随着气候变化加剧，降水季节变化已成为全球范围内普遍存在的现象。陆地植物的生长具有内在的时间动态性，而这种动态与降水的季节波动密切相关。因此，降水季节分布的变化对生态系统的结构和功能可能产生深远的影响。尽管许多研究已探讨降水总量变化对生态系统的影响，但关于季节性降水分布变化如何调节植物生长和碳循环的研究仍然较为匮乏。多数现有研究集中于单一季节的降水量变化，未充分考虑降水季节性变化本身的作用。干旱和半干旱生态系统尤其对降水变化敏感，它们的响应可能成为陆地碳汇年际波动的重要驱动因素。草原生态系统广泛分布于这些地区，储存了约30%的陆地碳，并在全球碳循环中扮演重要角色。草原植被生长主要受水分可用性的控制，而不同生长阶段对水分的需求不同，因此，降水季节分布的变化可能通过影响土壤水分的时空分布，进而改变植物的生长动态和生态系统生产力。
河北大学万师强团队依托内蒙古多伦县半干旱草原于2013年建立的长期降水季节变化实验平台，探讨了降水季节分布变化对温带半干旱草原生产力和碳汇的影响。研究发现，推迟的降水峰值抑制了植物生长，导致中生长季的水分胁迫加剧，从而降低了生态系统的总生态系统生产力、生态系统呼吸和净生态系统生产力。然而，早生长季降水增加可以促进植物发育，增强耐旱的非禾本科杂类草的优势度，从而抵消中生长季水分胁迫对碳循环的不利影响，最终使草原碳汇保持不变。这一研究结果表明，春季降水增加和植物发育的提前可能是维持植物生长和稳定草原碳汇的关键机制。这进一步强调了将降水季节性变化纳入地球系统模型的必要性，以提高在未来气候变化情景下对陆地碳循环和碳固存的预测精度。
上述结果发表在New Phytologist杂志上。河北大学生命科学学院茹靖益副研究员为论文第一作者，万师强教授为通讯作者，华东师范大学夏建阳教授，中科院地理所牛书丽研究员，田纳西州立大学惠大丰教授，河北大学宋健研究员、冯佳胤研究员、孙大生副教授、王海岛博士和邱雪丽实验师为论文共同作者。该项研究得到国家自然科学基金(31830012)、河北省自然科学基金(C2022201042)和白洋淀流域生态保护与京津冀可持续发展协同创新中心等项目的资助。
论文信息： Ru JY, Wan SQ*, Xia JY, Niu SL, Hui DF, Song J, Feng JY, Sun DS, Wang HD & Qiu XL. (2024). Advanced precipitation peak offsets middle growing-season drought in impacting grassland C sink. New Phytologist, Article DOI: 10.1111/nph.20144. (中科院一区，IF = 8.3)
图1. 1900年至2023年间，全球陆地生态系统中包含降水量变化(a)和降水时间变化(b)的降水控制实验数量。本研究区域内1961-2019年间生长季(5月至10月)降水季节分布的长期变化趋势(c)。
图2. 提前和推迟生长季降水峰值对生长季早期、中期和晚期的土壤水分(a, b)、归一化差异植被指数(c)、非禾本科植物的优势度(d)以及禾本科植物的优势度(e)的影响。
图3. 提前和推迟生长季降水峰值对总生态系统生产力(a, d)、生态系统呼吸(b, e)和净生态系统生产力(c, f)的影响。
图4. 总生态系统生产力(a, d)、生态系统呼吸(b, e)和净生态系统生产力(c, f)与土壤水分和植被归一化指数的关系。
图5. 总生态系统生产力(a, b)、生态系统呼吸(c, d)和净生态系统生产力(e, f)与禾本科和非禾本科杂类草优势度的关系。
图6. 生长季早期、中期和晚期降水对总生态系统生产力(a, d)、生态系统呼吸(b, e)和净生态系统生产力(c, f)的相对贡献的多远逐步回归和随机森林分析结果。
