亚欧内陆荒漠生态系统对全球变化的响应特征与区域生态安全——中国科学院新疆生态地理研究所成果

2018-01-08

中国科学院新疆生态与地理研究所在国家973计划项目“亚欧内陆荒漠生态系统对全球变化的响应特征与区域生态安全（2014CB954200）”的支持下，以亚欧内陆干旱区荒漠生态系统为研究对象，采用区域气候数字模拟、遥感反演、植物计量化学和同位素示踪、基因芯片及高通量测序等研究手段，全面解析荒漠植被地理分布格局与演化规律，揭示荒漠生态系统对气候与环境变化的响应与适应机制。

一、新疆吐峪沟千佛洞5世纪古环境重建

新疆吐鲁番吐峪沟千佛洞始建于5世纪，历史上曾是丝绸之路沿线的一个重要佛寺石窟。通过对佛洞内的7个土坯样品进行孢粉和叶表皮分析，探讨了5世纪吐鲁番的植被和气候，并使用3D复原图重建了当时的景观（图1）。结果表明，5世纪的吐峪沟地区以温带草原植被为主，气候环境较今天更为温暖、湿润且更温和，利用共存分析法得出当时的年均温为15.3℃，年降水约1 000毫米，最冷月和最暖月之间的温度差为24℃。同时，基于发现的葡萄花粉和小麦表皮，认为5世纪的吐峪沟是一个社会繁荣、佛教兴盛的绿洲，而同时期的全球正在经历1.4ka BP冷期引起的社会动荡。和全球相比，吐峪沟的温度比全球高1℃，推测正是当地温暖的气候带来了丰富的融雪供水，滋养了吐峪沟绿洲的繁荣和佛教的发展。

二、开展荒漠生态系统群落结构、生物多样性和生产力对降水、温度和氮沉降的响应研究

（一）荒漠生态系统短命植物层片结构、生产力对降水和氮沉降的响应

对研究区内荒漠植物密度和盖度进行每周一次的动态调查，发现植物密度呈现先增加后降低的趋势，并在植物萌发28天后群落密度达到最大，而水氮处理对其无显著影响。此外，草本植物盖度呈不断上升的趋势，在植物萌发50天后达到最大值，水氮交互无显著差异。水分添加对层片高度、地上部生物量、地下部生物量和总生物量有显著提高的作用，氮素添加对其无影响，而水分和氮素添加存在交互作用。

（二）不同生活型一年生草本植物生长与生物量分配对氮沉降的响应

在氮素增加条件下，与长营养期植物相比，短命植物生长更快，根冠比响应更为敏感。发现短命植物对氮素的响应不符合最优生长理论，而是出现一种生长发育漂变现象（生物量分配与植物个体大小相关）。此外，所有植物的地上地下分配呈现等速生长关系，符合相关生长理论。该结果揭示了短命植物与一年生长营养期植物对氮素增加的不同响应规律。

（三）荒漠生物结皮对模拟氮沉降增加的敏感性响应

高氮处理苔藓盖度有逐年变小的趋势，而随着氮素的增加苔藓的种群密度增加，种群生物量降低，最终显著抑制苔藓的生长，造成了苔藓的死亡。然而，低氮沉降（<1gNm^-2 a^-1）对苔藓的生长具有一定正的效应，其生理响应也能够很好地与苔藓的形态和生长变化相对应，而高氮下其生理指标如叶绿素含量受到显著抑制（图2）。该结果可以解释为何荒漠绿洲交错带苔藓生物结皮发育较少，今后也应加强高氮沉降区域苔藓的保育工作。

三、环境变化条件下荒漠藓类的耐受性与脆弱性共存现象和机理

荒漠藓类齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）在干旱区广泛存在，能够在荒漠极端温度和极端水分条件下生存。同时，荒漠藓类又被认为是对环境响应比较敏感的种类，氮素等大气污染物的增加很容易造成藓类的生长受阻。研究团队从这一现象出发，开展荒漠藓类水分适应机制（夏季）、不同自然微环境适应机理（冬季）、环境氮素增加后适应力的研究。

（一）荒漠藓类适应干旱的水分收集和运输新模式

齿肋赤藓的假根系统（rhizoids）并不具有水分吸收的作用，而其叶片顶端的白色芒尖是其适应干旱环境的关键。在宏观尺度（厘米级）上，齿肋赤藓以聚集生长的方式覆盖在沙漠表面，密集的叶片芒尖能够有效地吸收雨滴打击的能量，从而最大程度地减少雨滴的飞溅和水分的损失，有利于水分的保持和吸收（图3）。该研究阐明了荒漠植物叶片特殊结构在植物体适应干旱环境中的重要作用，揭示了荒漠植物高效利用干燥空气水分维持生命的机制，提出了荒漠植物“由上至下”吸收水分的新模式。

（二）荒漠藓类对环境氮素增加的高敏感性响应使其成为适应环境变化“弱者”

从适应性方面对荒漠藓类在夏季和冬季的极端环境中生存及其机制进行了研究，同时也提出了荒漠藓类在面对氮沉降增加等全球变化中的脆弱性。在一定层面上证实荒漠藓类是集“强者”和“弱者”于一身的特殊植物类群，具有重要的生态作用。

四、以高分辨率揭示天山降水分布特征和亚欧内陆未来气候变化格局

（一）揭示了天山降水随着海拔变化呈现三峰分布的现象以及1998年以来天山降水变化的时空分异特征

此前由于缺乏山区观测数据，天山地区的降水分布格局并不清楚。基于5千米天山降水数据，发现天山降水随着海拔变化呈现三峰（800米、3 000米和5 200米以上）分布的特征。此外还发现，自1998年以来天山地区降水总体下降，但是在非生长季的降水是增加的。进一步揭示了天山降水动态的精细格局：中、西天山降水减少，东、南天山和伊利河谷降水增长。

（二）揭示了近35年亚欧内陆干旱区NPP变化的热点地区、时期及其气候驱动机制

采用AEM模拟了1980—2014年间亚欧内陆干旱区生态系统NPP对气候变化的响应动态。发现区域总NPP在1998—2000年下降，此后反弹，并表现出以下特征：北疆变湿，NPP增长；南疆变干，NPP减少；北哈萨克斯坦极端干旱和变暖，NPP减少。沙漠生态系统的NPP变异系数（CV）最大，说明其对气候变化最为敏感。植被生产力退化的热点地区是北哈萨克斯坦的Turgay高原和南疆地区。前者受到了强烈的干旱，后者面临着强烈增温和降水减少所带来的水分亏缺的压力。在时间上1988—2008年的长期干旱导致中亚5国损失了14%的植被生物量。分析表明拉尼娜（La Nina）现象同中亚干旱事件具有密切的遥相关联系。未来时期La Nina增强、增多的趋势可能对中亚５国的生态系统带来更多胁迫。

专家简介

刘学军，博士，中国科学院新疆生态与地理研究所研究员。先后主持国家全球变化973计划项目1项、国家自然科学基金项目5项、中德国际合作项目2项、联合国IFAD中德蒙国际合作项目1项，同时参加国家自然科学基金重大项目2项、基金创新群体项目1项、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目1项、北京市重大基金项目1项以及国家教育系统重大项目和博士点基金、国家农业系统重大引进项目和重大行业计划等多项科研课题，在农田氮素循环与大气氮沉降及其生态效应方面形成了自己的研究特色。2006年入选新世纪优秀人才支持计划，2008年入选中国科学院百人计划，2012年分别获中国科学院优秀导师奖和新疆自治区优秀导师奖，2013年获中国科学院优秀研究生教师奖。