科尔沁沙丘-草甸梯级生态系统水-碳-氮耦合平衡机制及干旱胁迫响应

Subtle changes of water-energy elements coupling can directly ‘link’ regional ecosystem stability in the semi-arid sandy land with climate extremes, and the lack of water-carbon-nitrogen coupling cycle mechanism field in sandy land seriously restrict the effective implementation of desertification prevention and control policies. The project chooses dunes-meadow cascade ecosystem in Horqin Sandy Land as study object, and using statistical analysis, factorial analysis, model building and scenario analysis and other technical methods, this project will:1) clarify water-carbon-nitrogen element interaction and coupling balance mechanism in dune - meadow region with different landform-vegetation composite units, and clear the key role of hydrology and vegetation ecological differences parameter to water-carbon-nitrogen coupling balance relation;2) establish response function of water flux and carbon-nitrogen cycle relationship in different ecological zones, and simulation and distinguish hydrological threshold of carbon - nitrogen cycle in different ecological zones and ecological bands;3) identify spatio-temporal patterns of landform -vegetation and spatial heterogeneity of water-carbon-nitrogen element for cascade ecosystem;4) simulation and analysis water-carbon-nitrogen cycle flux and hydrological-ecology-energy covariant law under water stress systematically, and reveal response mechanism of water-carbon-nitrogen cycle to drought stress for cascade ecosystem. Expect to promote eco-hydrological process study in semi-arid sandy land, and provide theoretical basis and technical support for ecological environment construction in the semi-arid desertification region.

半干旱沙地极端气候下水-能要素耦合细微变化直接“牵动”着区域生态系统的稳定性，对沙地水-碳-氮耦合循环机理方面认识的不足严重制约着荒漠化防治政策的有效实施。本项目以科尔沁沙丘-草甸梯级生态系统为研究对象，采用统计分析、析因分析、模型构建与情景分析等技术方法，明晰沙丘-草甸不同地貌-植被组合单元水-碳-氮要素的相互影响及其耦合平衡机制，解明水文与植被生态差异参数对水-碳-氮耦合平衡关系影响的关键作用；建立不同生态类型区水分通量与碳-氮循环关系的响应函数，模拟界定不同生态类型区与生态带碳-氮循环的水文阈值；辨识梯级生态系统地貌-植被的时空分布格局及水-碳-氮循环要素的空间异质性；系统模拟与分析水-碳-氮循环通量与水分胁迫的水文-生态-能量协变规律，揭示梯级生态系统水-碳-氮循环过程对干旱胁迫的响应机制。以期推动半干旱沙地生态水文过程研究，为半干旱荒漠化地区生态环境建设提供理论依据与技术支持。

项目以科尔沁沙丘-草甸梯级生态系统为研究对象，围绕水-碳-氮耦合平衡关系及干旱胁迫响应规律开展4方面研究：沙丘-草甸不同地貌-植被组合单元水-碳-氮的耦合平衡机制及其循环的水文阈值；水-碳-氮循环要素的空间异质性；碳水循环通量对干旱胁迫的响应。研究表明：.沙丘生长季NEE的季节变化呈先增后减趋势，日最大CO2吸收值和释放值分别在7月1日（-1.161 g·m-2·d-1）和8月11日（1.09 g·m-2·d-1），生长季生态系统表现为碳汇。草甸生长季NEE曲线表现为先下降后上升的较大波动，日最大CO2吸收值和释放值分别在7月10日（17.94 g·m-2·d-1）和9月9日（15.21 g·m-2·d-1），生长季生态系统表现为强碳汇。.半流动沙丘16～18mm降雨量是产生200cm深层渗漏量的阈值；CO2交换量存在土壤含水率阈值（与田间持水率36.4%相接近），小于该阈值土壤含水率增加表现为促进碳交换的进行，高于该阈值土壤含水率增加导致土壤通透性变差，抑制碳交换。.土壤CO2通量：半流动沙丘(180.86mg·m-2·h-1)<半固定沙丘<人工林地<农田<草甸湿地(486.17mg·m-2·h-1)，不同试验区之间没有显著差异性（P>0.05）。土壤N2O通量：半流动沙丘(6.21μg·m-2·h-1)<半固定沙丘<人工林地<农田<草甸湿地(9.01μg·m-2·h-1)；草甸湿地N2O通量随着土壤含水量的降低出现明显的减小趋势。.ET0对VPD的变化最敏感；水分胁迫是限制温室气体吸收或排放的重要因素，土壤含水量是半流动沙丘、半固定沙丘、人工林地和农田土壤CO2、CH4通量变化的关键因子；在生长初期和后期大降雨事件偏少，导致植被出现水分胁迫，使得NEE对极端水分的响应相对较弱；而在生长旺盛阶段则表现相反。.研究成果可为气候变化下生态环境保护与生态文明建设提供理论依据和技术支持。