生态系统生产力与利用效率对碳收支NEP时空变异的调控研究

Under the complex influences of topography, climate, community composition, site condition and managements, the net ecosystem productivity (NEP) of China exhibit significant variations at the temporal and spatial scales. Understanding the temporal-spatial patterns and the underlying regulating mechanisms is important to accurately predict the future regional carbon budget change. This study synthesizes observational stations (4 forests, 3 grasslands and 1 croplands) of Chinese flux observation and research network (ChinaFLUX), to explore the interannual variations of typical ecosystems NEP over the past 10 years (2005-2015), and assess the carbon budget and its difference between ecosystems. Regulations of gross productivity (GPP) and carbon use efficiency (RE/GPP) on NEP are further analyzed. Moreover, we perform continuous environmental observation, biomass survey, phenology observation, plant and soil properties measurement, and nitrogen deposition collection at 3 different type ecosystems (1 forest, grassland and cropland respectively), to reveal the temporal-spatial variations of GPP and RE/GPP and their influence factors, and to finally explore the regulating mechanisms for the temporal-spatial variation of NEP. This study is expected to provide knowledge for predicting the future trend of China's terrestrial ecosystem carbon budget, and for policy making in regional carbon management and climate change mitigation in China.

中国区域复杂而多样的地貌类型，加之气候、群落组成、立地条件、管理措施等多种因素的影响，生态系统净生产力NEP呈现出显著的时空变异性。揭示这一时空变异特征及其潜在调控机制对于准确预测区域碳收支变化至关重要。本研究拟以中国通量观测网ChinaFLUX观测台站（4个森林站，3个草地站，1个农田站）为依托，整合分析过去10年（2005-2015年）典型生态系统的NEP年际变异特征、多年平均碳收支状况及生态系统间的差异，解析生产力(GPP)和利用率(RE/GPP)两个关键参数对NEP时空变异的调控作用。在此基础上，选取3个不同类型生态系统（森林、草地、农田）开展气候监测、生物量调查、植被属性观测及氮沉降观测实验，分别揭示GPP和RE/GPP时空变异的影响因素及调控机理，最终阐明NEP时空变异的形成机制，以期为我国陆地生态系统碳收支的变化趋势预测提供参考，也为我国减缓气候变化的区域碳管理提供政策依据。

揭示生态系统净生产力NEP的时空变异特征及其潜在调控机制对于准确预测区域碳收支变化至关重要。本研究以中国通量观测网ChinaFLUX观测台站为依托，整合分析了过去10年（2005-2015年）陆地生态系统的NEP、GPP和RE，评估了典型生态系统的碳收支状况及区域差异，分析了生态系统NEP、GPP和RE的季节变异规律及其空间格局影响因素,并结合气候监测、生物量调查、植被和土壤属性观测以及氮沉降观测实验数据，分别解析了调控NEP的两个关键过程参数（生产力GPP和碳素利用效率CUE）时空变异的影响因素及其调控机制。主要结果如下：(1) 中国区域不同生态气候区的GPP和RE均呈现出单峰型的季节变化模式，而NEP则呈现出四种不同类型的季节变异模式；(2)NEP、GPP和RE的物候节律属性参数表现出随纬度变化的地理分异规律。GPP和RE的生长季起始时间均随纬度升高而提前，生长季结束时间随纬度升高而延后，碳交换期长度则随纬度升高缩短。NEP的生长季起始时间和结束时间的纬度变化趋势不显著，但是CUP随纬度升高以线性函数关系缩短；(3)物候节律属性参数的空间变异主要受温度条件的空间格局调控，而能力属性参数主要受降水量的空间格局调控。其中，春季空气温度控制着生长季开始时间，而生长季结束时间则主要受秋季的土壤温度调控。NEP的能力属性参数的空间分布是干燥度对GPP和RE综合影响的结果；(4) GPP的季节动态的空间变异主要受到GPPmean的调控；(5)中国陆地生态系统CUE不是稳定常数，而是在-0.44到0.53的范围内变化，平均值为0.19；(6)年均温、年总降水量和氮沉降量是调控CUE空间变化的三个主要因素。在湿润区，CUE随年均温和氮沉降量增加而增加，而干旱区CUE随氮沉降量增加而降低。在低氮沉降区，CUE随年均温和年总降水量增加而增加，而高氮沉降区CUE随年均温和年总降水量增加而降低。(7)林龄是影响森林生态系统CUE的另一重要因素。GPP和RE从幼龄林到老龄林逐渐升高，NEP和CUE则在站点尺度上随着林龄的升高而呈下降趋势。研究结果为我国陆地生态系统碳收支变化预测和区域碳管理提供科学依据。