由工業(yè)革命以來,受到人類活動的擴大影響,全球的大氣循環(huán)和氣候格局變化顯著加劇。導(dǎo)致極端氣候事件頻繁發(fā)生,比如極端干旱、強降水、熱浪等事件。造成我國北方地區(qū)呈現(xiàn)暖干化的趨勢,降水格局發(fā)生了很大變化,主要表現(xiàn)為極端干旱的頻率和強度增加,而且極端干旱的發(fā)生時間不確定性也在增加。與平均氣候變化相比,極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的影響更具有不確定性。極端干旱會影響生態(tài)系統(tǒng)的功能,比如對生態(tài)系統(tǒng)碳交換和生物量等的影響。同時,極端干旱還會影響生態(tài)系統(tǒng)植物群落的組成,導(dǎo)致草原生態(tài)系統(tǒng)的灌叢化,影響了資源的分配和生態(tài)系統(tǒng)功能。目前主要的研究集中在極端干旱的單次事件的影響,往往忽略了不同時期的干旱,即干旱發(fā)生時間對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。草原是全球陸地上分布最廣的植被類型之一。我國不同類型的草地面積為4億公頃,我國草原面積占據(jù)國土面積的40%,并且占有了 16.7%的碳貯量。其生態(tài)功能和服務(wù)嚴重受到水分有效性的制約。極端干旱事件嚴重制約了該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳交換。極端干旱導(dǎo)致的草原灌木化使得生態(tài)系統(tǒng)的功能服務(wù)受到了威脅。本研究以我國北方的內(nèi)蒙古半干旱溫帶典型草原為研究對象,借助中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原動物生態(tài)研究站搭建的極端氣候和生物多樣性控制實驗(Extreme Climate Events and Biodiversity:ECEB)研究平臺。研究極端干旱和物種組成變化(草原灌木化)對生態(tài)系統(tǒng)的影響。目前對極端干旱事件的定義有很多種,我們采用了統(tǒng)計分布極值定義極端干旱事件,具體為根據(jù)當?shù)乜色@得的最長60年氣象數(shù)據(jù),根據(jù)耿貝爾極值理論(Gumbel I distribution model)定義連續(xù)30天的無效降水為極端干旱事件。實驗主要包括兩個處理:極端干旱處理主要包括生長季前期干旱(D1)、生長季中期干旱(D2)、生長季后期干旱(D3),還有一個周圍環(huán)境對照(CK);物種組成處理主要包括兩種禾草物種組成(G2)、兩種灌木物種組成(S2)、兩種禾草和兩種灌木組合的物種組成(C3),外加一個原始植被組成處理(W)。分別在2014年、2015年、2016年,研究了生長季早期、中期、后期的極端干旱和物種組成對內(nèi)蒙古半干旱典型草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳交換影響,并探究生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機制。主要包括:草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)碳交換、土壤碳氮等元素分析、土壤礦化速率、結(jié)構(gòu)方程模型分析生產(chǎn)力和碳交換與生物因子和非生物因子的關(guān)系等研究內(nèi)容。幫助理解在未來極端干旱事件強度和頻率增加、干旱發(fā)生時間不確定性、物種組成變化的條件下,內(nèi)蒙古半干旱典型草原的生態(tài)系統(tǒng)功能的響應(yīng)情況和演變規(guī)律,主要結(jié)論如下:(1)在原始植被條件下,極端干旱顯著影響了干旱處理期的土壤含水量。生長季早期干旱的土壤含水量最低。(2)在原始植被條件下,極端干旱在處理期間造成了植物熒光光系統(tǒng)Ⅱ的最大量子效率即原初光能轉(zhuǎn)化效率的降低,且低于生理最適值0.75-0.85,其中早期干旱的效應(yīng)最為強烈。植物表現(xiàn)出極端干旱下光合生理脅迫,但在統(tǒng)計上差異不顯著。在處理結(jié)束后,植物原初光能轉(zhuǎn)化效率有較好恢復(fù)。羊草和大針茅對三個時期的極端干旱響應(yīng)并不完全一致,尤其是在生長季的早期極端干旱中,羊草的負響應(yīng)更為強烈。(3)在原有植被條件下,生長季的早期極端干旱的影響強于生長季的中期和后期極端干旱,顯著降低了生態(tài)系統(tǒng)呼吸和生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力,并且使得生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換變?yōu)樘寂欧拧O端干旱對地上凈初級生產(chǎn)力沒有顯著作用,但羊草和大針茅的相對生物量和相對多度有變化。凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)、總初級生產(chǎn)力(GPP)和土壤含水量都具有較好的相關(guān)性,NEE和土壤溫度都具有較好的相關(guān)性。路徑分析表明非生物因子(土壤溫度和土壤含水量)可以直接影響了初級生產(chǎn)力,還可以通過生物因子(群落光合潛力)影響了初級生產(chǎn)力。(4)在組合物種組成條件下,極端干旱顯著降低了三年的平均土壤含水量,生長季早期干旱的土壤含水量最低。極端干旱對土壤總有機碳、土壤有效磷有顯著影響,而植物組成對土壤總有機碳、土壤有效磷沒有顯著影響,極端干旱和物種組成對土壤總有機碳、土壤有效磷的交互作用不顯著。極端干旱、植物組成對土壤總氮沒有顯著影響。(5)對組合物種組成條件下的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),極端干旱顯著降低了凈生態(tài)系統(tǒng)碳吸收(P=0.05)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(P0.01)、總初級生產(chǎn)力(P0.01),并且年際效應(yīng)顯著(P0.01)。其中生長季早期干旱的碳吸收最低,負效應(yīng)最強。物種組成對凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(P0.01)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(P0.01)、總初級生產(chǎn)力(P0.01)影響顯著,并且年際效應(yīng)顯著(P0.01)。灌木物種組成的碳吸收能力最強。極端干旱(F=7.97,P0.01)和物種組成(P=10.05,P0.01)處理對總地上凈初級生產(chǎn)力有顯著影響。生長季中期干旱對生物量的負影響最強,禾草物種組合的生物量最高,灌木物種組成的生物量最低。(6)在組合物種組成條件下,土壤含水量和NEE(P=0.05)、Re(P0.01)、GPP(P0.01)很好的線性相關(guān)性,土壤溫度和NEE(P0.01)、Re(P0.01)具有很好的線性相關(guān)性。干旱處理中,Re對GPP的貢獻大于干旱處理以外的時期,說明了干旱處理中碳損失的趨勢加大,造成了生態(tài)系統(tǒng)的碳排放。綜上,生長季的早期極端干旱趨勢加大,對生態(tài)系統(tǒng)的負影響要強于生長季中期和后期干旱,草原灌木化會在短時間內(nèi)較好抵御極端干旱,在降水格局變化的地位不容忽視。本研究為制定草原應(yīng)對氣候變化響應(yīng)方針提供了基本理論基礎(chǔ),為以后加強干旱的早期預(yù)防準備工作提供了依據(jù)。
【學(xué)位單位】：揚州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S812
【部分圖文】：

ｄｒｏｕｇｈｔ．?Ｗ．?Ｇ２．?Ｓ２．?Ｃ３?ｍｅａｎｓ?ｗｉｌｄ?ｇｒａｓｓｌａｎｄ，?ｔｗｏ?ｓｐｅｃｉｅｓ?ｏｆ?ｇｒａｉｎｉｎｏｉｄ．?ｔｗｏ?ｓｐｅｃｉｅｓ?ｏｆ?ｓｈｒｕｂ，?ｆｏｕｒ?ｓｐｅｃｉｅｓｏｆ??Ｇｒａｎｉｉｎｏｉｄ?ａｎｄ?Ｓｈｒｕｂ??實驗采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計，雙因素為極端千旱處理和物種組成處理（圖２－２）。??極端干旱分為持續(xù)３０天的生長季早期干旱（Ｄ１）、中期干旱（Ｄ２）、后期干旱（Ｄ３），外??加一個周圍對照處理（ＣＫ）。極端干旱處理為主處理，每個處理有４個重復(fù)，總共有１６??個區(qū)組（ｂｌｏｃｋ）；?４個物種組成作為副處理嵌套于主處理下，即每個區(qū)組下有４個小區(qū)??（ｐｌｏｔ），總共有４８個小區(qū)。每個小區(qū)２?ｍＸ２?ｍ，每個小區(qū)間有ｌｍ緩沖帶。為防止水??

圖３－１?（ａ）?２０１６年生長季日降水量（ｍｍ）及深度ｌＯｃｎｉ日均土壤含水量（％）動態(tài)分布圖。插圖為??２０１６年均土壤含水量。（ｂ．ｃ．ｄ）處理前（ｐｒｅ－Ｔ）、處理中（ｄｕｒ－Ｔ）和處理后（ｐｏｓｔ－Ｔ）檢測到的土壤平均含水??量。Ｄ１．Ｄ２?ａｎｄ?Ｄ３分別代表生長期早期、中期、后期極端干旱處理。括號內(nèi)的數(shù)值表示與歷史同期的??周圍環(huán)境相比減少的降雨量。＊：極端干旱與環(huán)境處理差異顯著，ＰＳ０．０５??Ｆｉｇｕｒｅ?３－１?（ａ）?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄａｉｌｙ?ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?（ｍｍ）?ａｎｄ?ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｉｎ?ｄａｉｌｙ?ｍｅａｎ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?（％）??ａｔ?１０?ｃｍ?ｄｅｐｔｈ?ｄｕｒｉｎｇ?ｌｌｉｅ?ｇｒｏｗｉｎｇ?ｓｅａｓｏｎ?ｉｎ?２０１６．?Ｔｈｅ?ｉｎｓｅｔ?ｐｌｏｔ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｌｌｉｅ?ａｖｅｒａｇｅ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?ｉｎ??２０１６．?（ｂ．?ｃ．?ｄ）?Ｔｈｅ?ｍｅａｎ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?ｄｅｔｅｃｔｅｄ?ａｔ?ｐｒｅ－?（Ｐｒｅ－Ｔ）．?ｄｕｒｉｎｇ－?（Ｄｕｒ－Ｔ）?ａｎｄ?ｐｏｓｔ－?（Ｐｏｓｔ－Ｔ）??

ｄｕｒｉｎｇ?ｐｒｃ－．?ｄｕｒｉｎｇ－?ａｎｄ?ｐｏｓｔ－?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｏｆ?ｔｈｒｅｅ?ｄｒｏｕｇｈｔ?ｉｒｃａｔｍｃｎｔ．?Ｔｈｅ?ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ?ａｔ?ｔｈｅ?（ｏｐ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｂａｒ??ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｄｅｃｒｅａｓｅｄ?＼?ａｌｕｅｓ?ｏｆ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．?Ｄａｔａ?ａｒｅ?ｍｅａｎｓ?±ｓｅ??將實驗分為處理前、中、后分析（圖３－４），對ＮＥＥ的影響，我們發(fā)現(xiàn)只有Ｄ２的處??理中與周圍對照組ＣＫ有顯著差異，但是Ｄ１和Ｄ３的處理后期顯著減少了碳吸收。對Ｒｅ??的影響，我們發(fā)現(xiàn)Ｄ１和Ｄ３在處理期間顯著降低了?Ｒｅ分別為４７％和５７％。而且這種負??效應(yīng)在Ｄ１組持續(xù)到了處理后期即恢復(fù)期。對ＧＰＰ的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ｄ１和Ｄ３在處理期??間的顯著負效應(yīng)都持續(xù)到了恢復(fù)期，而且在處理結(jié)束后，與周圍環(huán)境對照組相比，Ｄ１和??Ｄ３顯著降低了?ＧＰＰ達到４６％和６８％。??
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本文編號：2853883