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华东师大揭示植被结构调控生态系统碳循环响应极端气候变化的新机理

2022年01月30日 学术卓越 生态+

  1月28日上线的《科学进展》(Science Advances)期刊发表了华东师大题为“Experimental warming reduces ecosystem resistance and resilience to severe flooding in a wetland”的最新研究成果。该研究基于野外控制实验与自然极端气候事件,报道了气候变暖与极端降雨事件对湿地生态系统的叠加效应,揭示了植被结构对生态系统碳循环响应极端气候变化的调控机理。通过融合全球变化野外控制实验与自然极端气候/天气事件,该研究对生态系统尺度的长期野外实验与理论建模具有重要的借鉴意义。

华东师大揭示植被结构调控生态系统碳循环响应极端气候变化的新机理


生态系统对极端气候的响应与适应


  生态学研究领域有一个既古老又现代的科学问题:生态系统如何响应与适应极端气候?早在十九世纪末,植物地理学家A. F. W. Shimper (1856-1901)在其著作《Plant Geography upon a Physiological Basis》的前言中,强调了研究植物响应与适应极端气候条件对发展生态学具有重要意义。近年来,伴随着气候系统的急剧变化,极端性天气与气候事件的发生频率与强度皆呈现上升趋势。由于生态系统与气候系统存在紧密的反馈关系,因此生态系统如何响应与适应极端气候逐渐成为生态学与地球系统科学的新兴难题之一。

  极端气候事件在不同学科中的定义存在差别。对生态系统而言,极端气候事件既包含气候系统的极端性事件本身(例如热浪、寒潮、干旱与洪涝等),也蕴含生态系统的极端性响应(如图1)。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的最新报告指出,自上世纪50年代以来,极端高温与降水事件的发生频率在全球大部分地区持续增强。然而,值得注意的是,IPCC用于预测未来气候变化的地球系统模型大多缺乏生态系统对极端气候的响应与适应机理。因此,围绕自然生态系统的结构和功能,开展气候变化尤其是极端气候事件的影响研究,有助于提高人类对生物圈未来变化的理解与预测能力。

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图1. 生态系统响应极端气候事件的概念图(上图来源Niu et al., 2014;下图来源网络)


融合长期野外控制实验与自然极端气候事件的研究思路


  全球变化野外控制实验是研究生态系统响应与实验气候变化的重要研究手段之一。在过去几十年中,全球范围内已有超过200个野外控制实验,探索了各类生态系统对气候变暖的响应(图2A)。由于气候系统的高度复杂性,极端天气与气候事件难以通过实验手段进行准确模拟。大多数全球变化野外控制实验研究的对象是气候平均态变化(如平均气温升高),因此难以揭示极端气候下的生态学响应,进而难以为基于过程的生态系统模型提供新机理或理论。近年来,随着极端性天气与气候事件的高频率发生,生态学领域涌现出一种新的研究思路,即融合长期控制的野外实验与自然发生的极端气候事件,旨在通过探索生态系统在不同气候平均态下对极端事件的响应与适应,揭示新的生态学机理。

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图2. 全球增温实验的分布(A);本研究的增温效果示意图(B,C,D)。

红点代表湿地的增温实验,灰点代表其他生态系统的增温实验。

  该研究基于一个为期六年的野外增温实验,结合实验期间遭遇的百年一遇强降雨事件,探索了植被结构对湿地生态系统响应极端气候变化的调控机理。实验中采用的增温装置以及增温效果如图2B-D所示。



植被结构调控生态系统功能对极端气候变化的响应


  该研究量化了生态系统生产力对极端降雨事件的抵抗力和恢复力。通过6年的观测数据,研究发现湿地生态系统的植物群落结构在增温条件下发生了快速转变。平均温度升高导致土壤盐分增加,使植物群落组成中的耐盐物种优势度上升。然而,这种植物群落组成的迅速变化降低了生态系统的植物群落冠层高度。因此,在极端降雨事件与淹水事件发生时,增温处理下的植物群落出现大量个体死亡(图3),并导致然植被生产力对该极端气候事件的抵抗力与恢复力的降低。

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图3. 上图为实验期间的极端降雨与淹水事件,下图为对照和增温处理下两种优势植物的生长动态

  进一步的研究发现,增温处理显著降低了极端降雨事件发生后的植被生产力,减弱了该生态系统碳循环多个过程的碳通量,并促使碳循环在整体上呈现出降速现象(图4)。这些结果表明,气候变暖与极端降雨对植被结构存在非线性的叠加效应,并对生态系统功能产生深远的影响。

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图4. 极端降雨年后实验增温对生态系统碳循环关键过程的影响


生态系统响应气候变化的不确定性


  值得注意的是,当前的气候变化定量研究广泛依赖于大尺度数值模拟(例如地球系统模型)。这些日趋复杂化的数值模型对生态系统的刻画尚存在许多不足,因此仍需吸收生态学领域近年来不断揭示的新机理与理论。该研究通过野外控制实验的方式展示了生态系统的结构与功能在气候变化下的高度不确定性。此类实验研究中获得的观测数据与调控机理,对数值模型改进其相应生态学假设具有重要的基准价值。该研究也体现了长期野外控制实验的重要性,其融合自然极端气候事件的研究思路,为其他生态系统类型和气候系统提供了参考案例。

论文第一作者博士研究生孙宝玉进行野外观测

  华东师大生态与环境科学学院博士研究生孙宝玉为第一作者,其指导教师夏建阳教授为论文的通讯作者,合作团队为中国科学院烟台海岸带研究韩广轩研究员课题组。该研究工作得到国家自然基金委与科技部重点研发专项的共同资助。

  论文链接:Experimental warming reduces ecosystem resistance and resilience to severe flooding in a wetland



图文、来源|生态与环境科学学院 科技处 编辑|吴诚薇 编审|郭文君