【论文】增温对青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环的影响

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本文字数：1328字

阅读时间：4分钟

研究背景

目前全球正在经历着以气候变暖为主要特征的全球变化。青藏高原由于面积巨大和碳储量较高，被认为对全球变化敏感，在全球碳循环中扮演着重要角色，是研究生态系统碳氮循环对气候变暖响应的重要地区。因此，青藏高原上开展了一系列模拟增温的野外控制实验，大量的案例研究报道了模拟增温对青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环关键过程的影响，但是结果并不一致。在青藏高原尺度上，增温对高寒草地生态系统碳氮循环影响的一般化模式以及控制因素仍不清楚。因此，本研究通过整合分析（meta-analysis）的手段对该问题进行了系统研究。

图1 青藏高原模拟增温控制实验分布图

材料与方法

本研究基于已发表的65篇文献，共计42样点，39个实验。其中，将生态系统划分为沼泽草甸（swamp meadow）、高寒草甸（alpine meadow）、高寒草原（alpine steppe）；将增温方式划分为开顶箱（OTC）增温和红外辐射（IH）增温；将增温幅度划分为低强度增温（< 2°C）和高强度增温（≥ 2°C）；将增温时长划分为短期增温（< 5yr）和长期增温（≥ 5yr）。采用混合效应meta回归模型（mixed-effects meta-regression model）和线性回归模型等方法进行了相关分析。

图2 青藏高原高寒草地模拟增温实验案例数

结果&讨论

研究发现，增温会显著增加地上生物量（mean 11.0%, 95% CI 1.6–21.4%）、地下生物量（24.3%, 13.7–36.0%）、土壤可溶性碳（13.6%, 5.4–22.5%）、土壤呼吸（14.3%, 2.9–27.1%）、生态系统呼吸（15.3%, 4.7–27.1%）、土壤铵态氮（29.0%, 4.6–59.2%），但是不显著改变土壤总有机碳（2.4%, −4.4 to 9.7%）、土壤总氮（1.9%, −2.7 to 6.7%）、土壤微生物生物量碳（5.5%, −4.1 to 16.2%）、土壤微生物生物量氮（4.7%, −7.4 to 18.4%）等（图3）。

图3 增温对青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环相关指标的影响

此外，青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环相关指标在不同的生态系统类型、增温方式、增温幅度和增温时长之间并不一致（图4和5）。

图4 增温对青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环关键指标的影响

例如，生态系统类型、增温时长、土壤水分变化、增温方法都会影响地下生物量对增温的响应比。在OTC增温方式下、短期增温下，地下生物量对增温的影响比是显著增加的。进一步研究发现，无论是地上生物量对增温的响应比（P=0.08），还是地下生物量对增温的响应比（P<0.01），与增温时长之间都有负相关关系（图6）。这表明随着增温时长的增加，增温对生物量的促进效果会逐渐降低。而且发现，生态系统呼吸对增温的响应比与增温导致的土壤水分的变动呈现显著的正相关（P=0.03），表明增温后由于土壤水分会降低，会导致生态系统呼吸对增温的影响降低（图6）。

图5 增温对青藏高原高寒草地生态系统碳氮循环影响的相关环境变量之间的相对重要性

图6 碳氮循环关键指标对增温的响应比与相关环境变量之间的关系

小结

总体而言，在青藏高原高寒草地生态系统，增温会显著加快碳氮循环过程，但是土壤碳库和氮库并不发生显著变化（图7）。本研究结果表明，在未来气候变暖的背景下，加快的碳氮循环过程可能并不会导致青藏高原高寒草地土壤碳库和氮库的损失。并且，未来亟需开展长期的标准化模拟增温实验（相同增温方式、增温幅度），而且更加关注深层土壤（<20 cm以下）和实验数量较少的中西部地区生态系统的碳氮循环过程对增温的响应。

图7 青藏高原高寒草地生态系统碳循环过程对增温的响应模式图（数值为平均值，括号内为95% CI，* P<0.05） 

本研究于2020年4月3日以“Effects of warming on carbon and nitrogen cycling in alpine grassland ecosystems on the Tibetan Plateau: A meta-analysis”为题在线发表于Geoderma期刊上。北京大学朱彪研究组2017级博士生陈迎为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，其他合作者还包括北京大学的博士生冯继广和博士后袁霞博士。本研究受到国家重点研发专项（2017YFC0503903）和国家自然科学基金（31971528）的资助。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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