and it is very sensitive to climate warming. In this proposal, we plan to set up a field warming experiment with treatments of four-year-continuous warming, the first-and-third year warming, the first year warming to uncover the pattern of CO2 to continuous and discrete warming in the alpine ecosystem. With the experimental data as constrain, model parameters will be optimized under different warming treatments. Scenario analsysis will be used to predict the alpine ecosystem CO2 and carbon storage under a natural warming condition with annual variation.

野外试验和模型模拟研究均表明气候变暖会导致高寒生态系统碳汇增加。但目前的试验均采用持续的增温方式，忽略了气候变暖过程中增温幅度的年际变化。再精细的野外试验也不能完全模拟气候变暖过程中的年际波动，因此需要结合模型进行研究。生态系统CO2通量对气候变暖的响应存在滞后、恢复和适应，这些过程影响着碳循环模型中的参数。如果采用持续增温方式下参数将会给预测气候波动变暖情景下生态系统碳汇带来误差。青藏高原草地生态系统碳库约占我国草地生态系统碳库的1/3，且对气候变化敏感。因此，本研究拟在青藏高原多年冻土区设置持续4年增温、第1年和第3年增温、仅第1年增温以及对照。通过分析野外观测数据揭示高寒草甸CO2通量对持续和间歇性增温响应模式的差异；以观测数据为约束，通过数据同化优化模型参数，采用情景分析预测未来气候波动变暖情景下高寒草甸的CO2通量。

气候整体增温的背景下还存在着很大的年际波动，当前的野外模拟增温试验都是长期的平均增温。虽然长期的平均增温研究结果对于认识生态系统对气候变暖响应的模式和机理有一定的促进作用，但结果并不能完全重新实际的波动变暖对生态系统的影响。位于青藏高原的高寒草甸对气候变暖敏感、青藏高原平均的增温幅度远大于同纬度其它地区且其年际波动较大，因此高寒草甸是进行气候变暖试验的理想场所。生态系统对气候变暖的响应存在着滞后、弹性和适应等，这些过程是生态系统对气候波动变暖响应的主要机理。本研究通过对比观测的长期增温、增温后1年、2年高寒草甸地上生物量、地下生物量、土壤呼吸、异养呼吸、土壤养分、土壤微生物量和微生物群落结构分析生态系统对气候波动变暖的响应模式和机理；开发具有冻土模块的陆地生态系统模型并根据观测数据对模型参数进行优化；分析养分在生态系统对气候变暖影响的调节作用以及气候变暖对生产力稳定性的影响。结果发现：与其他生态系统不同，增温可持续促进高寒草甸土壤C释放，增温初期土壤温度增加的直接作用是导致土壤C释放的主要机制，增温后期地上生物量还持续增加，因此充足的呼吸底物是土壤C释放持续增加的主要原因；增温停止后，其对土壤C释放的促进还会持续1-2个生长季，延滞时间的长短与当年降水量相关；嵌入冻土模块的陆地生态系统模型可以很好的模拟0-20cm土壤水分，但只能模拟浅层（0-40cm）土壤水分，这可能主要是由于活动层中未冻水的存在；增温后群落中深根系的杂草增加浅根系的嵩草减少，杂草叶片光合强于嵩草但适口性低于嵩草，因此增温后虽然生态系统净C固定增加，但从畜牧业的角度来讲高寒草甸发生了退化；杂草和嵩草都具有通过根系分泌物活化土壤钙磷的能力，因此土壤中可利用P不是增温后群落结构变化的原因；增温后高寒草甸生产力稳定性下降，这表明生产力的不确定性增大，威胁着牧业生产安全。