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全球气候变暖将威胁青藏高原高寒草地的稳定性

2019-07-31 17:05

“温度增加降低了高寒草地群落稳定性,而降水格局的改变对群落稳定性无显著影响。同时,尽管温度增加和降水减少都会显著降低植物物种多样性,但是群落稳定性的降低与物种多样性并无显著关系。”

植物群落生产力的稳定性,是生态系统的基本特征,与人类社会的生产、生活息息相关。已有的研究表明,群落稳定性主要与物种多样性、优势物种以及群落组成物种生长的不同步性等因素有关。然而,气候变化对植物群落稳定性的影响及其机制尚不清楚,原因之一是稳定性的研究需要长时间的定位观测。

在世界科技水平不断提升的同时,全球变暖问题也逐渐凸显,在冰川消融、生物链被破坏,相关科研人士提出,全球气候变暖将会进一步威胁高寒草地的稳定性,破坏物种多样性。

近50年来,青藏高原经历着两倍于全球平均的升温过程,同时降水格局也发生了显著的变化。剧烈的气候变化将如何影响高寒草地生态系统的结构和功能?其内在机制是什么?这些问题直接关系着高原5000万只藏系绵羊、1400万头牦牛以及大量野生有蹄类动物的生存与生长,与700万当地牧民的生产与生活紧密联系,一直为国内外研究者们所关注。为解答这些科学问题,科研人员需要克服高原恶劣的气候条件,进行严格的野外气候变化控制实验,因此工作难度极大。

这是中国科学院西北高原生物研究所贺金生课题组所揭示气候变暖对青藏高原草地稳定性的影响,该项研究成果发布在最新一期《自然·通讯》上。

青藏高原是全球最大、最高的高原,被誉为地球的“第三极”,对气候变化非常敏感。高原的西藏牧区和青海牧区,占我国四大牧区面积的40%以上。在这片广袤的土地上生活着超过5000万只藏系绵羊、1400万头牦牛以及大量的野生有蹄类动物。这些牲畜不仅为当地牧民提供了食物和燃料,同时在民族文化传承中起着重要作用。因此,稳定的植物群落生产力对于青藏高原畜牧业的可持续发展有着重要意义。过去50年来,青藏高原气候变暖的速率是全球平均水平的2倍以上,并且伴随着降水格局的改变,这种剧烈的气候变化如何影响青藏高原这一敏感的高寒生态系统,一直是国内外生态学研究的重要问题。

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北京大学城市与环境学院贺金生教授课题组与中国科学院西北高原生物研究所等单位合作,于2011年在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(简称“海北站”),建立了大型的“增温-降水改变”控制实验。通过野外实验,结合海北站连续32年的地面监测,以及青藏高原9个站点实验研究的整合分析,探讨了气候变化对高寒草地植物群落结构和生产力的影响。论文“Shifting plant species composition in response to climate change stabilizes grassland primary production” 于2018年4月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。

青藏高原被誉为地球的“第三极”,对气候变化非常敏感。其中西藏牧区和青海牧区,占中国四大牧区面积的40%以上,此间养殖着超过5000万只藏系绵羊、1400万头牦牛以及大量的野生有蹄类动物。这些牲畜不仅为当地牧民提供了食物和燃料,同时在民族文化传承中起着重要作用。

中国科学院西北高原生物研究所贺金生课题组与北京大学、美国佐治亚理工学院的研究者合作,在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站建立了大型增温-降水控制实验,通过连续5年的群落调查和生产力测定,研究了高寒草地植物群落生产力对增温和降水改变的响应。研究成果于5月10日以Climate warming reduces the temporal stability of plant community biomass production 为题发表在《自然-通讯》 (bv1946伟德入口,Nature Communications)上(doi: 10.1038/ncomms15378)。

中国科研人员最新一项研究全面揭示了气候变暖对高寒生态系统生产力稳定性的影响机制,显示青藏高原经历的快速气候变暖将威胁到高寒草地的稳定性。

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据了解,这项研究由中国科学院西北高原生物研究所贺金生课题组与北京大学、美国佐治亚理工学院的研究者合作,在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站建立了大型增温-降水控制实验,通过连续5年的群落调查和生产力测定,研究了高寒草地植物群落生产力对增温和降水改变的响应。

研究结果表明,温度增加降低了高寒草地群落稳定性,而降水格局的改变对群落稳定性无显著影响。温度对稳定性的影响,主要体现在降低了组成物种生长的不同步性。研究还发现,尽管温度增加和降水减少都会显著降低植物物种多样性,但是群落稳定性的降低与物种多样性并无显著关系。该研究的意义在于,通过长期的实验数据,揭示了气候变暖对高寒生态系统生产力稳定性的影响机制。这意味着青藏高原经历的快速气候变暖,可能威胁到了高寒草地的稳定性。因此,在未来气候变暖情境下,草地向人类社会提供稳定的、可持续的生态系统服务将面临严峻挑战。虽然该研究是在青藏高原进行的,对世界上其他地区类似的高寒生态系统,也应该有同样的借鉴意义。

北京大学城市与环境学院教授、中科院西北研究院西北高原生物研究所研究员贺金生介绍,青藏高原是全球最大、最高的高原,被称为地球的“第三极”,对气候变化非常敏感。高原的西藏牧区和青海牧区,占我国四大牧区面积的40%以上。稳定的植物群落生产力对于青藏高原畜牧业的可持续发展有着重要意义。

青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站的长期监测样地以及大型“增温-降水”实验平台

研究结果表明,稳定的植物群落生产力对于青藏高原畜牧业的可持续发展有着重要意义。

贺金生课题组长期从事高寒生态系统对全球变化的响应与适应、高寒湿地温室气体排放及其对全球变化的反馈以及高寒草地碳氮循环等方面的研究。课题组近两年对高寒生态系统的研究成果还发表在Nature Communications (2015, 6:8159), Global Change Biology (2017, 23:815-829) 以及 Global Biogeochemical Cycles (2014, 28:1081-1095) 等期刊上。

已有的研究表明,群落稳定性主要与物种多样性、优势物种、以及群落组成物种生长的同步性等因素有关,但气候变化对植物群落稳定性的影响及其机制尚不清楚,原因之一是稳定性的研究需要长时间的定位观测。

研究发现,尽管过去32年以来海北站气候呈现暖干化的趋势,但草地生产力无显著趋势性变化。但是,32年间草地物种组成却发生了明显改变,即深根系的禾草增加、浅根系的莎草减少。这种功能群组成的变化增强了植物群落对深层土壤水分的获取能力,有利于气候变化下生态系统初级生产力的稳定。气候变化控制实验进一步证明,增温和干旱处理有利于光合产物向地下分配,但对总初级生产力无显著影响。整合分析证实了气候变暖条件下物种组成这种改变在整个高原普遍存在。这些结果表明,高寒草地植物多样性在气候变化下生产力维持过程中起着关键作用。更重要的是,课题组发现高寒草地生态系统并没有从气候变暖过程中受益,这和以前的认识完全不同。

“以往普遍认为群落稳定性主要与物种多样性、优势物种、群落组成物种生长的同步性等因素有关,但气候变化对植物群落稳定性的影响及其机制尚不清楚,原因之一是稳定性的研究需要长时间的定位观测。”贺金生说。

该研究得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金(重点基金、面上基金和创新群体)和美国自然科学基金等项目的资助。

对此,贺金生研究团队与美国佐治亚理工学院教授蒋林合作,在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站建立了大型增温-降水控制实验平台,开展研究工作。通过连续5年的群落调查和生产力测定,他们系统研究了高寒草地植物群落生产力对增温和降水改变的响应。

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贺金生表示,这项研究的意义在于,通过长期的实验数据,揭示了气候变暖对高寒生态系统生产力稳定性的影响机制。这意味着青藏高原经历的快速气候变暖,可能威胁到了高寒草地的稳定性。

论文链接

研究结果表明,温度增加降低了高寒草地群落稳定性,而降水格局的改变对群落稳定性无显著影响。同时,研究发现,尽管温度增加和降水减少都会显著降低植物物种多样性,但是群落稳定性的降低与物种多样性并无显著关系。

高寒草地生态系统过程对气候变暖的响应及其对气候变化的潜在反馈。红色箭头( )、蓝色箭头(-) 和红色箭头(?) 分别表示增加、减少和不确定

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“这项研究的意义在于,通过长期的实验数据,揭示了气候变暖对高寒生态系统生产力稳定性的影响机制。这意味着青藏高原经历的快速气候变暖,可能威胁到了高寒草地的稳定性。”贺金生说,因此,在未来气候变暖情境下,干旱年份产草量更低,湿润年份产草量更高,草地向人类社会提供稳定的、可持续的生态系统服务将面临严峻挑战。虽然该研究在青藏高原进行,但对世界上其他地区类似的高寒生态系统,也应该有同样的借鉴意义。

城环学院博士生刘慧颖为论文第一作者,贺金生为论文通讯作者。该研究得到了科技部“全球变化研究国家重大科学研究计划”,中国科学院先导专项,国家自然科学基金重点、面上等项目的资助。

青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站建立的大型增温-控水实验平台

据介绍,该研究得到了科技部973项目、国家自然科学基金和美国自然科学基金等项目的资助,研究成果于近日发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。

贺金生课题组长期从事高寒生态系统对全球变化的响应与适应、高寒湿地温室气体排放及其对全球变化的反馈,以及高寒草地碳氮循环等方面的研究。课题组近5年对高寒生态系统的研究成果还发表在Nature Communications (2015, 6: 8159; 2017, 8: 15378)、Global Change Biology (2017, 23: 815-829)等期刊上。

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责编:山石

气候变化、影响群落稳定性的生物学机制与群落稳定性之间的直接和间接关系

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