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。