降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响

全球气候变化下降水时间的改变将深刻影响草原生态系统地上净初级生产力(ANPP),而草原生态系统ANPP是区域碳循环的重要过程.利用1998-2007年的SPOT-VEG NDVI数据并结合111个样点的ANPP地面样方调查数据,获得了内蒙古温带草原1998-2007年的ANPP区域数据,依此分析了中国内蒙古温带草原以及区域内的3种植被类型(荒漠草原、典型草原、草甸草原)降水时间对ANPP的影响.研究结果表明,对于整个内蒙古温带草原来说,一个水分年内(从上一年9月份到当年地上生物量达最大值时的8月份)影响ANPP较为重要的降水月份为2-7月份,其中,5-7月份降水尤为重要.具体到每个月降水的影响,研究发现,7月份降水最重要,而仍处于生长季的8月份降水相对于其他生长季降水作用最小;影响不同草地类型最重要的降水时期存在一定差异,对荒漠草原和典型草原地区来说,ANPP达最大值前3个月(5-7月份)的生长季降水最重要,而8月份降水影响较小,而草甸草原地区8月份和非生长季的3、4月份降水最重要,但各个降水时期降水对ANPP的影响都较荒漠草原和典型草原小,大部分地区降水对ANPP的影响不显著.     

中国温带草地物候对气候变化的响应及其对总初级生产力的贡献

气候变暖引起的植物物候变化影响了陆地生态系统功能和碳循环。目前研究着重关注温带和热带森林物候变化趋势、驱动因素,关于干旱半干旱地区草地物候变化及其对生态系统总初级生产力（gross primary productivity, GPP）影响仍知之甚少。因此,开展草地植物物候与生产力之间的关系研究对预测草地生态系统响应未来气候变化和区域碳循环至关重要。基于1982-2015年气象资料和GIMMS NDVI3g数据,分析了中国温带草原植被返青期（start of the growing season, SGS）和枯黄期（end of the growing season, EGS）变化及其对气候的响应,并借助一阶差分法量化物候对GPP动态变化的贡献。结果表明：（1）季前1-2个月的夜间温度增温会显著提前SGS, 而当月至季前2个月的白天温度对SGS有着微弱的促进作用;季前3个月的累积降水对SGS提前作用最为强烈,累积太阳辐射在各个时期对SGS影响相对较弱。（2）不同季前时间尺度昼夜温度对草地EGS均表现出相反的作用,短期累积降水对EGS起到显著延迟的区域范围最大,太阳辐射随着季前时间的增加对草地枯黄期的延迟作用逐渐转变为提前作用。（3）EGS对草地GPP年际变化趋势的相对贡献率强于返青期。研究结果有助于深化陆地生态系统与气候变化、碳循环之间相互作用的认识,为草地适应未来气候变化和生态建设提供科学依据。     

Sensitivity of mean annual primary production to precipitation

In many terrestrial ecosystems, variation in aboveground net primary production (ANPP) is positively correlated with variation in interannual precipitation. Global climate change will alter both the mean and the variance of annual precipitation, but the relative impact of these changes in precipitation on mean ANPP remains uncertain. At any given site, the slope of the precipitation‐ANPP relationship determines the sensitivity of mean ANPP to changes in mean precipitation, whereas the curvature of the precipitation‐ANPP relationship determines the sensitivity of ANPP to changes in precipitation variability. We used 58 existing long‐term data sets to characterize precipitation‐ANPP relationships in terrestrial ecosystems and to quantify the sensitivity of mean ANPP to the mean and variance of annual precipitation. We found that most study sites have a nonlinear, saturating relationship between precipitation and ANPP, but these nonlinearities were not strong. As a result of these weak nonlinearities, ANPP was nearly 40 times more sensitive to precipitation mean than variance. A 1% increase in mean precipitation caused a ?0.2% to 1.8% change in mean ANPP, with a 0.64% increase on average. Sensitivities to precipitation mean peaked at sites with a mean annual precipitation near 500 mm. Changes in species composition and increased intra‐annual precipitation variability could lead to larger ANPP responses to altered precipitation regimes than predicted by our analysis.     

天山北坡不同海拔梯度山地草原生态系统地上净初级生产力对气候变化及放牧的响应

以天山北坡三工河流域为例,利用改进后的Biome-BGC模型分别模拟了仅气候变化（Clm）、气候变化与放牧联合作用（ClmGra）下研究区不同海拔梯度3种山地草原生态系统（低山干旱草原,LAG;森林草甸草原,FMG;高寒草甸草原,AMG）1959—2009年地上净初级生产力（Aboveground Net Primary Production,ANPP）的动态,并通过假设27种放牧强度情景（0—8 羊/ha）模拟了其ANPP随放牧强度增加的变化趋势。近50年气候变化致使研究区各海拔梯度草原生态系统ANPP整体均呈上升趋势,但在放牧联合作用下,不同草原类型ANPP变化趋势差异显著;放牧导致FMG和AMG的ANPP呈下降态势,分别减少30.0%和33.2%,对比之下,由于1980前较低放牧强度促进了LAG的ANPP,放牧导致其ANPP整体增加1.3%。随着放牧强度增加,LAG的ANPP呈先增后减趋势,且在干旱年份最为显著;而FMG和AMG的ANPP呈显著非线性递减趋势。这些结果表明,近50年气候波动可能有利于中亚干旱区山地草原生态系统生产力的提高,但日益增强的放牧活动导致其净初级生产力显著降低;放牧对FMG与AMG生产力的负面效应随放牧强度增加而增强,但适度放牧可能促进LAG净初级生产力,尤其在干旱年份。     

Asymmetric responses of primary productivity to precipitation extremes: A synthesis of grassland precipitation manipulation experiments

Climatic changes are altering Earth's hydrological cycle, resulting in altered precipitation amounts, increased interannual variability of precipitation, and more frequent extreme precipitation events. These trends will likely continue into the future, having substantial impacts on net primary productivity (NPP) and associated ecosystem services such as food production and carbon sequestration. Frequently, experimental manipulations of precipitation have linked altered precipitation regimes to changes in NPP. Yet, findings have been diverse and substantial uncertainty still surrounds generalities describing patterns of ecosystem sensitivity to altered precipitation. Additionally, we do not know whether previously observed correlations between NPP and precipitation remain accurate when precipitation changes become extreme. We synthesized results from 83 case studies of experimental precipitation manipulations in grasslands worldwide. We used meta‐analytical techniques to search for generalities and asymmetries of aboveground NPP (ANPP) and belowground NPP (BNPP) responses to both the direction and magnitude of precipitation change. Sensitivity (i.e., productivity response standardized by the amount of precipitation change) of BNPP was similar under precipitation additions and reductions, but ANPP was more sensitive to precipitation additions than reductions; this was especially evident in drier ecosystems. Additionally, overall relationships between the magnitude of productivity responses and the magnitude of precipitation change were saturating in form. The saturating form of this relationship was likely driven by ANPP responses to very extreme precipitation increases, although there were limited studies imposing extreme precipitation change, and there was considerable variation among experiments. This highlights the importance of incorporating gradients of manipulations, ranging from extreme drought to extreme precipitation increases into future climate change experiments. Additionally, policy and land management decisions related to global change scenarios should consider how ANPP and BNPP responses may differ, and that ecosystem responses to extreme events might not be predicted from relationships found under moderate environmental changes.     

高寒草地植物群落地上-地下净初级生产力权衡

植物生产力分配和权衡是植物生态学研究中的热点,反映植物对环境的适应性,是了解植物响应全球气候变化的关键。青藏高原作为气候变化敏感区,研究其植物地上与地下部分权衡对了解高寒草地植被生存策略和生态系统可持续发展具有重要意义。目前,生物量分配调控机制已被广泛研究,但主要使用植物根冠比和地上-地下生物量比等方法来表征植物分配模式,缺乏考虑因植物生长周期导致的差异。使用青藏高原高寒草地103个样点的地上和地下净初级生产力数据,分析高寒草甸和高寒草原两种主要草地类型的地上-地下净初级生产力权衡关系。利用气候因素和土壤因素等相关数据,结合方差分析、相关分析、相对重要性分析和结构方程模型的方法,探究环境因素对两种草地类型地上-地下净初级生产力权衡的影响机制。研究发现：（1）高寒草甸的地上净初级生产力、地下净初级生产力和土壤养分含量显著高于高寒草原（P<0.05）;（2）高寒草地植被生产力均向地下权衡（0.0199）,且高寒草原（0.0354）的权衡值高于高寒草甸（0.0173）;（3）结构方程模型发现,年平均降水量、土壤容重和土壤速效氮含量是影响高寒草甸生产力权衡的主导因子,而年平均温度和年平均降水量是影响高寒草原生产力权衡的主导因子。研究表明高寒草甸的生产力权衡主要受气候和土壤因素共同影响,而高寒草原主要受气候因素调节。研究为理解植物地上-地下生物量分配调控机制提供了新的视角和方法,对系统了解高寒草地生物量分配模式和准确预测高寒草地植被动态过程具有指导意义。     

21世纪上半叶内蒙古草地植被净初级生产力变化趋势

基于中国气象局国家气候中心新发布的中短期适应气候变化的新情景(RCP4.5)和极端情景(RCP8.5)下的气候预估数据,采用空间化后的CENTURY模型模拟探讨2011－2050年内蒙古草地植被净初级生产力(NPP)的时空变化特征.结果表明: 区域尺度上,未来气候变化情景下内蒙古草地NPP年下降速率分别为0.57 g C·m^-2·a^-1(RCP4.5)、0.89 g C·m^-2·a^-1(RCP8.5);相对于基准时段,RCP4.5情景下内蒙古草地NPP在2020s、2030s、2040s分别下降11.6%、12.0%、18.0%,而RCP8.5情景下降幅分别为23.8%、21.2%、30.1%.不同气候情景下内蒙古草地NPP时空变化特征差异较大,但即使在RCP4.5下未来40年绝大部分草地NPP也将呈现下降趋势,15.6%的草地减产超过20%.这表明未来气候变化情景下内蒙古草地降水略增的态势不足以补偿因温度升高对草地植被初级生产力所产生的负面作用,草地资源的可持续发展将面临更大挑战.     

内蒙古羊草草原植物群落地上初级生产力时间动态对降水变化的响应

植被生产力对水热因子的反应是气候 -植被关系研究的焦点之一。利用 1981～ 1994年的固定围栏样地植物群落调查数据及同期降水资料 ,分析了羊草草原群落地上初级生产力和降水的年际变化特征及植物群落地上初级生产力的时间动态与降水年际变化的相互关系。结果表明 ,羊草草原年降水以及月降水的年际波动明显 ;年内降水分配不均匀 ,降水集中分布于 6～ 8月份。月均降水以 7月份最高 ,基本呈对称分布。群落地上初级生产力年际间变化介于年降水与月降水的年际变化之间。影响群落地上初级生产力时间动态最显著的因子是植物生长周期内前一年 10月至当年 8月的累积降水 ,而与年降水和月降水无显著相关。群落地上初级生产力时间动态对累积降水波动的反应呈显著的二次曲线关系 ,与空间尺度上地上初级生产力与年降水呈线性相关关系不同。因此 ,降水波动对羊草草原地上初级生产力的影响是一个累积效应 ,确定对植物生长产生影响的有效降水时间对建立羊草草原生产力模型关系具有十分重要的意义。     

1982—2015年气候变化和人类活动对内蒙古草地净初级生产力的影响

研究1982—2015年气候变化和人类活动对内蒙古草地净初级生产力(NPP)的影响。结果表明: 1982—1998年和1999—2015年2个时期,内蒙古草地实际NPP(ANPP)增长速率分别为1.08和1.36 g C·m^-2·a^-1,草地以恢复为主,2个时期草地恢复面积分别占研究区总面积的81.6%和76.3%;草地退化面积有增加趋势,且气候变化和人类活动对不同类型草地的影响不同。2个时期气候变化对草地恢复贡献率分别为79.3%和94.1%,气候变化是草地恢复的主要因素,其中,ANPP与降水呈显著正相关,而与温度的相关性不显著,表明降水是影响草地恢复的主要气候因子。2个时期人类活动对草地退化的贡献率分别为83.3%和87.8%,说明人类活动是导致草地退化的主要原因。气候变化对内蒙古草地恢复起主导作用,而人类活动诸如放牧数量、耕地面积和造林面积的增加,加速了草地退化。     

荒漠短命植物地上和地下生产力对极端干旱和降水的响应

在古尔班通古特沙漠南缘沙垄4个坡位和坡向,设置减少65%和增加65%生长季降水量以模拟极端干旱和极端降水事件,研究极端干旱和极端降水事件对沙垄不同坡位和坡向短命植物层片生产力的影响。结果表明: 极端干旱使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著降低48.8%和13.7%,极端降水使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著增加37.9%和23.2%。地上净初级生产力对极端干旱和极端降水的敏感性(0.26和0.21 g·m^-2·mm^-1)显著强于地下净初级生产力的敏感性(0.02和0.03 g·m^-2·mm^-1)。沙垄东坡地上净初级生产力(24.22 g·m^-2)和地下净初级生产力(5.77 g·m^-2)与西坡相比显著增大29.7%和71.7%,而地上净初级生产力和地下净初级生产力对降水变化的敏感性在不同坡位和坡向之间差异不显著。     

东亚地区夏季干旱、强台风事件与松树枯萎病的关系

松树枯萎病的发生和流行给东亚的日本、中国和韩国带来了不小的损失,引起许多国家的重视. 本文应用实地观测和气象数据分析等方法,研究了东亚地区松树枯萎病的发生和流行特点,以及与灾害气象事件之间的关系.结果表明: 在日本、中国和韩国,持续的夏季干旱少雨和强台风等极端气象事件能够诱发松树枯萎.在极端干热的环境中,松树常出现能量代谢失调, 以至于受胁迫的松树整株枯萎;而在低温多雨的年份,松树枯萎少,甚至没有发生枯死现象.在松材线虫及其媒介昆虫侵染之前,松树的活力业已下降.松树枯萎病似乎应该局限在台风频发和持续干热的地区.在自然环境优越、少有台风和干热事件出现且没有不当扩大松树栽培范围的地区,松树枯萎病大面积发生的可能性不大.     

黄河流域草地净初级生产力时空动态及其驱动机制

黄河流域是生态系统的敏感区,流域草地生态系统在气候变化和人类活动驱动下发生了显著变化。基于多源遥感影像和气象站点资料等,采用改进后的CASA模型估算2001—2018年黄河流域草地净初级生产力(NPP),评估定量反演结果精度,分析研究时段内流域草地净初级生产力时空动态,探讨气候要素和人类活动对流域草地净初级生产力的影响。结果表明：1)基于改进的CASA模型能够高精度模拟黄河流域草地NPP。2)2001—2018年黄河流域草地NPP呈增加趋势,且在2013年发生突变。2001—2013年气候和人类活动均促进流域草地NPP增加,而2013年后人类活动抑制流域草地NPP增加的作用明显增强,抑制区域面积较前一阶段增加34.89%。整体上,人类活动对草地NPP的影响强度低于气候要素影响强度。3)耕地和建设用地面积的变化,是驱动实际净初级生产力动态的重要人类活动要素。耕地和建设用地面积的增加与草地面积减少、实际净初级生产力增加速率的降低紧密相关。伴随经济发展,应坚持实施退耕还林还草政策,并加强对草地生态保护的监督。     

2000—2020年青藏高原植被净初级生产力时空变化及其气候驱动作用

青藏高原是我国乃至全世界的“气候变化实验室”,在气候变化驱动下,青藏高原植被净初级生产力(NPP)发生了显著变化。本研究利用归一化植被指数、数字高程、年降水量和年气温等数据,探究2000—2020年青藏高原植被NPP的时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明: 2000—2020年,青藏高原植被NPP呈显著增加趋势,NPP增加速率为1.67 g C·m^-2·a^-1。青藏高原植被NPP空间分布表现为从东南向西北逐渐递减,该分布格局与气温、降水量的空间分布格局基本吻合。植被NPP与气温和降水量变化显著正相关。暖湿化气候变化趋势是促进植被NPP显著增加的重要动力,如果气候持续更暖更湿,青藏高原植被NPP将会持续增加。     

Community carbon and water exchange responses to warming and precipitation enhancement in sandy grassland along a restoration gradient

Temperature increasing and precipitation alteration are predicted to occur in arid and semiarid lands; however, the response mechanism of carbon and water exchange at community level is still unclear in semiarid sandy land. We investigated the responses of carbon and water exchanges to warming and precipitation enhancement along a sand dune restoration gradient: mobile sand dunes (MD), semifixed sand dunes (SFD), and fixed sand dunes (FD). The average net ecosystem productivity (NEP) and evapotranspiration (ET) between May and August increased by 98% and 59%, respectively, from MD to SFD, while they had no significant differences between FD and the other two habitats. Warming inhibited ecosystem NEP, ET, and water use efficiency (WUE) by 69%, 49% (p < .001), and 80%, respectively, in SFD, while it nearly had no significant effects in MD and FD. However, precipitation addition by 30% nearly had no significant effects on community NEP, ET, and WUE, except for warming treatment in FD. In general, precipitation addition of 30% may still not be enough to prevent drought stress for growth of plants, due to with low water holding capacity and high evaporation rates in sandy land. Temperature increase magnified drought stress as it increased evapotranspiration rates especially in summer. In addition, community NEP, ET, and WUE were usually influenced by interactions between habitats and temperature, as well as the interactions among habitats, temperature, and precipitation. Species differences in each habitat along the restoration gradient may alter climate sensitivity of sandy land. These results will support in understanding and the prediction of the impacts of warming and precipitation change in semiarid sandy grassland.     

2000-2008年中国东北地区植被净初级生产力的模拟及季节变化

利用GLOPEM-CEVSA模型模拟并分析了中国东北地区2000-2008年植被净初级生产力(NPP)时空分布格局及其影响因素,并以4个森林生态站点(大兴安岭、老爷岭、凉水和长白山森林生态站)为例研究了东北地区森林NPP季节变化特征及其环境驱动.结果表明:2000-2008年,东北地区植被年均NPP为445 g C·m-2·a-1;整个研究区沿长白山山脉到小兴安岭山脉地区以及三江平原部分地区的NPP最高,沿长白山山脉到小兴安岭山脉西侧的辽河平原、松嫩平原东部、三江平原和大兴安岭地区次之,西部稀疏草原和荒漠地区的NPP最低.东北地区森林生态系统年均NPP最高,其次为灌丛、农田和草地,荒漠最低.森林生态系统中,针阔混交林年均NPP最大(722 g C·m-2·a-1),落叶针叶林年均NPP最小(451 g C·m-2·a-1).研究期间,森林NPP无显著年际变化,其中2007、2008年较往年NPP大幅增加,很可能与该地区期间气温上升有关(较往年偏高1 ℃=～2℃).东北地区森林自北向南生长季开始时间逐渐提前,生长季变长.     

疏勒河流域气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响评价

气候变化和人类活动是对陆地生态系统碳循环产生重要影响的两个因素,定量评估气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的相对影响,对深入理解其驱动机制和控制荒漠化发展具有重要意义。以疏勒河流域为研究区,利用遥感和气象数据计算潜在NPP(PNPP)及其与实际NPP(ANPP)之间的差值,分别衡量了气候变化和人类活动对流域NPP的相对影响。研究结果表明:(1)2001—2015年疏勒河流域年ANPP整体呈缓慢增加趋势,与全国和西北地区相比,普遍较低,流域植被整体生产力水平不高。流域年ANPP空间分布呈现上游祁连山区和中下游绿洲区ANPP较高,而中下游荒漠戈壁区ANPP较低的分布格局。(2)2001—2015年流域年PNPP的变化趋势表明,降水量的变化是导致疏勒河流域植被退化加剧或缓解的主要气候驱动因素,但气温的变化对植被的影响较为复杂。(3)2001—2015年流域大部分地区植被退化系人类活动造成的,但人类活动的负向影响力在减弱。(4)气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响均表现出明显的空间异质性,其中人类活动是疏勒河流域植被变化的主要驱动因素。     

气候变化情景下中国自然植被净初级生产力分布

基于国际上较通用的Lund-Potsdam-Jena(LPJ)模型,根据中国自然环境特点对其运行机制进行调整,并重新进行了参数化,以B2情景气候数据作为主要的输入数据,以1961-1990年为基准时段,模拟了中国1991-2080自然植被净初级生产力(NPP)对气候变化的响应.结果表明:1961-1990年,中国自然植被的NPP总量为3.06 Pg C·a-1;1961-2080年,NPP总量呈波动下降趋势,且下降速度逐渐加快.在降水相对变化不大的条件下,平均温度的增加对我国植被生产力可能会产生一定的负面影响.NPP的空间分布从东南沿海向西北内陆呈逐渐递减趋势,在气候变化过程中,该格局基本没有太大变化.在东部NPP值相对较高地区,NPP值以减少为主,东北地区、华北东部和黄土高原地区的减少趋势尤为明显;在西部NPP值相对较低地区,NPP以增加趋势为主,青藏高原地区和塔里木盆地的表现尤为突出.随着气候变化的深入,东西部地区这种变化趋势的对比将越发明显.     

Shifting grassland plant community structure drives positive interactive effects of warming and diversity on aboveground net primary productivity

Ecosystems worldwide are increasingly impacted by multiple drivers of environmental change, including climate warming and loss of biodiversity. We show, using a long‐term factorial experiment, that plant diversity loss alters the effects of warming on productivity. Aboveground primary productivity was increased by both high plant diversity and warming, and, in concert, warming (≈1.5 °C average above and belowground warming over the growing season) and diversity caused a greater than additive increase in aboveground productivity. The aboveground warming effects increased over time, particularly at higher levels of diversity, perhaps because of warming‐induced increases in legume and C4 bunch grass abundances, and facilitative feedbacks of these species on productivity. Moreover, higher plant diversity was associated with the amelioration of warming‐induced environmental conditions. This led to cooler temperatures, decreased vapor pressure deficit, and increased surface soil moisture in higher diversity communities. Root biomass (0–30 cm) was likewise consistently greater at higher plant diversity and was greater with warming in monocultures and at intermediate diversity, but at high diversity warming had no detectable effect. This may be because warming increased the abundance of legumes, which have lower root : shoot ratios than the other types of plants. In addition, legumes increase soil nitrogen (N) supply, which could make N less limiting to other species and potentially decrease their investment in roots. The negative warming × diversity interaction on root mass led to an overall negative interactive effect of these two global change factors on the sum of above and belowground biomass, and thus likely on total plant carbon stores. In total, plant diversity increased the effect of warming on aboveground net productivity and moderated the effect on root mass. These divergent effects suggest that warming and changes in plant diversity are likely to have both interactive and divergent impacts on various aspects of ecosystem functioning.     

刈割和施肥对高寒草甸功能多样性与地上净初级生产力关系的影响

功能多样性(FD)对群落地上净初级生产力(ANPP, g·m^-2·a^-1)有直接的影响, 但不同扰动因素对FD-ANPP关系将产生何种影响尚不明确。通过在青藏高原高寒矮生嵩草(Kobresia humilis)草甸连续7年(2007-2013)的刈割(3水平: 不刈割、留茬3 cm的中度刈割和留茬1 cm的重度刈割)和施肥(2水平: 施用12.75 g·m^-2·a^-1尿素+ 3.06 g·m^-2·a^-1 (NH₄)₂HPO₄、不施肥)控制实验, 研究了刈割、施肥、年份及其交互作用对ANPP和FD的影响以及FD-ANPP关系的变化。研究结果显示: (1)增加刈割强度和土壤养分均显著提高了ANPP, 但其效应随着年份的不同而有差异, ANPP随着时间呈波动下降趋势, 而FD则随年度增大; (2)施肥显著增加了FD, 而刈割对FD无显著影响(p > 0.05); (3)在6种刈割和施肥处理组合下, FD-ANPP关系随时间的变化主要受刈割扰动影响呈现正线性相关和无相关两种模式。无论施肥与否, 不刈割(C0)群落中FD和ANPP之间无相关(n = 90, p > 0.05); 而刈割群落中FD和ANPP之间为正相关(n = 90, p < 0.05)。由于刈割同时提高了FD和ANPP, 促使二者在刈割群落中呈现正线性相关。(4)尽管施肥不影响FD和ANPP的关系模式, 但与刈割共同作用, 影响FD-ANPP关系的截距或斜率。上述结果说明, 刈割扰动和土壤营养资源共同影响着FD-ANPP关系, 而刈割在改变其关系模式方面起主导作用。