PNAS | 中科院“碳专项”重要成果：气候变化对草地初级生产力的影响

Info 

原名：Shifting plant species composition in response to climate change stabilizes grassland primary production

译名：气候变化引起的植物物种组成变化稳定了草地初级生产力

期刊：PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)

通讯作者：贺金生

通讯作者单位：北京大学城市与环境学院/兰州大学

原文链接:   https://doi.org/10.1073/pnas.1700299114

 Introduction 

气候变化影响着陆地生态系统的结构和功能，特别是在寒冷地区。生态系统中净初级生产力(NPP)的数量影响着陆地生物圈与大气之间的碳反馈。越来越多的实验研究探讨了植物群落组成和初级生产力对气候变化的响应;然而，很少有研究结合长期观察来探索气候变化引发的群落组成变化如何影响生态系统功能。特别是青藏高原在过去50年里经历了显著的变暖，预计这种变暖趋势将在未来加剧。这种气候变化可能会改变植物物种组成和净初级生产力。

 Methods 

本研究利用32年青藏高原高寒草地生态系统观测和监测与控制实验(增温和干旱)相结合的方法，探讨了气候变化对草地生产力和群落组成的影响。特别研究了NPP和植物群落组成对气候变化是否敏感，以及植物群落组成的变化是否放大或稳定了生产力的变化。最后，探讨了气候变暖对初级生产力影响的可能机制。

 Results 

1. 气候、植物生产力和物种组成的长期变化

1980 - 2014年，青藏高原野外观测点年平均气温上升1.2 ℃(0.38 /十年)，年降水量变化不明显，年湿度指数呈下降趋势。2002- 2010年，5 cm和45cm深度土壤水分显著下降(图1A)。总的来说，在1980- 2014年期间，该地区变得既温暖又干燥。地表净初级生产力(ANPP)在298 -484 g m-2之间(平均371 gm-2)，但它没有系统地逐年变化(图1B)。但植物功能群(生物量百分比)对ANPP的相对贡献变化显著;随着时间的推移，禾本科草类的ANPP增加，莎草的ANPP减少，非禾本科草类的ANPP保持相对稳定(图1C)。

2. 增温和干旱对植物生产力和物种组成的影响

在4年的增温和干旱处理试验中，均显著降低了生长季(5-9月)5 cm土壤水分(图2A)。然而，气候变暖对ANPP、地下净初级生产力(BNPP)或总NPP没有显著影响(图2B)。无论某一年是冷湿年份(2011年，2014年)还是暖干年份(2012年，2013年都是如此。相比之下，干旱处理降低了ANPP，增加了BNPP(图2B)，但不影响总NPP。4年的增温和干旱都增加了禾本科草类的相对丰度，减少了莎草和非禾本科草类的相对丰度(图3)。这些变化在干旱年份很明显(2012,2013)。

为了探究不同植物功能组对升温和干旱处理的响应为何不同，我们测量了3个功能组(禾草、非禾草和莎草)9种植物的根系垂直分布，这3个功能组共占总ANPP的72%。禾本科草类的根系通常比莎草(可达25cm)和非禾本科草类(可达30cm)深，达到85cm。不同功能组间根系垂直分布的差异以及增温和干旱处理下功能组优势度的变化(图3)可能导致了NPP分配在地下的转移，特别是向底土(30cm)的转移。增温没有改变0- 20 cm处的BNPP，但增加了30 -50 cm处的BNPP(图2C)。同时，干旱显著增加了0- 20 cm和30- 50 cm的BNPP(图2D)。

3. 青藏高原植物生产力和物种组成的综合响应

作者对分布在青藏高原的9个地点的实验增温效应进行了Meta分析(图4)。增温使土壤温度升高1.8℃，土壤湿度降低3.0%，但增温对ANPP没有强烈或一致的影响;然而，在9个试验点的增温导致了群落组成的变化，禾本科草类普遍增多，非禾本科草类减少(图4B)。在最冷的地区，如凤火山、北麓河、果洛(年平均气温＜−3.0°C)， ANPP呈上升趋势。相比之下，在气温不那么低的站点，如damung、Hongyuan和Kakagou(年平均气温，−2.8~2.8°C)，变暖倾向于降低ANPP。

 Conclusion 

综上所述，本研究结果表明:(1)1983 - 2014年长期气候变暖导致禾本科草类丰度升高，莎草丰度降低，但对地上NPP没有影响; (2)增温4年以上的试验对NPP的任何方面都没有影响，而干旱只改变了NPP在地下的分配，而不影响总NPP;(3)在整个高原9个地点的meta分析表明实验性增温和干旱处理，以牺牲莎草和非禾本科草的生物量为代价，增加了禾本科草的丰度。这种功能群组成的变化导致了更深的根系，这可能使植物群落获得更多的水分，从而在气候变化的情况下稳定生态系统初级生产。总体而言，气候变化引起的植物物种组成的变化可能稳定了这一高海拔生态系统的初级生产力，但它也导致了生产力由地上向地下的转移。鉴于根系对土壤碳形成和土壤有机碳稳定性的重要贡献，这些发现对于预测土壤碳向大气的反馈具有重要意义。

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