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为探究霜对生态系统碳通量的影响，西南大学等研究人员在温带草原模拟霜事件。结果表明，霜在测量期对碳通量影响有限，但生长季内春秋霜对净生态系统生产力（NEP）影响相反且可相互抵消。这为预测碳平衡和应对气候变化提供依据。
在全球气候变暖的大背景下，气温的变化就像一把双刃剑。一方面，气候变暖使得温带和寒温带地区植物的生长季延长，植物能够有更多的时间进行光合作用，从而吸收更多的二氧化碳，起到碳汇的作用，对缓解气候变化有着积极意义。但另一方面，霜的出现频率却也在悄然增加。霜就像隐藏在暗处的 “杀手”，随时可能对植物造成伤害。当霜发生时，植物的生理活动会受到干扰，严重时甚至会导致植物死亡。这不仅会影响植物自身的生长和繁殖，还可能打破生态系统原本的平衡。
目前，关于霜的研究存在诸多不足。大多数研究都集中在植物个体层面，比如关注植物的适应性、物候期变化以及抗寒能力等，而对于生态系统尺度上霜对碳通量的影响，相关研究却少之又少。在碳循环这个大环节中，霜究竟扮演着怎样的角色，目前还存在很多未知。而且，以往的研究多侧重于春季霜，对秋季霜的关注远远不够。草原生态系统作为温带地区仅次于森林的第二大生态系统，在碳固存方面有着重要作用。然而，针对草原中霜及其对碳循环影响的研究却非常匮乏。这一系列的知识空白，就像一片片迷雾，笼罩在生态学家们的心头，亟待驱散。
为了揭开这些谜团，西南大学、河北大学以及美国田纳西州立大学的研究人员联合开展了一项研究。他们将目光聚焦在内蒙古高原的温带草原上，这里的生态系统独特，对全球气候变化有着重要的指示作用。研究人员在这片草原上开展了模拟霜事件的实验，试图还原真实的霜对生态系统的影响。
经过多年的研究，他们发现，春季霜和秋季霜对生态系统碳通量有着不同的影响。而且，令人惊讶的是，这两种霜的综合作用在一定程度上会相互抵消，对生态系统碳通量的总体影响并没有想象中那么大。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解气候变化背景下生态系统的碳平衡提供了新的视角，也为制定有效的气候变化缓解策略提供了重要依据。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展这项研究。首先是模拟霜实验，他们根据当地优势物种的长期物候观测，确定在春季多数植物展叶后和秋季植物开始衰老时进行霜处理。利用制冷系统，将实时环境气温降低 8°C 并维持 7 天 7 夜，模拟霜的发生。其次，通过红外线气体分析仪（LI - 6400XT）配备透明室，测量生态系统碳通量，包括净生态系统生产力（NEP，NEE 的倒数，NEE 为净生态系统 CO2交换）、生态系统呼吸（ER）和总生态系统生产力（GEP，GEP = NEP + ER） 。最后，运用线性混合效应模型和分段结构方程模型（SEM）对数据进行统计分析，探究霜对碳通量的影响以及背后的植被机制。
霜模拟实验结果
自 2017 年秋季实验建立以来，研究人员共进行了 13 次霜模拟，其中春季 6 次，秋季 7 次。在模拟霜的 7 天时间里，处理区的实时气温显著低于周围环境，平均每天有 8.38 小时处于霜期（春季 7.17 小时，秋季 9.70 小时，而对照区仅 2.37 小时），平均霜温为 - 4.99°C（春季 - 5.54°C，秋季 - 4.45°C，对照区 - 2.09°C） 。低温使得 20 cm 土壤深度的土壤温度平均下降 2.46°C（春季 2.32°C，秋季 2.60°C），且夜间下降幅度更大。不过在非霜期，霜对 10 cm 深度土壤温度和土壤体积含水量（VWC）没有影响。而且实验前，各处理区和对照区在背景植被、土壤性质和生态系统碳通量方面均无显著差异。
霜测量期碳通量响应
霜测量期指 7 天霜处理期加上处理前后各 7 天。在这期间，春季霜和秋季霜对总生态系统生产力（GEP）和生态系统呼吸（ER）在任何 7 天间隔内都没有显著影响。但对净生态系统生产力（NEP）的影响却因季节而异。春季霜在 2017 - 2023 年的 7 天霜期内，并没有显著改变 NEP，这是因为只有在 2019 年 NEP 显著下降，其他年份对照组和春季处理组之间的趋势并不一致。而秋季霜则显著降低了 NEP，在 2018 年有明显下降，其他年份也呈下降趋势，并且这种 NEP 的降低还延续到了次年生长季的早期。
非处理期碳通量响应
考虑到年度碳预算，霜测量期由于时间较短，其对碳通量的贡献可忽略不计。研究人员将重点放在了非处理期，即排除春秋霜测量期的生长季。结果发现，霜对 NEP 有影响（春季霜：F1,20=7.58，P = 0.012；秋季霜：F1,20=4.10，P = 0.057），但对 ER 和 GEP 没有影响 。这表明霜对 NEP 的影响可能存在滞后或延续到非处理期的情况。进一步分析发现，从多年来看，春季霜显著增加 NEP，秋季霜则略微降低 NEP。在年度尺度上，春季霜大多对 NEP 有积极影响，秋季霜多为消极影响，尽管并非每年都有统计学意义。通过对处理水平间 NEP 的成对比较发现，S 区和 A 区之间 NEP 存在显著正差异，说明春秋霜对 NEP 的对比效应主要由 S 区和 A 区的响应驱动。
春秋霜的加性效应
研究人员还发现，当春季霜和秋季霜处理结合时，它们的影响可能相互抵消。线性混合效应模型显示，春秋霜对 NEP 的交互作用不显著（S × A：F1,20=0.31，P = 0.584） ，这意味着它们具有加性效应，即各自独立作用，综合影响等于各自影响之和。通过计算 SA 区的观测 NEP 并与理论 NEP 值比较，发现 2021 - 2023 年的数据点与 1:1 线相符，证实了春秋霜在数值上对 NEP 有加性效应。而对于 GEP 和 ER，春秋霜在非处理期没有显著影响，且实际综合效应在数值上与各自效应之和存在偏差。
霜影响差异的机制
为了解春秋霜影响 NEP 的植被机制，研究人员运用分段结构方程模型（SEM）。在实验早期（2018 - 2020 年），没有植物群落指标与霜诱导的 NEP 变化相关，但实地观察发现春季霜后优势禾本科植物分蘖增多，如果这些新分蘖叶绿素含量升高或芽生长速率加快，可能导致 NEP 升高。在实验后期（2021 - 2023 年），物种丰富度在塑造霜对 NEP 的对比影响中起关键作用。春季霜增加物种丰富度，进而刺激 NEP；秋季霜则降低物种丰富度和草本覆盖度，对 NEP 产生负向间接影响。春秋霜通过直接和间接途径解释了 NEP 53% 的变异性。此外，霜发生时间也是影响 NEP 的一个因素，春季霜让植物有更多时间适应，而秋季霜临近植物休眠期，可能加剧负面影响。
总的来说，这项研究有力地证明了春秋霜对温带草原生态系统碳通量的影响。研究突出了霜事件长期且季节性不同的影响，发现随着气候变化导致生长季延长，同时出现的春秋霜对生态系统碳预算的影响可能相互抵消。这一成果为预测气候变暖下霜诱导碳排放的潜在风险提供了有价值的见解。不过，尽管春季霜有增强碳固存的作用，但也不能忽视其对植物繁殖、食物链、生物多样性和生态系统功能的负面影响。而且实验模拟的霜强度低于一些极端自然霜事件，未来需要更多研究来探讨霜对群落组成、结构和更广泛生态系统功能的影响，这对于完善碳循环模型和制定有效的气候适应策略至关重要。
