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周旭辉教授课题组在人类活动和气候变化对草原生态系统碳氮循环影响领域发表系列文章

系列论文主要第一作者为周旭辉教授课题组2016级的博士研究生周贵尧。周贵尧同学博士期间在周旭辉教授的指导下主要通过运用野外控制实验和整合分析等方法探讨人类活动和全球变化对草原和森林生态系统功能影响的研究,目前已以第一作者在GCB, GEB, JAE等生态学经典杂志上发表SCI一区论文7篇,累积影响因子为43,出版英文专著一个章节,目前是Science of the Total Environment、 Forest Ecology and Management、 Chemosphere等5个SCI杂志的审稿人,同时也是英国生态学会旗舰杂志Journal of AppliedEcology(中科院一区)的Associate Editor Mentee (实习编委)。

        作为陆地广泛分布的草地生态系统,其碳、氮循环格局及其调控机制一直是广大生态学家重点关注的焦点和难点。近年来,全球大面积草地同时遭受人类活动和气候变化(如增温、氮沉降、二氧化碳升高)等的威胁,这些因子间的复杂作用,进一步加剧了我们科学预测草原生态系统碳氮循环过程的不确定性。尽管目前在全球尺度上有大量的野外控制实验探讨了草原生态系统碳氮循环对人类活动和气候变化的响应,但由于实验设计、空间异质性等问题,导致当前研究结果存在较大的差异,这在很大程度制约了未来精确模拟复杂背景下草原碳氮循环的分布格局。因此,深入理解和解析人类活动和气候变化对生态系统碳氮循环过程的影响是解决当前草原退化问题,实现草地资源可持续发展的重要前提。


       基于该背景,周旭辉教授课题组通过系统建立全球放牧和气候变化因子对草原生态系统碳氮循环的数据库,运用整合分析方法,发现放牧活动在全球尺度上显著降低草原生态系统地下碳库和地下氮库,同时存在显著的强度效应(图1)。

图1 放牧活动对草原生态系统碳氮循环过程影响的示意图


       轻度放牧水平有助于草原生态系统土壤碳库和氮库的累积,而中度和重度放牧显著降低土壤碳库和氮库储量(Zhou et al., 2017, GCB)。该研究成果受到国际著名生态学家Pete Smith的高度评价,他认为本研究对于未来深入理解和探讨人类活动对草原生态系统碳氮过程的影响具有重要的指示作用。该研究成果同时入选ESI高被引论文,受到Nature, Science等顶尖杂志的引用报道。


       在此基础上,团队进一步发现由于对碳氮循环的不对称影响,放牧强度还深刻影响着草原生态系统的碳氮磷化学计量关系(图2)。


图2 放牧活动对草原生态系统C:N:P化学计量关系影响的示意图


       研究发现,除了凋落物N:P比和根系C:N比外,重度放牧显著降低地上和地下的C:N:P化学计量关系,而轻度和中度放牧对地上地下C:N:P化学计量关系起着或正或负的效应(He et al., 2019, GEB)。


       除此之外,放牧活动通过与气候变化因子之间的复杂作用,深刻影响着草原生态系统碳氮循环过程。相较于气候变化因子而言,放牧活动显著主导了对地上、地下碳库和土壤呼吸的影响过程(图3,Zhou et al., 2019, GCB)。


图3 放牧活动和气候变化对碳循环影响的机理示意图


       放牧和气候变化因子主要通过加和交互形式影响地上、地下碳库、土壤呼吸以及生态系统呼吸,而非传统意义上的协同和拮抗作用。这种交互作用同时受到生物和非生物因素的调控(图4)。

图4 放牧和气候变化因子对草原生态系统碳循环过程的交互作用


       系列论文首次从全球尺度上量化了人类活动和气候变化对草原生态系统碳氮循环的复杂影响过程,阐明其相关的生物和非生物驱动机制,强调了人类活动在主导碳氮循环格局的重要性,提示未来的生态系统模型在预测复杂驱动力对生态系统功能的影响时,可能需要更合理地考虑人类活动和气候变化的综合效应。


      《Global Change Biology》为全球变化领域的顶级杂志(5年影响因子为9.14,中科院一区),主要刊登全球变化对陆地生态系统功能和服务影响的前沿研究成果。

      《Journal of Applied Ecology》为英国生态学会的旗舰杂志(5年影响因子为5.96,中科院一区),着重关注运用新颖方法解决人类社会面临的复杂生态问题,主要涉及全球变化生态学、保护生物学,土地利用变化等领域。

       《Global Ecology and Biogeography》为生物地理学的经典杂志(5年影响因子为6.35,中科院一区),主要刊登生物多样性、自然地理类等方面最新的研究成果。

系列研究成果论文列表如下:

1. Zhou G., Zhou X., He Y., Shao J., Hu Z., Liu R., Zhou H., Bai S. (2017) Grazing intensity significantly affects belowground carbon and nitrogen cycling in grassland ecosystems: a meta‐analysis. Global Change Biology. 23, 1167-1179.

2. Zhou G., Luo Q., Chen Y., He M., Zhou L., Frank D., He Y., Fu Y., Zhang B., Zhou X. (2019) Effects of livestock grazing on grassland carbon storage and release override impacts associated with global climate change. Global Change Biology. 25, 1119-1132.

3. Zhou G#., Luo Q#., Chen Y#., Hu J., He M., Gao J., Zhou L., Liu H., Zhou X. (2019) Interactive effects of grazing and global change factors on soil and ecosystems respiration in grassland ecosystems. Journal of Applied Ecology. 56, 2007-2019. (# contributed equally)

4. He M#., Zhou G#., Yuan T., Shao J., Zhou X. (2019) Grazing intensity significantly alters C-N-P stoichiometry in grassland ecosystems. Global Ecology and Biogeography. (# contributed equally, in press)


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