极端干旱事件对草原生态系统碳收支的影响机制及模拟预测技术

成果号lyig10039707

项目名称极端干旱事件对草原生态系统碳收支的影响机制及模拟预测技术

完成人 康晓明 郝彦宾 王金枝 李勇 闫钟清

完成单位 中国林业科学研究院林业新技术研究所 中国科学院大学

年份2020

学科分类 220.1060;森林生态学

地域分类 北京

主题词 极端干旱事件 高寒沼泽化草甸 典型草原 碳收支 微生物机制 模型模拟

获奖信息2020年 梁希林业科学技术奖 3等奖

主要内容  一、项目属全球变化生态学科学技术领域
二、主要内容
近年来频繁出现的极端干旱事件使得碳循环的关键过程发生改变，反过来又会影响全球气候变化的趋势和强度，定量研究并预测极端干旱事件对生态系统碳收支的影响极为重要。基于此，本项目围绕“极端干旱事件对草原生态系统碳收支过程的影响机制”这一核心科学问题，以青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原2种不同类型草原生态系统为研究对象，率先搭建了极端干旱野外控制实验平台，系统开展了极端干旱条件下草原生态系统碳收支特征、土壤酶调控机理、微生物响应机制和模型模拟预测技术等研究，在极端干旱事件多层次级联效应影响生态系统碳循环等方面取得了重要突破：
1.探明了极端干旱事件对草原生态系统碳收支特征及其水热敏感性的影响
基于青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原2个极端干旱控制实验平台，同时在植物生长的不同时期模拟极端干旱事件，定量分析了草原生态系统碳收支和水热环境因子的动态特征，揭示了在植物生长初期、盛期和末期发生的极端干旱事件对生态系统碳收支及其水热敏感性影响的差异及时间效应，明确提出了极端干旱使高寒沼泽化草甸和典型草原的净固碳能力分别降低20%和16%，并产生延滞效应，且总初级生产力要比生态系统呼吸对干旱胁迫更加敏感。该研究可为全球碳循环过程模型提供科学依据和基础参数，为我国有效应对气候变化提供科技支撑。
2.揭示了草原生态系统碳收支对极端干旱事件响应的土壤酶调控机理
研究了青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原土壤胞外酶对极端干旱事件的响应特征，发现了2种类型的草原生态系统对极端干旱事件响应的土壤酶调控机理存在显著差异：在青藏高原高寒沼泽化草甸极端干旱通过增强土壤β-葡萄糖苷酶和木糖苷酶活性促进土壤有机碳分解，而在内蒙古典型草原极端干旱则通过降低土壤葡聚糖酶和木糖苷酶抑制土壤有机碳分解。该研究为未来极端干旱胁迫下不同类型草原碳收支变化的机理调控及差异化管理提供了数据支撑。
3.阐明了极端干旱事件对草原生态系统碳收支影响的微生物机理
研究了极端干旱对青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原两种不同类型草原土壤微生物群落结构的影响机制，探明了不同类型草原土壤微生物类群、物种丰富度和多样性对极端干旱的响应特征， 深层次揭示了极端干旱增加高寒沼泽化草甸土壤酶活性和碳分解的微生物机制，并阐明了极端干旱降 低典型草原土壤酶活性的微生物机制，明确了两种不同类型草原对极端干旱事件响应的微生物调控机制的差异，为预测全球气候变化对不同类型草原生态系统土壤微生物群落结构的影响提供了重要参考。
4、构建了耦合极端干旱的草原生态系统碳收支模型及模拟预测技术
基于野外控制实验数据，建立了极端干旱下碳循环不同层次关键调控因子与草原生态系统碳收支的定量响应关系模块并耦合至过程模型(DNDC)中，优化构建了适用于极端干旱条件的青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原生态系统碳收支模型，模拟预测了极端干旱事件不同发生时间、频率、 强度等情景下草原生态系统碳收支的变化，从模型的角度提出了极端干旱引起的“时间效应”、“延滞效应(Carry-over-effect)”、碳源汇功能突变性转变和碳水失衡的降水阈值，模拟评估了不同管理措施对极端干旱影响的减缓和适应对策，提高了已有过程模型对极端干旱事件模拟的敏感性和准确性，为准确评价草原生态系统对全球气候变化的贡献提供了技术支撑。
三、应用推广及效益情况
该系列研究在Agricultural & Forest Meteorology、Land Degradation & Development. Agriculture, Ecosystems & Environment、 Global Change Biology、 Plant and Soil、 Atmospheric Environment等国内外期刊共发表相关学术论文23篇，其中SCI论文20篇(TOP论文8篇)，累计影响因子73.249，被引用185次，获得中国林学会梁希青年论文奖一等奖1项，中国科学院院长奖优秀奖2项，国家林草局认定成果1项，申请专利3项。基于多年观测数据，构建了适用于极端干旱气候的青藏高原高寒沼泽化草甸和内蒙古典型草原生态系统碳收支模拟预测技术系统2套;研究结果为高寒区域温室气体排放与清除核算、碳汇计量方法体系和温室气体数据库构建提供了数据支撑，结果被《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》和《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报林业(LULUCF)温室气体清单》采纳，并入选《2018年林业和草原应对气候变化政策与行动白皮书》及《2017年度中国林科院科技进展报告》。基于该项目申请到国家留学基金委高级访问学者项目3项， 积极同加拿大魁北克大学、麦吉尔大学、澳大利亚格里菲斯大学进行学术交流及国际推广，参加国际会议23人次，显著提升了项目成果的国际影响力，也为我国草原恢复、可持续利用及国家应对全球气候变化提供科学依据。
项目执行期间对当地牧民进行培训和交流，增强了当地牧民的环境保护意识;利用微信公众号等线上媒介普及宣传草原应对气候变化等相关知识，累积阅读量15000人次。平台工作及研究成果相继被四川广播电视台、《中国林业》等媒体采访或报道。上述多种形式的科普宣教增强了气候变化与草地生态系统研究的社会影响力。