样带实验平台
科学问题
全球气候变化(包括气候变暖和降水格局变化)作为21世纪人类面临的重大环境问题，对人类赖以生存的生态系统结构和功能，以及区域和全球碳平衡变化具有深刻影响。根据“政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)”评估报告预测，到本世纪末，全球地表平均温度还将继续上升1.0-3.7°C，并且昼夜温度的上升幅度存在差异，即夜间温度上升的幅度明显高于白天温度。气温升高会加剧全球水文循环过程，并进一步改变区域和全球降水格局。昼夜升温的差异性和降水格局变化的复杂性将进一步增加人们预测气候变化对陆地碳循环影响的难度，因此探究夜间增温和降水格局变化对陆地生态系统植物生长和碳循环的影响将有助于全面了解和预测陆地生态系统对全球变化的响应与反馈格局。
草地是地球表面重要的陆地生物区系，在维持区域和全球气候系统与生态产品和服务中发挥着巨大的作用。过去在站点尺度的研究或样带调查结果已证明温度和降水变化对草地生态系统具有重要影响。但是样带调查结果受到植被状况、土壤性状、温度以及降水变异等的影响，站点水平的研究结果则无法上推到区域或全球尺度为模型模拟提供参数估计和模型验证。为减小以上提及到的不确定性和限制性，本实验在北方干旱和半干旱区沿自然降水梯度选择三种类型温带草原(荒漠草原、典型草原和草甸草原)，采用大型土块移植的方法，开展夜间增温和改变降水对三种类型温带草原生物多样性和生态系统功能影响的研究。
实验设计
本实验于2013年在内蒙古自治区自西向东沿自然降水梯度分别在四子王旗、多伦县和东乌旗选取荒漠草原(DS)、典型草原(TS)和草甸草原(MS)。每种类型的草原挖取18个原状土块，每个土块大小为2.2 m (长) × 1.5 m (宽) × 1.2 m (高)。每个土块四周用不锈钢框固定，然后将一块钢板推到土块底部并与不锈钢框焊接在一起。用起重机将所有土块放到大型卡车上运送到位于多伦县的中国科学院植物研究所恢复生态学试验示范研究站(图1)。按照草原类型，将54个土块分成9个单元，每个单元有6个土块，然后按照3 (草原类型) × 3 (每种草原类型的单元数)拉丁方设计将土块排列好并埋于土中，使土块的上表面与四周填埋土的上表面相平，每相邻两个单元之间的东西方向距离均为4.0 m，南北方向距离为4.2 m。每个单元的土块之间东西方向距离为1.0 m，南北方向距离为1.1 m。共设置6种处理：对照(C)、夜间增温(NW)、增加30%降水量(IP)、减少30%降水量(DP)、夜间增温+增加30%降水量(NW+IP)、夜间增温+减少30%降水量(NW+DP)，每种处理设置3个重复，即每个小区的6个土块分别随机进行6种实验处理(图2)。
图1. 实验建设
图2. 实验设计图及鸟瞰图
图3. 实验增温设备(左图)和降水处理(右图)
(1) 增温处理
全球夜间温度的上升幅度高于白天温度，并且夜间增温对蒙古高原植物光合作用和生长具有更强的正效应。因此，从2014年起，本研究使用红外线辐射器只在夜间(18:00-06:00)加热样方。辐射器悬挂于每个加热样方正上方2 m处。同样形状和尺寸的“假”辐射器悬挂于没有加热样方的正上方2 m处，用来模拟遮阴效应(图3)。
(2) 降水处理
由于三种类型草原所在地降水量的差异以及研究地自然降水对不同类型草原的潜在影响，三个拱形遮雨棚被用来遮挡每个生长季6到9月份的自然降水。设在样地旁边的储水池被用于收集被遮挡的自然降水，这些降水作为水源人工添加到实验样方里。在2014-2018年，从三种类型草原所在地长期的历史年均降水量数据中(荒漠化草原：1959-2012；典型草原：1953-2012；草甸草原：1953-2012)，分别选取接近长期年均降水量的连续5个年份(荒漠化草原：1971-1975；典型草原：2002-2006；草甸草原：1979-1983)。在2019年，在荒漠化草原、典型草原和草甸草原的历史降水数据中，分别选取1964年、1976年和1968年的降水量进行三种类型草原的降水处理 (这三个年份的年降水量分别接近荒漠化草原、典型草原和草甸草原的历史长期年均降水量)。在分析了三地历史长期年降水量数据后，发现三地的降水量呈现出较强的年际变异，相对于长期的年均降水量，变异幅度分别从长期年均降水量的−42.3%到+34.9% (荒漠化草原)、−35.0到+34.4% (典型草原)、−39.4%到+51.8% (草甸草原)。因此，本研究将改变降水处理的上下限分别设为自然降水量的+30%和−30%，这个改变量能够分别包含三种类型草原年降水量的大多数年际变异。自2014年起，每种类型草原每年6月1日到9月30日的降水事件(包含降水量与降水频度)均模拟以上所选相应历史年份相应日期的降水量和降水频度进行降水处理。使用洒水器将水均匀地喷洒到每个样方里。其中，不改变降水处理的样方接受相应年份的自然降水量。减少和增加降水处理的样方分别接受减少30%和增加30%的自然降水量(图3)。
原创性成果:
该实验主要监测优势物种物候(芽、花、果数)、植被归一化指数，测定生态系统碳循环变量(土壤呼吸、净生态系统生产力等)以及土壤碳氮含量。
1) 在2015至2017年所有监测的物种中，夜间增温使荒漠和典型草原的花期提前，而在草甸草原则推迟了花期。在三种草原中降水减少，花期推迟；降水增加，花期提前(图4)。植物生长在很大程度上决定了这三种草原类型在夜间增暖和降水量变化的情况下开花日期的变化。
2) 通过五年(2014-2018)的观测发现降水减少抑制了各个草原的土壤呼吸，而降水增加促进了其土壤呼吸。此外，土壤呼吸对降水增加的敏感性大于对降水减少的敏感性，表明土壤呼吸对降水变化的响应呈正非对称性。但是夜间增温对这三种草原类型的土壤呼吸没有影响(图4)。荒漠和典型草原土壤呼吸的变化主要由土壤水分有效性和地下净初级生产力决定，而草甸草原土壤呼吸变化仅由土壤总碳决定。
图4. 植物花期(2015-2017, 左图)和土壤呼吸(2014-2018, 右图)对夜间增温和改变降雨量的响应。C:对照；NW:夜间增温；DP:减少30%降水量；IP:增加30%降水量；NW+DP:夜间增温+减少30%降水量；NW+IP:夜间增温+增加30%降水量；TG:温带草原；DS:荒漠草原；TS:典型草原；MS:草甸草原；Rs:土壤呼吸。
中国科学技术部(2013CB956301)
国家自然科学基金(31430015)
实验持续时间:
2014-现在
发表论文:
Zhou, Z., Y. Li, J. Song, J. Ru, M. Zhong, M. Zheng, A. Zhang, D. Hui, and S. Wan. 2019. Growth controls over flowering phenology response to climate change in temperate steppes along a precipitation gradient. Agricultural and Forest Meteorology 274: 51-60.
Li, Y., Z. Zhou, L. Lei, J. Ru, J. Song, M. Zhong, R. Tian, A. Zhang, M. Zheng, D. Hui, and S. Wan. 2020. Asymmetric responses of soil respiration in three temperate steppes along a precipitation gradient in Northern China revealed by soil-monolith transplanting experiment. Agricultural and Forest Meteorology 294: Art. No. 108126.