极端低温对半干旱草地群落物候和碳通量的影响

The semiarid grasslands in Mongolia Plateau are among the very sensitive ecosystems to the changing climate, including its extremes that are high in their magnitude and frequency. Our analysis of the climate change in the past six decades indicates that the extremes cooling continues with the warming trend in this region. Several large manipulative experiments had been installed to understand the effects of warming and heat waves on ecosystem processes, but none on the role of extreme low temperatures regardless of their similar occurrences to the heat waves. Based on a temperature-controlled experiment in Duolun of Inner Mongolia, our objective is to examine the regulations of seasonal lower temperatures (five levels) on plant phenology and phenology traits, major carbon fluxes (i.e., photosynthesis, respiration, and net exchange), as well as the underlying mechanisms responsible for the changes. We will investigate the changes and regulations at species, functional groups, and ecosystem level to understand the coupled changes of phenology and carbon fluxes at multiple temporal scales, the relative contributions of low temperature to the long term climatic changes on the relations between phenology and carbon fluxes. This study is based on the first manipulative experiment on low temperatures in terrestrial ecosystems, suggesting that the results will be foundational to the global change community as its scientific base and firsthand data for future modeling.

蒙古高原半干旱温带草地作为气候敏感区域，其分布范围广泛，极端气候事件频发，对全球气候变化具有高度的响应和反馈效应。通过对多伦县典型草原近60年的气象数据分析发现，该区域的极端低温事件在全球平均气温总体变暖的趋势下仍然占据重要地位。当前众多兴起的实验平台（如增温、施肥、FACE等）中，全球范围内没有一个极端低温实验，因此，本研究拟基于全世界首个极端低温控制实验平台，模拟不同季节的极端低温事件对群落物候、碳通量(光合作用、呼吸作用，净生态系统碳交换)的影响过程及作用机理。探索不同时间尺度（日-月-年）下，极端低温对半干旱草地的从物种到群落的物候期与物候变化特征、物种及群落碳通量的影响过程、物候-碳通量关系的机理。本研究的开展将促进极端低温对生态系统影响机理的理解，为精准预测未来极端低温事件对“生态系统-气候变化”的影响提供理论依据。

极端气候事件作为全球变暖的另一重大特征，极端低温气候事件在全世界范围内的发生频率虽然整体降低，但是极端低温气候事件对生态系统，尤其是温带半干旱草地的影响仍然非常深刻。目前关于极端低温的研究多数集中在植物生理等方面，因此，探讨极端低温对温带半干旱草地的生态影响具有重大意义。本实验依托青年基金和其他项目的共同支持，完成了平台建设及2年实验测定。研究结果表明，极端低温事件对半干旱草地的植物生理、群落组成及生态系统功能均产生显著影响。极端低温显著改变委陵菜属的叶绿素含量，其中，2017年秋季降温显著降低委陵菜的叶绿素总含量，2018年春季延缓委陵菜的叶绿素含量增加量。2018年春季降温后的委陵菜可溶性糖含量显著低于降温前。2017年秋季和2018年春季降温均显著降低物种丰富度和多度，2018年秋季降温显著降低物种多度，更重要的是，在2018年春季和秋季降温之前，降温样方的丰富度也显著不同于对照，这是因为前一次降温对群落丰富度的影响持续到此次降温前。对于碳通量，仅仅2018年秋季降温显著降低降温期间的净生态系统碳交换（NEE），2018年的春季和秋季降温均改变降温期间的生态系统呼吸（ER）。降温结束后，降温对NEE和ER的影响均不显著，并且在非降温期间的整个生长季也没有显著变化，这可能是因为这3次降温对碳通量的影响是通过降低空气温度，并没有通过改变群落结构间接改变碳通量。以上结果表明，极端低温事件对群落结构的影响可能持续时间相对较长，而对碳通量的影响可能随着降温结束而结束，那么，群落结构对极端低温的响应是否存在胁迫记忆还需要更长时间的实验监测来验证。 短期的实验结果（两年）不足以描述极端低温事件对温带半干旱草原的影响过程，但是为后续的深入研究引出部分科学问题，为后续的实验改进给出思路。