Climate responses of carbon fluxes in two adjacent alpine grasslands in northern Tibet

doi:10.11686/cyxb2023250

Abstract

Abstract:

The sensitivity of ecosystem carbon cycle to climate change is an important issue in the context of future carbon neutrality across the globe. Because of the vast area， rich carbon storage， and vulnerability of the alpine grassland on the Qinghai-Tibetan Plateau， many site-specific studies have focused on the responses of carbon and water fluxes of alpine grassland to climate change in recent years. In such studies， various observation and simulation techniques， especially eddy correlation （EC） techniques， have been used. However， the sensitivity of different alpine grassland types to changes in climatic factors under the same climatic background remains unclear. Based on the estimates of carbon and water fluxes made using EC techniques from 2009 to 2011 under different water conditions， this study analyzed and compared the climate sensitivity of the carbon cycle between two adjacent （<5 km） alpine grassland ecosystems， alpine meadow and alpine wetland， in northern Tibet. The results showed that the carbon exchange capacity of alpine meadow was significantly lower than that of alpine wetland. The alpine meadow was carbon neutral with an annual net CO₂ exchange （NEE） of 18.09±40.66 g C·m^-2， while the alpine wetland was a stable carbon sink with an annual NEE of 155.09±32.85 g C·m^-2. The moisture conditions weakly affected the maximum photosynthetic rate of the light response curves in both alpine meadow and alpine wetland， but was significantly positively correlated with gross primary productivity under saturated light intensity. The effect of moisture conditions to regulate the exponential response relationship between ecosystem respiration （Re） and temperature was mainly reflected by the basic respiration value （a）. The mean a value of alpine wetland was 3.76-times larger than that of alpine meadow， but the effect of moisture conditions to regulate the temperature sensitivity of Re （Q₁₀） in the two alpine grasslands was not significant. The mean value of annual Q₁₀ （1.84） and the trend of Q₁₀ to decrease with temperature were basically the same in the alpine meadow and alpine wetland. We concluded that the response of CO₂ exchange in the alpine grassland ecosystem in northern Tibet to environmental factors depends on joint restricting effects of multiple factors. Therefore， a regional network and collaborative observations are helpful to better understand the mechanism of the carbon exchange response of the alpine ecosystem to climate change.

Key words: carbon cycle, alpine grassland, climate, sensitivity, northern Tibet

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Figures/Tables 10

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站点Site	高寒草甸Alpine meadow	高寒湿地Alpine wetland
地理位置 Latitude and longitude	30.50° N， 91.07° E	30.47° N， 91.06° E
海拔 Altitude （m）	4333	4285
年均温 Mean annual air temperature （℃）	1.8	1.8
年降水 Mean annual precipitation （mm）	476.8	476.8
年总太阳辐射 Annual total solar radiation （MJ·m^-2）	7527.6	7527.6
植被状况 Vegetations	盖度 Coverage：30%~60% 高度 Height：10 cm 优势物种：高山嵩草，丝颖针茅，紫花针茅，窄叶苔草，等。Dominant species： K. pygmaea， S. capillacea， Stipa purpurea， C. montis-everestii， et al. 伴生物种 Associated species：小嵩草Kobresia humilis，委陵菜属Potentilla，木根香青Anaphalis xylorhiza等.	盖度 Coverage：>90% 高度 Height：>20 cm 优势物种 Dominant species：藏北嵩草K. littledalei，华扁穗草B. sinocompressus. 伴生物种 Associated species：委陵菜属Potentilla，蕨类Pteridophyta，马先蒿Pedicularis longiflora.
地形特征 Terrain	平缓、均质 Flat and homogeneous	平缓伴有凸丘和凹壑 Flat， with hummocks and hollows
土壤类型 Soil type	砂壤土，砾石含量较多 Sandy loam， more gravel content	高寒草甸土，有机质层厚 Alpine meadow soil， thick layer of organic matter
土壤养分状况 Soil nutrient	土壤有机质Soil organic matter：1.94% 土壤全氮Soil total nitrogen：0.12% 碳氮比Carbon nitrogen ratio：11.13 土壤有效氮Soil available nitrogen： 8.62 mg·kg^-1	土壤有机质Soil organic matter：23.70% 土壤全氮 Soil total nitrogen：0.96% 碳氮比Carbon nitrogen ratio：24.80 土壤有效氮Soil available nitrogen： 372.80 mg·kg^-1
研究时间 Study period （year）	2009-2011	2009-2011
土壤水分条件Soil water content （SWC， m³·m^-3）	低 Low：SWC<0.08 中 Medium：0.08≤SWC<0.12 高 High：SWC≥0.12	低 Low：SWC<0.45 中 Medium：0.45≤SWC<0.65 高 High：SWC≥0.65

站点Site	高寒草甸Alpine meadow	高寒湿地Alpine wetland
地理位置 Latitude and longitude	30.50° N， 91.07° E	30.47° N， 91.06° E
海拔 Altitude （m）	4333	4285
年均温 Mean annual air temperature （℃）	1.8	1.8
年降水 Mean annual precipitation （mm）	476.8	476.8
年总太阳辐射 Annual total solar radiation （MJ·m^-2）	7527.6	7527.6
植被状况 Vegetations	盖度 Coverage：30%~60% 高度 Height：10 cm 优势物种：高山嵩草，丝颖针茅，紫花针茅，窄叶苔草，等。Dominant species： K. pygmaea， S. capillacea， Stipa purpurea， C. montis-everestii， et al. 伴生物种 Associated species：小嵩草Kobresia humilis，委陵菜属Potentilla，木根香青Anaphalis xylorhiza等.	盖度 Coverage：>90% 高度 Height：>20 cm 优势物种 Dominant species：藏北嵩草K. littledalei，华扁穗草B. sinocompressus. 伴生物种 Associated species：委陵菜属Potentilla，蕨类Pteridophyta，马先蒿Pedicularis longiflora.
地形特征 Terrain	平缓、均质 Flat and homogeneous	平缓伴有凸丘和凹壑 Flat， with hummocks and hollows
土壤类型 Soil type	砂壤土，砾石含量较多 Sandy loam， more gravel content	高寒草甸土，有机质层厚 Alpine meadow soil， thick layer of organic matter
土壤养分状况 Soil nutrient	土壤有机质Soil organic matter：1.94% 土壤全氮Soil total nitrogen：0.12% 碳氮比Carbon nitrogen ratio：11.13 土壤有效氮Soil available nitrogen： 8.62 mg·kg^-1	土壤有机质Soil organic matter：23.70% 土壤全氮 Soil total nitrogen：0.96% 碳氮比Carbon nitrogen ratio：24.80 土壤有效氮Soil available nitrogen： 372.80 mg·kg^-1
研究时间 Study period （year）	2009-2011	2009-2011
土壤水分条件Soil water content （SWC， m³·m^-3）	低 Low：SWC<0.08 中 Medium：0.08≤SWC<0.12 高 High：SWC≥0.12	低 Low：SWC<0.45 中 Medium：0.45≤SWC<0.65 高 High：SWC≥0.65

项目Item	高寒草甸Alpine meadow			高寒湿地Alpine wetland
	2009	2010	2011	2009	2010	2011
光合总初级生产力 GPP	-158.09	-183.96	-183.52	-935.01	-953.28	-755.02
生态系统呼吸 Re	210.51	212.62	156.70	786.54	826.98	564.27
净CO₂交换量 NEE	52.42	28.66	-26.81	-148.47	-126.06	-190.75

项目Item	高寒草甸Alpine meadow			高寒湿地Alpine wetland
	2009	2010	2011	2009	2010	2011
光合总初级生产力 GPP	-158.09	-183.96	-183.52	-935.01	-953.28	-755.02
生态系统呼吸 Re	210.51	212.62	156.70	786.54	826.98	564.27
净CO₂交换量 NEE	52.42	28.66	-26.81	-148.47	-126.06	-190.75

年份 Year	季节 Period	水分条件 Water scale	平均温度 Temperature （℃）	土壤含水量 Soil water content （m³·m^-3）	a	b	Q₁₀	R²
2009		SWC=0.08 m³·m^-3	4.99	0.080	0.0171	0.0655	1.93	0.55
	GS	低 Low	9.73	0.066	0.0195	0.0563	1.76	0.43
		中 Medium	10.94	0.098	0.0238	0.0453	1.57	0.19
		高 High	11.00	0.156	0.0288	0.0336	1.40	0.06
	NG	低 Low	-6.60	0.061	0.0156	0.0877	2.40	0.50
		中 Medium	1.43	0.105	0.0154	0.0428	1.53	0.22
		高 High	1.97	0.128	0.0148	0.0325	1.38	0.07
2010		SWC=0.09 m³·m^-3	2.04	0.090	0.0160	0.0628	1.87	0.42
	GS	低 Low	8.92	0.070	0.0248	0.0374	1.45	0.19
		中 Medium	11.20	0.092	0.0235	0.0427	1.53	0.23
		高 High	11.83	0.220	0.0296	0.0300	1.35	0.22
	NG	低 Low	-3.25	0.050	0.0104	0.0069	1.07	0.00
		中 Medium	-1.20	0.100	0.0179	-0.0258	0.77	0.05
		高 High	6.05	0.120	0.0245	0.0555	0.57	0.06
2011		SWC=0.10 m³·m^-3	3.03	0.100	0.0174	-0.0554	1.74	0.37
	GS	低 Low	8.32	0.070	0.0178	-0.0029	0.97	0.00
		中 Medium	8.16	0.097	0.0198	0.0295	1.34	0.08
		高 High	10.28	0.192	0.0392	0.0012	1.01	0.00
	NG	低 Low	-5.68	0.062	0.0110	0.0768	2.15	0.15
		中 Medium	2.42	0.095	0.0127	0.0633	1.88	0.13
		高 High	3.76	0.126	--	--	--	--