2018年11月19日
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生命科学学院李建龙教授团队在全球变化生态学研究中取得重要成果

近日,我校生命科学学院李建龙教授团队在全球草地资源定量优化核算及其对气候变化响应的研究中取得重要成果。该团队首次将全球草地分布区细分为不同的干旱梯度(气候区),在此基础上定量评估不同气候区草地NPP和CUE的时空演变动态及其对气候变化的响应机制,在一定程度上提高了全球尺度下草地动态对气候变化响应研究的评估精度,且弥补了以往研究定性评估的不确定性。此外,该团队定量评估了全球不同气候区草地NPP和CUE时空分布特征,全球5大主要草地类型(Open shrublands、Closed shrublands、Savannas、Woody savannas、Non-woody grasslands )的NPP和CUE变化特征,也找出了不同气候区下草地NPP和CUE变化的主导影响因子,对于我国乃至全球各个国家草地生态系统的经营与管理、以及实现草地资源的可持续利用具有重要指导意义。

该成果以“Evaluating the responses of net primary productivity and carbon use efficiency of global grassland to climate variability along an aridity gradient” (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718341913?dgcid=author)为题在生态环境顶级杂志《Science of the Total Environment》发表,第一作者为2017级博士研究生刘洋洋,通讯作者为李建龙教授。

根据IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第五次报告,随着CO2等温室气体排放的增加,全球气温在1880-2012年间上升了0.85℃,且全球变暖将持续加剧。在全球变化的影响下,陆地生态系统不断经历新的变化。草地作为陆地生态系统的重要组成部分,覆盖了地球陆地面积的25%,是陆地重要的碳库,在平衡大气温室气体浓度过程中具有独特的地位和重要性。草地净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)和草地碳利用效率(Carbon use efficiency,CUE)是判定草地生态系统的碳源/汇功能及其可持续发展评价的重要因子,也是全球陆地碳循环的关键环节和重要组成部分。评估气候变化对草地NPP、CUE的影响不仅有助于揭示草地生态系统对气候变化的响应机理,且对于区域的气候变化的预测及陆地生态系统碳循环的后续研究具有重要的指示意义。

目前已有众多学者在区域或全球尺度下探索草地生态系统对气候变化的响应机制,然而以往研究更多的是将研究区视为一个整体,而没有考虑到气候变化对草地动态的影响会随着气候区的变化而改变;事实上,草地动态对气候变化的响应会随着研究区水热条件组合以及水分可利用性的变化而改变;因而在大区域尺度下定性的分析草地动态与气象因素的相关关系将会造成结果的不确定性。

为了准确探究全球尺度下不同干旱梯度(气候区)下草地净初级生产力(NPP)及其碳利用效率(CUE)的动态趋势,并科学揭示不同气候区草地NPP和CUE对气候变化的响应机制,该团队基于全球植被生产力数据、气温降水数据、潜在蒸散量数据以及草地覆被数据,将全球草地分布区细分为干旱(AR)、半干旱(SAR)、半湿润(DSH)和湿润(HU)四个干旱梯度(气候区)(图1),并通过趋势分析法准确反应该时间段不同干旱梯度草地NPP和CUE的时空演变动态,在此基础上精确评估不同气候区草地NPP和CUE对气候变化的响应机制。

图1. 全球草地分布气候区界定(A)及草地类型分布(B)。

本研究结果表明:除AR之外,其他气候区草地NPP和CUE均呈现轻度增加趋势。草地NPP和CUE在不同的气候区表现出明显的空间异质性。草地NPP的高值区主要分布在南半球的DSH和HU,原因在于该部分地区气候温暖湿润,草地光合能力较强且土壤有效水分较高,利于草地NPP的积累。草地CUE的高值区主要分布在北半球的HU。此外,草地NPP和CUE的低值区主要集中在全球的AR和SAR,原因在于该部分地区气温高,降水少,干旱对草地生长的胁迫增强,且草地植被的生物活性及呼吸作用强,造成草地CUE偏低,且不利于草地NPP的积累。对于不同气候区而言,草地NPP和CUE由大到小依次为:HU > DSH > SAR > AR。对于不同草地类型而言,高的NPP值对应高的CUE值,且NPP和CUE由小到大依次为:Savannas < Woody savannas < Closed shrublands < Non-woody grasslands < Open shrublands。总体而言,全球草地NPP、CUE与年平均降水(MAP)呈正相关,与年平均气温(MAT)呈负相关关系。然而,这种关系会随着区域水热条件的差异发生变化。具体看来,草地NPP与MAP在AR和SAR呈正相关关系,而在HU呈负相关。草地NPP与MAT之间的正相关关系仅存在于HU。在各个气候区内,草地CUE与MAP均呈正相关,而与MAT呈现负相关关系。此外,随着干旱梯度由AR至HU的变化,草地CUE与MAP的相关系数逐渐减小,表明降水与AR/SAR的CUE增加有重要关系,而这种关系在HU将变得不明显(图2)。

图2. 全球不同气候区草地NPP、CUE和气象因素的相关关系

该研究工作得到国家重大研发计划(No.2018YFD0800201)、国家自然科学基金面上项目(41501575)、国际APN重点项目(AR-CP2015-03CMY-Li)和澳大利亚政府基金项目(PSLP: No.64828)等项目的资助

(生命科学学院 科学技术处)