干旱背景下北方典型干旱-半干旱草原区生态恢复工程对生态系统净初级生产力的影响

The arid and semi-arid grasslands in northern China are the pilot areas for the large-scale Chinese eco-restoration projects (ERPs), where are experiencing frequent droughts in recent years. Quantifying the effectiveness of the ERPs under a changing climate and the drought effects therefore has been a research focus in recent years. Using Xilingol of Inner Mongolia as a case study and the net primary production (NPP) as an ecological indicator, this study will isolate the effects of climate variability and the ERPs by comparing the trends of the actual (driven by climate and remote sensing data) and potential (driven by climate data only) NPPs simulated by a Light Use Efficiency model during 2000-2016, and then explore the spatial patterns together with the possible driving forces of the ERPs’ effectiveness under a changing climate. The impacts of drought on regional NPP will be studied by the combination use of Standard Precipitation Index and that on the ERPs’ effectiveness will be further investigated. The findings of this study not only will help enhance our understanding of the ecological effects of the ERPs in the context of climate change and the development of grassland ecology, but also will provide an important scientific basis for the further planning and implementation of the ERPs in arid and semi-arid grassland ecosystem.

北方干旱-半干旱草原区是我国实施大规模生态恢复工程的核心区域，也是近年来极端干旱事件频发的区域。如何量化气候变化背景下生态恢复工程的效益是当前研究的热点。本项目拟以具有代表性的内蒙古锡林郭勒盟为研究区，以生态系统净初级生产力（Net Primary Production，NPP）为评价指标，通过对比分析2000-2016年遥感气候驱动（实际）和仅气候驱动（潜在）光能利用率模型所估算的NPP的趋势差异，实现气候变化和生态工程效应的拆分，揭示气候变化背景下生态工程效益的空间分布特征与驱动因子；进而结合气象干旱指数SPI（Standard Precipitation Index），评估不同特征干旱事件对生态系统NPP及生态工程效益的影响。研究成果将深化对气候变化背景下干旱-半干旱草原区生态恢复工程效益的认识，推动草地生态学发展，并可为该区域生态恢复工程的合理规划与实施提供重要科学依据。

为改善和优化生态环境状况，我国自2000年开始，在北方草原区实施了一系列大规模生态恢复工程。如何合理评估气候变化背景下生态恢复工程对该区域生态系统的影响是近年来研究的热点。本项目首先对比分析了八个主流遥感生产力模型在北方草原区长时间尺度上（包括干旱和非干旱年份）的模拟效果，进而以京津风沙源工程区和三江源生态恢复工程区为例，分析了气候变化和人为活动对生态系统生产力和土壤有机碳库的影响及其驱动机制。结果表明：（1）八个主流遥感生产力模型均在受温度限制的高寒草甸模拟效果较好（R2 ≥ 0.84)），而在受水分限制的温性草原模拟效果较差（R2 ≤ 0.68）。同时，干旱事件的发生加剧了这些模型在温性草原较差的模拟精度。（2）生态恢复工程实施后，京津风沙源工程区大部分区域植被净初级生产力（Net Primary Production, NPP）处于显著增加趋势。植被NPP的增长可归因于气候变化和生态工程，其中气候变化的贡献率较大。值得注意的是，在未被生态恢复工程覆盖的部分区域，植被NPP仍因为不合理的人为活动处于退化态势。（3）京津风沙源治理工程对草地土壤碳汇具有极大的促进作用。不同草地管理方式下草地土壤固碳速率和效益差异显著，其中，人工种草的土壤固碳速率较快，而飞播牧草所需成本最低。与其他草地类型相比，低地草甸和温性草甸草原的土壤固碳速率较快。通过管理措施使草地达到潜在最大土壤有机碳密度是一个长期的过程，相对而言，人工种草所需的时间较短（57.75年）。（4）生态恢复工程实施后，三江源地区的草地平均产草量相比工程实施前提高了30.31%，平均载畜压力指数下降了36.1%。草地产草量的提高和载畜压力的减轻，主要归因于气候变化以及生态保护和建设工程的实施，其中气候变化因素的影响占较大比重，生态工程对草地生态系统的恢复初见成效。本项目研究结果表明草地恢复治理是一项长期艰巨的任务，强调了未来应建立生态保护和建设的长期机制。该研究成果可为区域生态恢复工程的合理规划与实施提供重要科学依据。