实验性干旱持续低估美国中部四种草原对自然干旱的生产力响应机制研究

这篇研究通过对比美国中部四种草原对自然干旱（2012年）与4年模拟干旱（2014-2017）的响应，揭示了实验性干旱因未考虑高温和蒸汽压亏缺（VPD）协同作用，显著低估了自然干旱对地上净初级生产力（ANPP）的影响（降幅达10-50%）。研究强调，传统降水控制实验需整合大气干旱因子，以更准确预测气候变化下草原生态系统的碳循环与服务功能。

　　

研究背景

气候变化导致全球干旱频率和强度增加，草原作为水文敏感生态系统，其生产力响应机制亟待厘清。传统研究通过自然干旱观测和降水控制实验评估干旱影响，但两者结论存在差异。本研究利用美国中部四种草原（年均降水梯度335-857 mm）的十年数据，首次直接对比自然干旱（1年，降水减少40%）与实验性干旱（4年，降水减少50%）对ANPP的影响差异。

研究方法

研究选取四种草原：C₄短草草原（SGS）、C₃/C₄混合草原（HPG）、C₄混合草原（HYS）和C₄高草草原（KNZ）。通过标准化降水 shelters 实施实验性干旱，监测ANPP变化，并结合2012年自然干旱期间的高温与VPD数据。统计方法采用混合效应模型分析ANPP敏感性（g m^-2 mm^-1）。

核心发现

1. 自然干旱影响更强：尽管实验性干旱持续时间更长、降水削减更剧烈，但自然干旱导致ANPP降幅更大（HPG 44% vs KNZ 69%），主因是协同升高的温度（+2°C）与VPD（+0.49 kPa）加剧了水分胁迫。
2. 敏感性差异：C₃草原（HPG）对干旱敏感性最低，而C₄草原（如SGS）响应更显著。实验性干旱的敏感性估值（0.1-0.4 g m^-2 mm^-1）低于自然干旱（最高达0.75），印证了传统实验的局限性。
3. 恢复动态复杂：自然干旱后SGS出现生产力超恢复（+15%），而实验性干旱后KNZ和HYS呈现负遗留效应。恢复模式与干旱类型、季节降水分配密切相关。

机制探讨

降水控制实验仅改变土壤水分，而自然干旱伴随的“高温-干旱”复合胁迫（hot drought）通过双重途径抑制光合作用：

• 生理层面：高VPD直接导致气孔关闭，降低C₄植物的水分利用效率（WUE）。
• 群落层面：干旱时长差异引发功能群组成变化，如HYS的C₄禾草生物量显著减少，而SGS的杂草比例增加。

研究启示

1. 实验设计革新：未来干旱模拟需整合主动增温与VPD调控装置（如封闭式气室），以更真实反映气候变化情景。
2. 模型参数优化：生态系统模型应纳入VPD对ANPP的非线性影响，尤其在MAP<1000 mm的草原区。
3. 管理策略：C₄草原对大气干旱的高敏感性提示，需优先保护这类碳汇关键区域。

遗留问题

研究未完全解析不同季节干旱（如春季vs夏季）对功能群影响的差异，且长期（>4年）实验干旱的累积效应仍需验证。此外，土壤微生物反馈在干旱恢复中的作用未被纳入，这可能是未来研究的重要方向。

（注：全文数据均基于原文实验与统计分析，未添加主观推断。）