观测与模式研究温带典型草原碳收支对极端气候事件的响应

Studies on global climate change have mainly focused on the effects of average climatic trends on ecosystems. However, consequences of future extreme weather conditions for ecosystem functions and services are largely unknown and have only been addressed by ecological research recently. Abrupt extreme weather events, widely regarded as the catalyst of climate change, can affect the ecosystem carbon (C) budgets more rapidly than gradual climate change, and sometimes may turn the ecosystem from a C sink to a C source of and even become negative to affect the trend and intensity of global climate change. In order to fully understand the sensitivity, characteristics and mechanisms of grassland C budget in response to extreme weather events, a validated process-oriented biogeochemistry model and controlled experiment are integrated and employed for the first time to simulate extreme high temperature and extreme drought in a typical steppe in Inner Mongolia where the magnitude and frequency of climate or weather extremes are expected to increase in recent 50 years. Then, we conduct observations on the dynamics of C fluxes, biological and environmental factors under extreme climate conditions. We therefore aim to optimize and develop a model that best depicts and predicts the dynamics of grassland C budget under extreme weather conditions, which will provide more accurate and reasonable data support for estimating regional and global carbon budget and improving global carbon cycle model, and ultimately, an important scientific basis for the accurate evaluation of the contribution of temperate steppe to global climate change.

目前，全球气候变化的研究主要集中在平均气候变化对生态系统的影响上，很少关注极端气候的作用。而作为全球气候变化趋势的催化剂，极端气候对生态系统碳收支的影响要比气候的平均变化大很多，甚至可能会使系统由碳汇变为碳源，并反馈影响气候变化的趋势和强度。基于此，本项目在近50年极端气候频发的内蒙古典型草原地区，利用已建立的控制试验平台和已完成本地化的生物地球化学模型，模拟极端高温和极端干旱，研究极端气候对草原碳收支的影响。在植物生长季的不同时期，通过动态观测生态系统碳通量、生物及环境因子，分析草原生态系统碳收支对极端气候的响应特征和敏感性，揭示其响应机制；优化并建立更适用于模拟极端气候的草原碳循环模型，预测极端气候对生态系统碳收支的影响，为区域碳收支预算及全球碳循环模型的完善提供理论和数据支持，为准确评价温带草原对全球变化的贡献提供科学依据。

目前，全球气候变化的研究主要集中在平均气候变化对生态系统的影响上，很少关注极端气候的作用。而作为全球气候变化趋势的催化剂，极端气候对生态系统碳收支的影响要比气候的平均变化大很多，甚至可能会使系统由碳汇变为碳源，并反馈影响气候变化的趋势和强度。基于此，本项目在近50年极端气候频发的内蒙古典型草原地区，利用已建立的控制试验平台和已完成本地化的生物地球化学模型，模拟极端高温和极端干旱，研究极端气候对草原碳收支的影响。研究结果表明：（1）极端干旱和极端高温分别使净生态系统CO2吸收能力减少16%和38%，但机制不同；极端干旱降低了总生态系统生产力（GEP）和生态系统呼吸（ER），而极端高温仅抑制了GEP，对ER没有影响；极端气候事件会对GEP和NEE产生延滞效应，直到生长季结束；在实验处理期，极端干旱会促进CH4的吸收并抑制N2O的排放，而极端高温不会对CH4和N2O通量产生影响。（2）极端干旱显著降低了土壤含水量、微生物氮、硝态氮和速效磷含量，同时土壤总有机碳、微生物碳及铵态氮也表现为下降趋势；极端干旱胁迫下土壤胞外酶活性均表现出不同程度的降低趋势，相对于盛期和末期极端干旱，初期极端干旱对酶活性的影响较小；在极端干旱胁迫条件下，土壤胞外酶活性的变化主要与土壤含水量、硝态氮和速效磷的变化正相关。（3）校正后的DNDC模型能够很好地再现内蒙古羊草草原碳收支的季节和年际动态，模型模拟值与实测值在多个时间尺度上都具有很好的一致性; 极端干旱显著降低了羊草草原生态系统的固碳能力，改变了系统的碳源/汇功能，并具有延滞效应。