极端干旱通过呼吸抑制和群落重组提高高山碳利用效率

《Journal of Ecology》：Extreme drought increases alpine carbon use efficiency through respiration suppression and community reorganization

　　

摘要

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1. 气候变化正在加剧全球干旱，但极端干旱究竟降低还是提高生态系统碳利用效率（CUE）目前仍不明确。由于干旱同时抑制碳同化和呼吸碳消耗，CUE的变化取决于这两个过程的相对敏感性。近期证据表明，在极端干旱条件下，呼吸的下降可能快于碳同化，但驱动这一转变的生态机制尚不清楚。
2. 为此，我们在青藏高原高寒草甸开展了一项长期（2015–2023年）降水控制实验，设置五个降水梯度（P、3/4 P、1/2 P、1/4 P和1/12 P，其中P为自然降水量），系统研究了干旱强度增加如何调控生态系统CUE及其背后的生态机制。
3. 结果表明，轻度和中度干旱下生态系统CUE保持不变，但在极端干旱下CUE显著提高。轻度和中度干旱对生产力和呼吸的抑制幅度成比例，因此CUE保持稳定。相比之下，极端干旱（1/12 P）条件下CUE显著增加5%，主要由于自养呼吸的下降幅度（?34%）明显大于净初级生产力（?21%）和总初级生产力（?25%）的下降幅度。CUE的提升并非源于短期生理调节，而是源于植物群落的重组：极端干旱促使植物群落向莎草科优势群落转变，并提高地下碳分配比例，从而共同降低了呼吸碳成本。
4. 综合结论。我们的研究结果表明，极端干旱下CUE的响应受长期生态重组而非仅由短期生理响应所调控。在地球系统模型中显式表征植被动态变化和生产力分配，对于准确预测干旱加剧背景下生态系统碳循环至关重要。

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1. 气候变化正在加剧全球干旱，但极端干旱究竟降低还是提高生态系统碳利用效率（carbon use efficiency, CUE），目前仍不明确。由于干旱同时抑制植物光合碳同化和呼吸碳消耗，生态系统CUE的变化取决于二者对干旱的相对敏感性。近期研究发现，在极端干旱条件下，呼吸受到的抑制可能强于碳同化，但驱动这一转变的生态机制尚不清楚。
2. 为此，我们在青藏高原高寒草甸开展了一项长期（2015–2023年）降水控制实验，设置五个降水梯度（P、3/4 P、1/2 P、1/4 P和1/12 P，其中P为自然降水量），系统评估不同干旱强度下生态系统CUE及其调控机制。
3. 结果表明，轻度和中度干旱下生态系统CUE保持不变，但在极端干旱下CUE显著提高。轻度和中度干旱对生产力和呼吸的抑制幅度相近，因此CUE保持稳定。相比之下，在极端干旱（1/12 P）条件下，CUE显著增加约5%，主要由于自养呼吸的下降幅度（?34%）明显大于净初级生产力（?21%）和总初级生产力（?25%）。CUE的提升并非仅源于短期生理调节，而与植物群落重组密切相关：极端干旱促使植物群落向莎草科优势群落转变，并提高地下生产力分配比例，从而共同降低呼吸碳成本。
4. 我们的研究表明，极端干旱下CUE的长期响应受到植物群落重组和生产力分配变化的共同调控，而不能仅由短期生理响应解释。因此，在地球系统模型中显式表征植被群落动态和生产力分配变化，对于准确预测未来干旱加剧背景下的生态系统碳循环具有重要意义。

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作者声明不存在利益冲突。

同行评审

本文的同行评审历史可在以下链接中查阅：https://www.webofscience.com/api/gateway/wos/peer-review/10.1111/1365-2745.70434。

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