降水事件特征对内蒙古温带草原典型草地生态系统生产力的影响

Altered precipitation events characteristics (size, interval, and number) have dramatic effects on functioning and structure of grassland ecosystem under the context of global climate change. Our previous work demonstrated that gross primary productivity was promoted by larger precipitation event size and more numbers of large precipitation events in the condition of natural precipitation in Inner Mongolia temperate steppe. However, the mechanism behind this correlation is yet fully understood, moreover, there is positive relationship between precipitation events characteristics and annual precipitation amounts, thus associated results needed to be verified by control experiments in which annual precipitation amounts is constant. In this project, we selected research station of ecological restoration science of Duolun as the study area. Firstly, we will explore the behind mechanism of the effects of precipitation events characteristics on grassland ecosystem productivity with high time resolution carbon flux and meteorological data measured by eddy covariance system; secondly, we will analyze how grassland ecosystem productivity response to different distribution of precipitation events (fewer large or more small) under constant annual precipitation amounts in control experiments. Our project will advance the knowledge of relationship between grassland ecosystem productivity and precipitation, further, improve the predicting capability of the effects of climate changes on Chinese grassland ecosystem productivity.

全球气候变化背景下，降水事件特征（大小、降水间隔、次数）的改变将对草地生态系统的结构和功能产生重大影响。我们前期对自然降水条件下内蒙古温带草原的研究表明，平均降水事件越大、大降水事件的次数（日降水大于10mm的天数）越多的年份，总初级生产力越高。但大降水事件对生产力的影响机制尚不清楚，且自然降水事件特征与年降水量之间有正相关关系，相关研究结果需要控制实验（控制年降水量相同）的验证。本研究将以多伦恢复生态学试验示范研究站为平台，利用涡度相关系统观测的多年高时间分辨率的碳通量和气象数据，深入解析降水事件特征对草地生态系统生产力的影响机制；其次，开展降水控制实验，分析降水总量相同时，不同降水事件分布模式（少量、多次/多量、少次）对草地生产力的影响，与通量观测的研究结果相互印证。本研究将增进草地生态系统生产力与降水相互关系的科学认识，也为预测气候变化对中国草地生态系统的影响提供科学依据。

全球气候变化背景下，降水事件特征（大小、降水间隔、次数）的改变将对草地生态系统生产力产生重大影响。本项目以内蒙古温带草原以及青藏高原典型的草地生态系统为研究区域，一方面获取涡度相关系统测定的长时间序列、高时间分辨率的碳水通量数据，深入解析降水事件特征对草地生态系统生产力的影响及机制；另一方面在内蒙古温带草原开展增雨控制实验，定量的量化了生产力对单次降水事件的响应及其影响因素，进一步分析降水总量相同时，不同降水事件分布模对草地生产力的影响差异。研究结果表明，降水事件特征中大降水事件的次数（>10 mm d-1）对内蒙古温带草原总初级生产力（GPP）年际变异的影响最大，大降水事件次数越多的年份，GPP越高。降水间隔的分布（聚集分布或均匀分布）是影响海北高寒草甸GPP年际变异的主要因素，少次长时间的降水间隔（聚集分布）更有利于年GPP的提高。除了提高平均土壤水分，大降水事件次数的增多还显著提高了内蒙古温带草原底层（10-20cm）土壤的水分，而底层土壤水分的提高又显著提高了高土壤水分的持续时间和植被蒸腾的比例，增加了植被处于适宜土壤水分的时间和水分的利用效率，这可能是大降水事件次数增多促进内蒙古温带草原GPP增加的主要机制。GPP对单次降水响应的持续时间（τR）和最大响应的量（GPPmax）随降水事件的增大而增大，同时，由于GPP对单次降水事件响应的总量（GPPtotal）是由τR和GPPmax决定的，所以GPPtotal也随降水事件的增大而增加。当降水事件小于20 mm时，GPPmax对GPPtotal的贡献较大；当降水事件大于20 mm时，τR对GPPtotal的贡献较大。可利用性N增加后GPPtotal显著升高，且可利用性N增加带来的GPPtotal增加幅度随降水事件的增大而增大。相较于对照处理，干旱年份增雨处理显著促进了生产力的增加，而湿润年份增雨处理生产力的增加并不显著。增雨达到10 mm每次之后，雨量添加的持续增加并不会带来生产力的持续增加。本研究将增进草地生态系统生产力与降水相互关系的科学认识，也为预测气候变化对中国草地生态系统的影响提供科学依据。