灌丛斑块和草本斑块碳交换对季节性降水增加的响应——基于地上净初级生产力和叶面积指数标准化的比较分析

随着气候变化和人类活动干扰的加剧,干旱半干旱地区草地灌丛化现象普遍发生,严重影响了草地生态系统的碳汇功能。水分是内蒙古半干旱草原的主要限制因子,未来降水格局的变化对草原生态系统的碳交换具有重要影响。然而,目前关于降水变化对灌丛化草地生态系统,特别是异质斑块碳交换过程的影响研究较少,相关机制尚不清楚。为此,该研究利用内蒙古小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化草地季节性降水增加(冬季增雪、夏季增雨)实验平台,系统观测了灌丛斑块和草本斑块的碳交换参数,即净生态系统碳交换(NEE)、总生态系统生产力(GEP)、生态系统呼吸(ER),并结合基于地上净初级生产力(ANPP)和叶面积指数(LAI)标准化的参数比较分析,研究了季节性降水增加对灌丛化草地碳交换的影响以及异质斑块的响应差异。结果表明:1)夏季增雨显著提高了草本斑块|NEE|、GEP和ER值,而冬季增雪显著降低了草本斑块|NEE|ANPP、GEPANPP和ERANPP。夏季增雨显著增加了灌丛斑块GEP和ER值,但对NEE影响不明显,冬季增雪对灌丛斑块的碳交换过程有促进作用。总体而言,灌丛斑块的|NEE|、GEP、ER显著高于草本斑块。相较于湿润年份(2021年),干旱年份(2020年)的碳交换对降水增加的响应更为敏感。2)灌丛斑块碳交换(|NEE|、GEP和ER)与土壤水分含量、叶片生物量呈正相关关系,夏季增雨主要通过增加深层土壤(40-80 cm)水分含量、降低土壤温度来促进碳交换。草本斑块碳交换与浅层土壤(0-20 cm)水分含量、ANPP呈正相关关系,与土壤温度、根冠比呈负相关关系;夏季增雨主要通过增加浅层土壤水分含量、降低土壤温度促进碳交换,而冬季增雪则通过增加深层土壤水分含量和减少地下生物量来抑制草本斑块碳交换。3)基于ANPP标准化后的碳交换参数能更好地揭示灌丛斑块和草本斑块对降水变化的响应差异。该研究结果为准确评估气候变化下干旱半干旱草地生态系统的碳汇功能和固碳潜力提供了重要科学依据。

小叶锦鸡儿灌丛化对典型草原群落结构与生态系统功能的影响

草原灌丛化是全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题。灌丛化对草原生态系统结构与功能的影响较为复杂,有待于在更广泛的区域开展研究。该研究在内蒙古锡林郭勒典型草原选择轻度、中度和重度灌丛化草地,通过群落调查,结合植物功能性状和土壤理化性质观测,研究了小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化对草原群落结构(物种多样性、功能多样性和功能群组成)和生态系统功能(初级生产力、植被和土壤养分库)的影响。结果表明:1)不同程度灌丛化草地的物种丰富度、功能性状多样性和群落加权性状平均值差异显著,其中,中度灌丛化草地的物种多样性和功能多样性较高,表明一定程度的灌丛化有利于生物多样性维持。2)重度灌丛化草地的地上净初级生产力(ANPP)显著高于轻度和中度灌丛化草地,其原因主要是随着灌丛化程度加剧,群落内一/二年生草本植物显著增加,而多年生禾草和多年生杂类草显著减少。三个灌丛化草地的植被叶片和土壤碳、氮库差异均不显著。3)灌丛化对草原生态系统功能包括ANPP、植被和土壤养分库均没有直接的影响,而是通过影响功能群组成、土壤理化性质和功能多样性,间接地影响生态系统功能;灌丛化导致功能群发生替代和土壤旱碱化是最重要的生物和非生物因素。