降雨季节置换实验平台介绍
科学问题
大气环流模型预测全球的水文循环在未来气候变化情景下会增强。全球水文循环的增强会造成降雨在年际间和年内的变异增大，其中包括降雨量的变化及其分布模式的改变，特别是降雨季节分配的变异。尽管之前有很多研究已经关注到了降雨量、降雨频度及降雨强度对生态系统碳循环过程的影响，却很少有研究去探究降雨季节分配的影响。与降雨量相比，降雨季节分配在调节生态系统功能中发挥着同等甚至更重要的作用，特别是在干旱半干旱陆地生态系统中。本研究于蒙古高原的典型半干旱草原生态系统，通过人工控制的方法改变生长季降水分配，将6月份降水与7月份降水互换以及8月份的降水与9月份降水互换，分别模拟提前和推迟生长季降雨峰值，来研究降雨季节分配改变对半干旱草地生态系统结构和功能的影响。
实验背景和设计
该半干旱草原所在区域代表着欧亚草原的典型植被，并且对区域多样性和生态系统服务具有重要影响。过去半个多世纪(1954-2017)的气象纪显示，该地区6月和9月的降水量呈现出逐年增加的趋势，而7月和8月的降水量则表现出逐年减少的趋势，且该变化趋势自1960年后更加明显(图1)。因此，根据该地区降水季节实际变化趋势本研究设计并建立了降水季节置换实验。
本实验于2013年春季(5月底)使用拱形钢架结构(顶棚中心高度3.5米，边缘高度2米)建立了六个14×14 平方米的遮雨棚框架用于控制6月到9月的降水，任何两个相邻的遮雨棚之间距离为4米。每个遮雨棚作为一个区组(重复)，每个区组中设置4个5×5平方米的样地，并且同一个区组内的任何两个相邻的样地距离为2米(图2-3)。每个区组中的4个样地随机安排进4个处理，包括对照(Control, C)、提前生长季降水峰值(Advanced precipitation peak, AP)、推迟生长季降水峰值(Delayed precipitation peak, DP)及同时提前和推迟生长季降水峰值(Both advanced and delayed precipitation peaks, AP)。在对照处理下样方接受自然降水(图2a)；提前生长季降水峰值处理的样方在6月添加7月的降水，在7月添加6月的降水(图2b)；推迟生长季降水峰值处理的样方在9月添加8月的降水，在8月添加9月的降水(图2c)；同时提前和推迟生长季降水峰值则将4个月份降水同时互换(图2d)。四个处理在每年的6-9月总输入降水量相同。因为该研究站地形非常平坦，并且沙质土壤非常有利于水的下渗。因此，样地间通常不存在降水的水平流动，不会造成样地处理间的相互干扰。此外，每个5×5平方米的样地有一个4×4平方米的核心区域用于数据测量和采样分析，并且样地边缘与遮雨棚边缘有0.5米的缓冲带。
每年5月底在拱形钢架结构上安装透明聚乙烯塑料顶棚，10月初移除。因此，每年的10月到下一年的5月所有样地均接收自然降水。在每年6月到9月，自然降水被遮雨棚拦截并收集储存在八个大型塑料水桶中(图3)。根据实验处理设计，收集起来的降水人工添加到每个样地。从2014年生长季开始，本研究选择生长季降水量和降水分布规律与历史长期平均观测值接近的若干年的降水数据来模拟自然降水。根据这些年份6-9月降水事件的实际发生时间、频度和强度来添加降水。操作过程中，如果水桶中收集的降水不能满足处理需要，则使用从附近水井中抽取的地下水进行补充。
图1. 1954-2017年和1960-2017年期间6、7、8及9月降水变化趋势。
图2. 对照(a)、提前生长季降水峰值(b)、推迟生长季降水峰值(c)及同时提前和推迟生长季降水峰值(d)处理的生长季降水分布。
图3. 实验样方设置详图。
基金支持
国家自然科学基金重点项目(31830012)
已发表成果
Ru J, Zhou Y, Hui D, Zheng M, Wan S. 2018. Shifts of growing-season precipitation peaks decrease soil respiration in a semiarid grassland. Global Change Biology 24: 1001–1011.