高寒草甸返青期对气候变化的响应及其对生产力和碳收支影响机制研究

Phenological response to climate change is one of important research topic in the studies of global change ecology. In this study, we selected the alpine meadow ecosystem in Northern Tibet as the research objective, to study the effects of climate change on the spring green-up of alpine meadow and its climatic factors by the temperature and precipitation controlled experiments (Open Top Chamber, OTC) and long-term observation and regional remote sensing monitoring methodology, to clarify the trends and their mechanism of spring green-up date of alpine meadow, and reveal the suitable reviving hydrothermal threshold of alpine meadow plants in Northern Tibet; to investigate the dynamics of net primary productivity (NPP) and theirs hydrothermal conditions change of different green-up alpine meadow and analysis the impacts of phonological changes on net primary productivity of alpine meadow; to observe the carbon absorption and soil respiration of different reviving alpine meadow ecosystem under controlled temperature and precipitation conditions, and clarify the change of green-up date may affect the carbon sink function and its mechanism in alpine ecosystem. Through the implementation of this study will further clarify the academic controversy of spring green-up date changes in Tibetan Plateau, deepening the scientific understanding of climate change - Phenology - ecological processes, but also provide the scientific basis for the sustainable use of alpine grassland resources and address future climate change in alpine region.

物候期对气候变化的响应是全球变化生态学研究的重要议题。本研究以藏北地区高寒草甸为研究对象，通过气温和降水控制（Open Top Chamber, OTC）实验和长期定位观测及区域遥感监测手段，研究气候变化对高寒草甸春季返青期的影响及其气候环境因素，阐明藏北高寒草甸返青期的变化趋势及其影响机制，揭示藏北高寒草甸植物适宜返青的水热阈值；深入调查不同返青期的高寒草甸净初级生产力动态及其所需的水热条件变化，揭示高寒草甸净初级生产力对物候期变化的响应及其机制；连续观测气温和降水控制条件下不同返青期的藏北高寒草甸生态系统碳吸收和土壤呼吸作用，阐明返青期变化对高寒草甸生态系统碳汇功能的可能影响及其机理。通过本研究的实施将进一步明确青藏高原春季返青期变化的学术争议，深化气候变化-物候期-生态过程的科学认识，也为高寒草地资源可持续利用和应对气候变化和提供科学依据。

物候是影响高寒草甸植物生产力和碳收支过程的关键因素。气候变化条件下，厘清高寒草地物候期、生产力、群落结构以及碳收支之间的关系，有助于确定高寒草地生态系统结构与功能对气候变化的响应机制。本项目对藏北高寒草甸行了模拟增温增水控制实验，并结合遥感监测方法，研究测定了植物物候期、群落结构与组成、生产力、CO2交换。主要结论如下：（1）遥感监测结果显示，高寒草甸春季返青期总体上无显著变化趋势，但这主要源于1995-2004年的物候期提前和2005-2013年的物候期推迟相互抵消，造成植物物候期阶段性变化的主要原因为冬春季（11月至5月）降水和干旱指数，即降水越多、越湿润返青期越早，而与温度无显著相关。（2）控制实验结果表明，在水分条件充足的条件下，增温导致返青期提前，但在春旱年分增温大幅推迟返青期，最高达到23天；不同物种返青期对水热条件的响应大体相近，即随着土壤水分升高，返青期呈逐步提前的现象，而由于土壤水分与温度存在负相关关系，因此随着土壤温度的升高，返青期则逐步推迟；土壤水分达到13.3%时高山嵩草返青期最早，未达到13.3%时则返青期较晚，当春季土壤温度为4.3 °C时，高山嵩草返青期最早，高于4.3时返青期较晚。（3）增温导致高寒草甸植物群落中莎草科植物优势度降低5.7%，禾本科植物增加12.7%，物种多样性无显著变化；实验初期，增温显著提高植物生产力，但随着处理年限延长，增温对生产力的正效应逐渐减弱；植物生产力主要受生长季温度和群落结构变化的影响，受返青期变化影响较小，其仅可以解释8.3%的生产力变化。（4）增温对高寒草甸碳收支的影响存在显著年际差异，总体表现为无影响。这主要取决于增温条件下NEE生长季初期降低、生长旺季增加，显著改变了NEE季节变化趋势。碳收支主要受植物生产力和土壤水分变化的影响，与植物返青器无显著相关。本项目揭示了高寒草甸返青期对增温的响应主要受春季土壤水分的调控，明确了在增温引起的干旱导致植物物候期推迟的情况下，高寒草甸生态系统可在短时间内迅速反应，充分利用雨季的水热条件，促进植物生产力和碳吸收增加。该结果可为预测高寒草甸生态系统对气候变化的响应提供支撑，为气候变化条件下维持高寒草地生态系统结构与功能提供理论基础。