由工业革命以来,受到人类活动的扩大影响,全球的大气循环和气候格局变化显著加剧。导致极端气候事件频繁发生,比如极端干旱、强降水、热浪等事件。造成我国北方地区呈现暖干化的趋势,降水格局发生了很大变化,主要表现为极端干旱的频率和强度增加,而且极端干旱的发生时间不确定性也在增加。与平均气候变化相比,极端气候对生态系统的影响更具有不确定性。极端干旱会影响生态系统的功能,比如对生态系统碳交换和生物量等的影响。同时,极端干旱还会影响生态系统植物群落的组成,导致草原生态系统的灌丛化,影响了资源的分配和生态系统功能。目前主要的研究集中在极端干旱的单次事件的影响,往往忽略了不同时期的干旱,即干旱发生时间对生态系统功能的影响。草原是全球陆地上分布最广的植被类型之一。我国不同类型的草地面积为4亿公顷,我国草原面积占据国土面积的40%,并且占有了 16.7%的碳贮量。其生态功能和服务严重受到水分有效性的制约。极端干旱事件严重制约了该区域的生态系统生产力和碳交换。极端干旱导致的草原灌木化使得生态系统的功能服务受到了威胁。本研究以我国北方的内蒙古半干旱温带典型草原为研究对象,借助中国科学院内蒙古草原动物生态研究站搭建的极端气候和生物多样性控制实验(Extreme Climate Events and Biodiversity:ECEB)研究平台。研究极端干旱和物种组成变化(草原灌木化)对生态系统的影响。目前对极端干旱事件的定义有很多种,我们采用了统计分布极值定义极端干旱事件,具体为根据当地可获得的最长60年气象数据,根据耿贝尔极值理论(Gumbel I distribution model)定义连续30天的无效降水为极端干旱事件。实验主要包括两个处理:极端干旱处理主要包括生长季前期干旱(D1)、生长季中期干旱(D2)、生长季后期干旱(D3),还有一个周围环境对照(CK);物种组成处理主要包括两种禾草物种组成(G2)、两种灌木物种组成(S2)、两种禾草和两种灌木组合的物种组成(C3),外加一个原始植被组成处理(W)。分别在2014年、2015年、2016年,研究了生长季早期、中期、后期的极端干旱和物种组成对内蒙古半干旱典型草原生态系统生产力和碳交换影响,并探究生态系统的响应机制。主要包括:草原生态系统生产力、生态系统碳交换、土壤碳氮等元素分析、土壤矿化速率、结构方程模型分析生产力和碳交换与生物因子和非生物因子的关系等研究内容。帮助理解在未来极端干旱事件强度和频率增加、干旱发生时间不确定性、物种组成变化的条件下,内蒙古半干旱典型草原的生态系统功能的响应情况和演变规律,主要结论如下:(1)在原始植被条件下,极端干旱显著影响了干旱处理期的土壤含水量。生长季早期干旱的土壤含水量最低。(2)在原始植被条件下,极端干旱在处理期间造成了植物荧光光系统Ⅱ的最大量子效率即原初光能转化效率的降低,且低于生理最适值0.75-0.85,其中早期干旱的效应最为强烈。植物表现出极端干旱下光合生理胁迫,但在统计上差异不显著。在处理结束后,植物原初光能转化效率有较好恢复。羊草和大针茅对三个时期的极端干旱响应并不完全一致,尤其是在生长季的早期极端干旱中,羊草的负响应更为强烈。(3)在原有植被条件下,生长季的早期极端干旱的影响强于生长季的中期和后期极端干旱,显著降低了生态系统呼吸和生态系统总初级生产力,并且使得生态系统净碳交换变为碳排放。极端干旱对地上净初级生产力没有显著作用,但羊草和大针茅的相对生物量和相对多度有变化。净生态系统碳交换(NEE)、生态系统呼吸(Re)、总初级生产力(GPP)和土壤含水量都具有较好的相关性,NEE和土壤温度都具有较好的相关性。路径分析表明非生物因子(土壤温度和土壤含水量)可以直接影响了初级生产力,还可以通过生物因子(群落光合潜力)影响了初级生产力。(4)在组合物种组成条件下,极端干旱显著降低了三年的平均土壤含水量,生长季早期干旱的土壤含水量最低。极端干旱对土壤总有机碳、土壤有效磷有显著影响,而植物组成对土壤总有机碳、土壤有效磷没有显著影响,极端干旱和物种组成对土壤总有机碳、土壤有效磷的交互作用不显著。极端干旱、植物组成对土壤总氮没有显著影响。(5)对组合物种组成条件下的统计分析发现,极端干旱显著降低了净生态系统碳吸收(P=0.05)、生态系统呼吸(P<0.01)、总初级生产力(P<0.01),并且年际效应显著(P<0.01)。其中生长季早期干旱的碳吸收最低,负效应最强。物种组成对净生态系统碳交换(P<0.01)、生态系统呼吸(P<0.01)、总初级生产力(P<0.01)影响显著,并且年际效应显著(P<0.01)。灌木物种组成的碳吸收能力最强。极端干旱(F=7.97,P<0.01)和物种组成(P=10.05,P<0.01)处理对总地上净初级生产力有显著影响。生长季中期干旱对生物量的负影响最强,禾草物种组合的生物量最高,灌木物种组成的生物量最低。(6)在组合物种组成条件下,土壤含水量和NEE(P=0.05)、Re(P<0.01)、GPP(P<0.01)很好的线性相关性,土壤温度和NEE(P<0.01)、Re(P<0.01)具有很好的线性相关性。干旱处理中,Re对GPP的贡献大于干旱处理以外的时期,说明了干旱处理中碳损失的趋势加大,造成了生态系统的碳排放。综上,生长季的早期极端干旱趋势加大,对生态系统的负影响要强于生长季中期和后期干旱,草原灌木化会在短时间内较好抵御极端干旱,在降水格局变化的地位不容忽视。本研究为制定草原应对气候变化响应方针提供了基本理论基础,为以后加强干旱的早期预防准备工作提供了依据。