青藏高原高寒草地植被生长期对气候变化响应的模拟研究

Accurate simulation of vegetation growing season lengthen is essential for global change studies and for improving process-based terrestrial ecosystem model. In particular, a vegetation phenology model is needed to address the responses and feedbacks of the Tibetan Plateau (TP) alpine grasslands to climate change, role of TP in the Asian monsoons, as well as the impacts of phenological variations on local husbandry. However, impacts of temperature and water on phenology of TP alpine grasslands are not likely to be effectively accounted for in existing phenology models. This project aims to reach a mechanistic understanding of phenological response to climatic changes on the TP, to integrate new findings about phenological responses to environmental factors across different scales, by using artificial climate manipulation experiments, field and satellite observations, and data-assimilation outputs. Then we propose phenology models respectively for representative alpine steppes and meadows on the TP. Those models will be further imbedded into process-based terrestrial ecosystem model to address the influences of phenological changes on other ecosystem processes and functions such as carbon cycle and evapotranspiration.

准确模拟植被生长期变化是全球变化研究和改进陆地生态系统模型的重要任务之一。构建植被物候模型对理解青藏高原高寒生态系统对气候变化的响应和反馈，理解高原在季风系统中的作用和当地畜牧业生产等方面，都有重要的科学和现实意义。现有物候模型主要针对森林和温带草原开发，未考虑青藏高原草地物候同时受温度和水分影响的特点。本研究将针对几种典型的高寒草地植被类型，开展控制实验和地面人工以及自动物候观测，并结合已有的物候和气象观测资料，卫星遥感资料和同化资料，阐明高原草地主要优势物种和植被类型的返青期和枯黄期的主导环境因子及其对环境因子的响应机理，揭示从物种物候到植被物候对环境因子响应的尺度转换机制，从而建立适用于青藏高原草地植被的物候模型。并将该物候模型嵌入生态系统过程模型，探讨青藏高原过去和未来植被生长期变化对生态系统的影响及其环境效应。

按照项目研究计划，在海拔4560米的那曲高寒草甸，开展了不同季节和多幅度升温对高寒草甸植物物候影响的试验研究，并进行了3年物种、群落和景观水平的物候以及根系生长人工观测（每年近260天）；提出了基于加权的交叉相关光谱匹配算法的植被物候变化遥感探测新方法，该方法精度更高，不依赖于先验知识，亦可用于融合地面观测物候和遥感物候；分析了冬季变暖对青藏高原植被返青的影响，评估了“冷激效应”假说对青藏高原植被返青的适用性，发现近几十年冬季变暖对高原植被返青影响较小，但是未来长期变暖可能会通过减少冷激天数引起热需求增加；分析了昼夜不对称增温对对青藏高原植被返青的影响，发现夜间变暖有利于青藏高原草地植被返青提前，白天升温对返青的提前作用主要出现在高原相对湿润的地区，这一研究给出了青藏高原植被返青受降水和温度交互影响的成因；上述研究表明，日间温度，夜间温度，春季降水和冬季温度不同程度地影响着高原的返青期，因此考虑不同区域不同的控制因素发展出新物候过程模型，相比于传统的积温模型，新模型提高了整个高原的返青期模拟精度；分析了温度日较差变化对植被返青的影响，发现温度日较差变化对被半球多数区域（约3/4）植被返青期无显著影响；分析了青藏高原植被枯黄期对气候变化和春季物候期的响应，发现青藏高原植被枯黄期变化主要受温度和当年返青期驱动，在生长季较长的区域，枯黄期主要受温度影响，在生长季较短的区域，枯黄期主要受当年的返青期影响；分析了枯黄期对季前日最低温和季前日最高温度的响应，发现日最低温上升推迟了枯黄期，但是日最高温上升则使得植被提前枯黄，枯黄期对季前日最低温或日最高温的敏感性大小在空间上均随季前降水量的下降而增大。在Global Change Biology等SCI收录期刊发表与项目紧密相关论文的论文12篇，还有部分论文在投稿及审稿阶段。成果为项目负责人晋升研究员，入选中组部万人计划青年拔尖人才和中国科学院青年创新促进会优秀会员提供了重要支撑。