高寒草甸生态系统碳循环对降雨梯度的响应及机理研究
Abstract全球变化背景下，降雨格局的改变对陆地生态系统结构和功能的影响逐渐加剧，然而，我们对降雨梯度下生态系统的非线性响应及其机理的理解十分匮乏，尤其是对其过程机理的理解非常有限。本论文以青藏高原东部高寒草甸为研究对象，基于生态系统水平上降雨梯度控制实验，研究高寒草甸生态系统碳循环关键过程对降雨量变化的响应及其生物学机制。 本研究设置了6个水平的降雨量变化实验处理，分别为1/12P、1/4P、1/2P、3/4P、P、5/4P（P为当地5-9月生长季降雨），每个降雨处理下设置不刈割和刈割两种方式，通过测定每年高寒草甸生态系统碳循环主要过程相关指标，来研究高寒草甸生态系统碳循环对降雨量变化的响应，以期为生态系统对极端降雨的响应研究提供有效的实验证据，并为高寒草甸生态系统初级生产力和碳储量的模型预测提供参数检验和模型验证。取得的主要研究结论如下： （1）降雨梯度装置基本能够达到实验要求，不同降雨处理能有效地改变样地内的降雨量。在1/12P、1/4P和1/2P实验处理下显著降低了土壤含水量，三年生长季平均值与对照相比，分别比对照降低了29.87%、24.51%和11.93%。但是其它处理下土壤含水量变化并不明显。 （2）高寒草甸地上净初级生产力在极端干旱条件下急剧降低。在实验的第二年和第三年，地上净初级生产力在1/12P处理下显著低于对照，比对照降低了37.7%和48.3%；与地上净初级生产力相比，根生物量和地下净初级生产力对降雨量变化的敏感性较低。实验第三年，地下净初级生产力占总初级生产力的比例在1/12P处理下显著增加。地上净初级生产力与降雨量之间的关系为显著的非线性关系，该非线性响应的生物学机理是：在1/12P处理下群落的生物多样性降低、优势物种重新排序以及物种非同步性降低，这些群落特征的变化导致生态系统稳定性降低，从而使得生态系统不能抵抗环境变化。为了更准确地预测生态系统对气候变化的响应和反馈，生态系统模型必须考虑到这一非线性关系。 （3）高寒草甸生态系统碳循环过程与降雨梯度间呈非线性关系。从实验第二年开始，高寒草甸生态系统碳通量受到极端减雨处理（1/12P）的显著影响，在该处理下生态系统呼吸和总生态系统初级生产力显著降低，生态系统净碳吸收受到抑制。生态系统碳通量与降雨梯度间的非线性关系，主要由土壤含水量、无机氮含量和生态系统净初级生产力的变化所决定。本研究强调强调了生态系统碳通量对降水变化的非线性响应，对于理解和预测生态系统净碳交换在应对气候变化时的响应至关重要。 （4）地下碳过程对降雨量变化的响应不敏感。降雨变化对土壤碳、氮含量、土壤微生物碳氮含量以及土壤微生物群落结构均没有显著影响。且土壤总呼吸、土壤异养呼吸与根系呼吸对降雨量变化并不敏感。土壤异养呼吸与降雨量呈现显著的非线性关系，主要是由于土壤含水量和地上净初级生产力对降雨量变化的非线性响应导致的。 （5）刈割方式提高了高寒草甸生态系统碳循环对土壤含水量变化的敏感性。割草条件下土壤含水量每增加1%，净生态系统CO2交换与总生态系统生产力分别增加0.21和0.37 μmol m-2 s-1显著高于不割草条件下的增量（0.10和0.23 μmol m-2 s-1），其影响主要是由于割草处理显著增加了土壤温度，降低了立枯量。割草使得净生态系统CO2交换与总生态系统生产力对降雨量变化的响应阈值提前。 以上研究结果说明，降雨量变化对高寒草甸生态系统的影响在植物地上与地下碳循环过程之间、以及在植物、土壤与微生物之间均存在差异。本论文通过研究生态系统碳循环各个过程对降雨量变化的响应，证实了碳循环关键过程与降雨梯度的非线性关系。研究结果不仅能为预测和模拟高寒草甸生态系统对降雨量变化的响应提供实验证据和理论依据，而且为降雨格局变化背景下草地生态系统的可持续管理提供理论基础。
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