改变降雨模式对半干旱草地生态系统结构和功能过程的影响

As the world’s largest grassland, temperate semi-arid steppe in northern China is currently experiencing the impact of the changing rainfall. Changing rainfall not only seriously affects grassland ecosystem's structure and functional processes, but also increases uncertainty to predict the dynamic of terrestrial ecosystem in the future. A manipulative field experiment with altered rainfall seasonality and amount will be performed to examine the relationship between the ecosystem structure and functional processes, as well as between ecosystem critical state transitions and sustainability in a typical temperate steppe in northern China. Responses of community structure, plant phenology, CO2 fluxes and related plant functional traits to the altered rainfall will be measured periodically during the growing season. Then, we will compare and analyze the thresholds of ecosystem state transition, and derive the corresponding early warning signal. The expected results will not only enhance understanding of the grassland ecosystem sensitivity to changing rainfall, but also strengthen the predicting ability of ecosystem state transition under global climate change scenarios. The results would provide data support and theoretical basis to develop the adaptive management strategies, and maintaining sustainability and reliability of ecological goods and services for human beings.

作为全球最大的草地生态系统，我国北方温带半干旱草原现在正面临着改变降雨模式的影响。降雨模式的变化不仅严重影响了草地生态系统的结构过程和功能过程，而且增加了预测草地生态系统动态变化的不确定性。本项目拟在我国北方典型温带草原设置一个改变降雨量和降水季节分配的野外控制实验，开展草地生态系统结构过程和功能过程以及草地生态系统重要状态转变与草地可维持力的关联研究。在生长季通过定期测定植物群落结构、物候、碳循环以及相关的植物功能性状对改变降雨模式的响应，比较、分析生态系统功能发生状态转变的阈值，并推导出相应的前期预警信号。研究结果不仅有利于增加对草地生态系统响应降雨模式变化的敏感性的认识，而且将增强在全球气候变化情景下对草地生态系统状态转变的预测能力，为制定保证区域社会经济可持续发展的适应性管理策略和措施，以及维持和增强草地生态系统的产品和服务功能提供数据参考和理论依据。

改变生长季极端降雨发生时机可能影响了草地的植物、微生物多样性、物种组成以及生态系统功能。然而，人们对草地生态系统的结构和功能过程响应生长季极端降雨发生时机的一般模式和作用机制缺乏清晰的认识。通过2015年执行的一项改变极端降雨发生时机的实验发现：(1)生长季前期干旱降低禾本科和半灌木植物生物量，生长季后期干旱降低多年生杂草和半灌木植物生物量。相反，生长季前期增雨增加多年生杂草生物量，而生长季后期增雨增加禾本科和半灌木植物的生物量。研究强调了功能特征在植物响应气候变化过程中的重要调节作用。(2)生长季前期干旱显著增加了真菌、 细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌、丛枝真菌和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌之比，而对真细比影响不显著。相反，生长季后期干旱显著降低了真细比，而对土壤微生物各类群影响不显著。生长季不同时期增雨对微生物各类群影响均不显著。该项研究强调了生长季前期干旱对土壤微生物群落的重要作用。(3)无论是生长季前期干旱还是后期干旱均显著地降低土壤呼吸和微生物呼吸。但是，只有生长季前期增雨显著提升了土壤呼吸和微生物呼吸。研究还表明土壤呼吸对减雨比对增雨更敏感，对后期减雨比对前期减雨更敏感。而微生物呼吸对前期增雨的敏感性高于后期增雨，但是在增雨和减雨间其敏感性并没有显著差异。该项研究强调了极端降雨发生时机对土壤呼吸和微生物呼吸的不对称影响。(4)生长季后期干旱通过降低总初级生产力而导致净生态系统气体交换下降，而生长季前期干旱对净生态系统气体交换影响不显著。研究还表明土壤基质供应和土壤碳氮比例的变化是引起净生态系统气体交换变化的主要原因。该项研究强调了生长季后期干旱将严重弱化了半干旱草地的碳汇功能。(5)通过整合分析发现自然条件下地上净初级生产力与每年降雨量呈正的线性关系，然而控制实验研究表明地上净初级生产力对增加降雨的敏感性随着平均年降雨量的增加而下降。在空间尺度上，降水利用效率随着降雨量的增加而增加。在时间尺度上，降水利用效率随着降雨量的增加而减少。该项研究表明草地生态系统生产力响应降雨变化的复杂性和多变性，强调了生态系统功能在站点水平上的重要性。