兰州大学沙漠研究团队CO2通量研究取得新进展

　　碳循环是陆地生态系统对全球变化响应的综合表现，解析区域CO2吸收和释放的途径与动态已成为前沿科学问题。巴丹吉林沙漠生态系统极其脆弱，对气候变化的响应十分敏感。在中国西北气候暖湿化背景下，探索降水事件对沙漠生态系统碳交换的影响对于准确认识碳循环机理具有重要意义。
　　兰州大学冰川与沙漠研究中心在巴丹吉林沙漠腹地苏木巴润吉林建立了野外科学观测实验站（图1），利用该站涡度相关系统对2016、2018、2019年沙漠生态系统净CO2交换（NEE）进行连续观测，发现巴丹吉林沙漠生态系统在观测期间是一个净CO2汇，年NEE在-113.4~-175.4 gCm-2a-1之间。降水模式对沙漠生态系统NEE的变化具有显著的影响。降水强度越大，沙漠生态系统的固碳能力就越强。在全球变化背景下，中国西北降水总量和极端降水事件的频率预计会增加，这意味着巴丹吉林沙漠的固碳能力将得到增强。
　　图1 （a）研究区概况示意图 （b）涡动观测站安装地点 （c）研究区域位置
　　巴丹吉林沙漠生态系统在2016、2018、2019年的NEE分别为-113.4、-130.7、-175.4gCm-2a-1，固碳作用明显。2019年沙漠生态系统的固碳能力远大于其它两年。这可能是由于2019年的降水量分别为2016、2018年的2倍和1.6倍，且2019年的降水频率比另外两年均多10次所致。降水增多导致一年生或短命植物增多，这些浅根植物吸收了足够的土壤水分进行碳同化，最终增加了群落的生产力。此外，降水强度和时间对沙漠生态系统NEE的变化也有显著影响。
　　图2 不同强度降水事件前后生态系统净CO2交换（NEE）的时间变化（红色阴影区域表示降水事件发生的当天）
　　图2展示了4种典型独立降水事件前后NEE的时间变化特征。结果表明，降水事件发生前，NEE表现出显著的昼夜变化规律，CO2吸收主要发生在白天，而夜间为弱CO2的源；14.8mm降水事件发生的当天，NEE日变化幅度较小，且白天有明显的CO2释放现象；降水事件发生后，NEE在日变化模式和变化幅度上均有明显的变化。
　　为进一步研究降水事件对沙漠生态系统CO2通量日变化的影响，沙漠研究团队使用一个双指数函数（式1）模拟了降水事件后NEE的变化，并对4种不同强度降水事件后NEE的实测值和模拟值进行了对比分析（图3）。
　　图3 不同强度降水事件后的日生态系统净CO2交换（NEE）实测值和模拟值
　　降水事件可以显著的改变沙漠生态系统中NEE的变化特征和幅度（图3）。1.4和3.8mm降水事件发生后NEE均先上升到极值后再以指数的形式逐渐下降。相反，8.4和14.8mm降水事件发生后，NEE均先下降到极值后再以指数的形式逐渐恢复到平稳状态。NEE对降水事件的不同响应可归因于植物和土壤微生物的不同代谢响应。小的降水事件（  5mm）只能湿润表层土壤，使土壤微生物的呼吸作用和矿化速率迅速增加，从而导致生态系统碳损失。而大降水事件发生后，雨水会渗入到土壤深处到达植物根部，刺激植物吸收水分，从而提高光合作用。根据模拟值和实测值对比分析发现，NEE对降水的响应至少需要~1.4mm的降水量，表明巴丹吉林沙漠生态系统对降水事件具有高敏感性。
　　同时，沙漠研究团队分析了不同强度降水事件与NEEmax、Tmax、Tl的关系（图4）。结果表明，NEEmax与降水强度呈显著的负相关关系（R2=0.59, p<0.01），而Tmax和Tl与降水强度则呈极其显著的正相关关系（p<0.001）。
　　图4 典型独立降水事件后NEEmax、Tmax和Tl与降水强度的关系
　　（NEEmax表示某一降水事件后NEE的极值；Tmax表示NEE达到NEEmax的时间；Tl表示遗留效应的持续时间）
　　本研究揭示了降水事件对巴丹吉林沙漠生态系统碳源汇功能的影响，且为预测未来气候变化下降水事件对沙漠碳收支的影响提供一定的数据支撑，有助于解释全球碳循环中部分缺失的碳汇，但深入了解沙漠碳循环对降水的响应还需要进一步研究。该项成果是在巴丹吉林沙漠湖泊碳循环研究（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.107731）基础上取得的新进展，以＂Response of net ecosystem CO2exchange to precipitation events in the Badain Jaran Desert＂为题发表于Environmental Science and Pollution Research上。兰州大学地球系统科学专业博士研究生杨萍为论文第一作者，冰川与沙漠研究中心主任王乃昂教授为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金面上项目（41871021）和国家自然科学基金重点项目（41530745）的资助。
　　文章链接：https://doi.org/10.1007/s11356-021-18229-0laiyuan
　　来源：兰州大学资源与环境学院
　　编辑：王瑛