高寒草甸生态系统与全球变化

全球变化已对青藏高原高寒草甸地区生态安全构成威胁，表现在生态系统分布格局发变化、植物物种多样性迅速下降、生态系统生产力及碳固定能力下降、植被及土壤的退化等。另一方面，高寒草甸物种及生态系统为在其栖息恶劣的环境中得以生存而使得自身代谢方式、遗传特性、多样性维持、生态系统稳定性的发生适应性变化，在环境变化的情况下物种和生态系统具有持续生存的能力。在未来气候变化的背景下，青藏高原在现代时间尺度上发生怎样的环境变化，这些变化又将使青藏高原生态系统产生怎样的响应？高寒草甸物种采取什么样的响应机制来应对气候变化？高寒草甸植被生产量与环境因素间适应与响应的耦合关系；未来气候变化背景下，青藏高原高寒生态系统碳、水循环过程将如何改变？这种变化将会怎样影响生态系统的服务，将会怎样反馈影响全球气候变化，以及碳水耦合机制，这不仅是青藏高原环境变化研究方面所面临的新的科学问题，也是国家经济发展与生态环境保护方面的重大战略需求。同时，青藏高原环境变化不仅从区域本身响应全球变化，而且通过一系列作用过程在周边地区和全球范围内产生影响，这种影响引起的连锁反应对人类生存环境的影响更为严重。
主要创新贡献： 
　  首次在青藏高原极端环境下发现土壤微生物中放线菌类的一个新属。通过对青藏高原矮嵩草草甸、金露梅灌丛草甸和藏嵩草沼泽化草甸的碳收支与环境因子之间的研究，发现矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸具有一个较高CO₂吸收潜能，而沼泽化草甸具有一个较低的排放潜能，揭示出青藏高原高寒草甸生态系统不同植被类型的碳源/汇存在明显差异；而这些差异主要是由于植物光合能力不同和土壤呼吸差异引起的；温度也是影响青藏高原碳收支的一个重要因素。对极端环境下不同植物类型年季节性变化的研究进一步表明，植被类型和水分是影响高寒草甸生态系统能流和能量分配的主要因素。在高寒草甸生态系统中，土壤温度是控制土壤呼吸的关键因子；放牧不仅影响土壤呼吸，而且也改变了土壤碳释放的温度条件。模拟温度升高，发现青藏高原高寒草甸生态系统中生物多样性急剧下降，生态系统平衡打破，土壤等环境发生剧烈变化，进一步暗示高原极端环境在未来全球变化背景下生态安全的危险性。首次进行了高寒草甸植物对地球甲烷的释放作用研究报道，发现高寒草甸草本植物群落具有排放甲烷的能力，而木本灌木群落具有氧化大气甲烷的能力。
国内外影响：
　  在高寒草甸生态系统与全球变化研究方面取得的成果“Methane Emissions by Alpine Plant Communities in the Qinghai–Tibet Plateau”已在著名生物学刊物Biology Letters上正式发表（网络版已刊出）。这是首次关于青藏高原高寒生态系统植物群落甲烷排放相关研究成果的报道。该项成果一经发表，即得到了国际学术界的和媒体广泛关注，世界著名的学术刊物《自然》（Nature）对该项目的参与完成人、中国科学院西北高原生物研究所所长赵新博士进行了专访，并在《Nature News》上发表了重要评论，在2008年8月20日的《Nature News》中刊登了题为“Tibetan Meadows Emit Methane-Field Survey Confirms That Plants Can Boost Levels of the Greenhouse Gas.”(青藏高原草甸释放甲烷——野外监测证实植物可能增加温室气体的排放)的评论文章。我所赵新全研究员与美国科罗拉多州立大学朱丽亚·克莱合作开展的青藏高原模拟增温研究成果也引起很大的社会反响。新华社呼和浩特2008年７月６日电（记者李来房、勿日汗）一项由中国和美国的科学家开展的研究表明，气候变暖会导致青藏高原上植物物种的急剧下降，但放牧可以减弱这一负面影响。项目的主要参与者之一、美国科罗拉多州立大学朱丽亚·克莱在5日结束的2008年世界草原和草地大会上介绍说，26％至36％的植物物种在1998年至2001年间开展的变暖试验中消失，其中可以被人类利用的医用植物减少了21％，适合畜牧的植物减少了25％。研究发现，在1999年至2001年三年里，医药植物平均每年消失3~9个物种，而畜牧植物同期平均每年减少5~6个物种。该研究还发现，放牧可以帮助减弱气候变暖对草原的负面影响。比如，放牧可以使草的生长期延长，从而维护或提高草的质量。
代表性论文：
　  1. Julia A. Klein, John Harte, Zhao X-Q, 2007, Experimental warming, not grazing, decreases rangeland quality on the Tibetan Plateau. Ecological Applications17(2): 541-557.
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　  3. Zhang Z, Wang S-P, G.M.Jiang, B.Patton, P. Nyren, 2007, Responses of Artemisia frigida Willd. (Compositae) and Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. (Poaceae) to sheep saliva. Journal of Arid Environments 2007(70):111-119.
　  4. Liang Zhao, Yingnian Li, Shixiao Xu, Huakun Zhou, Song Gu, Guirui Yu, Xinquan Zhao,2006. Diurnal, seasonal and annual variation in net ecosystem CO2 exchange of an alpine shrubland on Qinghai-Tibetan plateau. Global Change Biology, 12: 1940-1953.
　  5. Lei Song, Wen-Jun Li, Qi-Lan Wang, Guo-Zhong Chen, Yao-Sheng Zhang and Li-Hua Xu, 2005. Jiangella gansuensis gen. nov., sp. nov., a novel actinomycete from a desert soil in north-west China International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 55: 881–884.
　  6. Cao, G. M., Tang, Y. H., Mo, W. H., Wang, Y. S., Li, Y. N. and Zhao, X. Q. 2004. Grazing intensity alters soil respiration in an alpine meadow on the Tibetan plateau. Soil Biology & Biochemistry, 36:237-243.
　  7. Hu Q. W., Cao, G. M., Wu, Q., Li, D., Wang, Y. S. 2004. Comparative study on CO2 emission from different types of alpine meadows during grass exuberance. Journal of Geopgraphical Sciences, 14（2）: 167-176.
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　  9. Zhao, L., Li, Y. N., Gu, S., Zhao, X. Q., Xu, S. X., Yu, G. Y. 2005. Carbon dioxide exchange the atmosphere and an alpine shrubland meadow in the growing season on the Qinghai-Tibetan Plateau. Acta Botanica Sinica. 47 (3):271-282.
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　  17. Cui, X. Y., Tang, Y. H., Gu, S., Nishimura, S., Shi, S.B., Zhao, X. Q. 2003. Photosynthetic photoinhibition in relation to plant architecture in two alpine herbaceous species. Experimental and Environmental Botany. 50(2) 125-135.