降水变化对内蒙古荒漠草原生态系统碳收支调控机制研究

对草地生态系统碳交换模式及其变异性的认识存在很大的不确定性，其中一关键就是对降水变化如何调控草地生态系统碳交换的机制认识十分匮乏。为此，本项目选取我国内蒙古草原中西部具典型性和代表性，对降水变化敏感，受降水限制严重的荒漠草原为研究对象，利用涡度相关技术和红外气体分析技术，通过降水控制试验和野外碳通量连续观测资料，从控制荒漠草原碳交换的关键过程－植物光合、土壤呼吸、植被与大气间的碳通量出发，确认对荒漠草原碳交换产生影响的有效降水。定量化地探讨荒漠草原碳交换过程与有效降水的相互关系，揭示降水总量和分配变化对荒漠草原碳交换的影响机制，从而为准确评估和预测未来全球变化背景下我国北方温带草原生态系统的碳收支提供参考。

人类活动导致的温室效应已经引起全球和区域降水格局变化。本研究以内蒙古荒漠草原代表类型小针茅荒漠草原生态系统为研究对象，利用1956-2009年逐日降水资料、2008-2010年涡度相关系统和小气候梯度系统野外连续观测资料及降水控制实验数据，分析了近50年内蒙古荒漠草原的降水变化特征；并在此基础上，从系统碳通量特征、碳通量对降水响应、优势种碳收支对降水响应等方面就降水变化对荒漠草原碳收支的调控机制进行了研究。研究结果表明：(1) 荒漠草原典型区域近50年年均降水量为191.9 mm，变异系数达26.6%；年均降水日数为63.8d，变异系数16.9%。全年及生长季的降水量、降水日数均呈下降趋势，较长间隔期却在增加。全年及生长季各月均以中等降水量、弱降水日数为主，中等以上降水事件较少。无论在全年还是生长季各月份，各强度等级降水都在减少，且年降水减少的主要原因在于中等降水事件的减少、生长季降水减少的主要原因在于弱降水事件的减少。(2) 荒漠草原生态系统碳通量存在明显的年际、月间和昼夜波动。2008年和2009年小针茅草原生态系统表现为碳汇，而2010年转变为碳源。研究时段荒漠草原生态系统均从5月开始由碳源转变为碳汇，2008年除6月、2009年除8月表现为弱碳源之外，生长季其它月份均为碳吸收，而2010年从7月就从碳汇转变成了碳源。在生长季白天，2008和2009年基本表现为碳吸收，而2010年除5、6月份表现为碳汇，其它月份白天基本为碳释放。(3) 荒漠草原生态系统土壤含水量及净生态系统碳交换变化与降水波动高度一致。降水后NEE及土壤含水量的日进程均能用非线性方程y=y0+axexp(-bx)较好描述。NEE对降水的响应幅度、达到最大响应的时间以及响应长度都与降水事件的强度密切相关，但开始响应的时间与降水强度无关。(4) 2008-2010年，荒漠草原生态系统生长季降水所激发的碳通量分别占生长季总碳通量的25.1%、19.1%和72.2%，并且降水所激发的生态系统碳吸收远高于碳释放。(5) 小针茅群落的土壤呼吸速率对降水总量和频率响应明显。土壤越干旱、降水间隔期越长、降水频率越低，强度越大，土壤的CO2排放速率越强。叶面积、总生物量及根\茎\叶生物量对降水总量响应明显，降水频率影响不显著。株高和叶片含水率对降水总量和频率反应均不显著。