木本、草本层迥异的用水策略与荒漠生态系统碳水过程

Desert ecosystem with woody and herbaceous layers and different water use strategy created an unique opportunity to study the effects of climate change on carbon and water processes. However, the mechanisms of carbon and water cycling are still constrained by differences in water use and ecophysiological response between growth forms, which increase uncertainty in predicting the climate change effect on ecosystem water and carbon cycling. This project will carry out at a typical temperate desert ecosystem in northwestern China, by combining precipitation manipulation experiment with experiment on a natural gradient in groundwater depth. Water and carbon fluxes under different treatment are measured; meanwhile, plant phenology, leaf-level physiological processes, individual morphological parameters, and the community structure of plants and microorganisms are monitored. When ecosystem water availability changes, the response of ecosystem carbon and water processes and the differences in growth forms will be monitored. 20 year’s carbon and water fluxes will be used to quantify carbon and water processes and their response to water changes. The results will facilitate model projections on ecosystem carbon and water cycling under climate change scenario and also have significant implications for the sustainable and adaptive management of the desert-oasis system in northwestern China.

荒漠生态系统木本-草本双层植物群落结构，迥异的用水策略是探究气候变化对荒漠生态系统碳水过程影响的“天然实验室”。我们对荒漠生态系统碳水过程的机理性认识仍然受到木本、草本层用水策略的不同和生理生态响应差异的制约，从而极大的增加了陆地生态系统碳水循环模型预测的不确定性。本项目以温带荒漠-古尔班通古特沙漠为研究区域，结合降水控制实验与地下水位梯度带，通过观测木本、草本层及生态系统碳水通量，同时监测植物物候、叶片生理、个体形态和生物群落结构，揭示水分变化驱动下木本、草本层的生理生态响应及其对荒漠生态系统碳水过程影响的内在机理。基于近20年碳水通量观测数据，解析水分变化驱动下荒漠生态系统对碳水过程的反馈机制。为陆地生态系统碳水循环模型提供参数估计，为我国荒漠-绿洲复合体的可持续发展提供决策支持。

我们对荒漠生态系统碳水过程的机理性认识仍然受到木本、草本层用水策略的不同和生理生态响应差异的制约，从而极大的增加了陆地生态系统碳水循环模型预测的不确定性。本项目依托古尔班通古特沙漠，利用涡度相关观测系统，同化箱，稳定同位素技术等，揭示水分（降水与地下水）变化对群落、层片和器官碳水过程的影响机制，主要成果如下：.1）草本层片驱动荒漠植物群落碳水过程及生态系统水分利用效率的年际波动，而木本层片主导其年内的季节变化。草本层片贡献群落初级生产力与蒸散量不到30%，并且90%以上发生在生长季初期。2）木-草层片蒸腾的水汽通量占群落总蒸散量的51%，土壤蒸发占49%，在植物蒸腾中，木本植物占了73%。总蒸散量中，降水贡献了65%，地下水贡献了35%。木本层片的蒸腾主要受大气温度的影响，草本层片的蒸腾主要受土壤含水量与草本层盖度的影响，而土壤蒸发受净辐射与降水量影响。3）在木-草共存阶段（4月中旬-5月底），尽管土壤呼吸与温度显著正相关，但群落冠层光合对土壤呼吸日变化影响显著；而当早春短命草本植物衰亡后，阴天与晴天土壤呼吸并无显著差异。植物光合对土壤呼吸的作用明显受到植物群落结构组成的影响，浅根系草本植物的出现使得土壤呼吸直接与冠层光合相联系。4）随着地下水位的下降，梭梭的枝干光合速率下降，而更耐旱的白梭梭枝干光合速率增加，两种木本植物均能够吸收枝干自身呼吸70%以上的CO2，通过破坏性取样，量化枝干与叶片的表面积，枝干光合在其固体固碳量的贡献可以达到10-20%。5）随着地下水位下降，梭梭通过叶片与个体大小的生理形态与功能性状调节，提高了梭梭叶片水平的光合能力。首次发现了C4木本植物在高温环境下的光合与蒸腾解耦。. 以上研究成果有助于系统了解和认识荒漠植物器官构建、个体及荒漠生态系统碳水过程与荒漠生态系统碳水平衡的关系，有助于深刻理解未来气候变化对荒漠生态过程的影响，提高陆地生态系统碳水循环模型的预测能力，提升干旱区碳源汇功能的科学认知。