California annual grass phenology and allometry influence ecosystem dynamics and fire regime in a vegetation demography model

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-01-30 DOI:10.1111/nph.20421

Xiulin Gao, Charles D. Koven, Marcos Longo, Zachary Robbins, Polly Thornton, Alex Hall, Samuel Levis, Stefan Rahimi, Chonggang Xu, Lara M. Kueppers

引用次数: 0

Abstract

Abstract Image

查看原文

微信好友朋友圈 QQ好友复制链接

本刊更多论文

加州一年生草物候和异速生长对植被人口模型中生态系统动态和火灾状态的影响

草原覆盖了地球表面的30%；因此，在地球系统模型（esm）中准确地表示草地生态系统对于理解植被-气候-火灾反馈非常重要（Blair et al., 2014）。草原还储存了全球陆地碳储量的约三分之一，主要以土壤有机质的形式存在，在气候变化和不断变化的扰动制度下，土壤有机质可能比生物生物量更稳定(Bai &amp；Cotrufo, 2022;Wilcox et al., 2023)。草原是干旱和半干旱地区的主要植被类型之一，这些地区的树木覆盖受到气候和周期性干扰的限制（Anderson, 2006）。草地和热带稀树草原等生态系统中草类的持续存在依赖于刚好足够的降水和周期性扰动，以防止木本植物的入侵并维持动态平衡(Scholes &amp；阿切尔,1997;Marañón et al., 2009)。然而，极端降水和火灾干扰的频率和强度的预期变化可能会改变草原的物种组成，从而改变生态系统结构和碳动态(Staver et al., 2011；Yu et al., 2017；D'Onofrio et al., 2019)。然而，由于气候-植被-火灾反馈带来的复杂性和模拟草本群落的有限投资，在esm中代表这些草类生态系统的变化仍然是一个建模挑战(Beckage et al., 2009; Dantas et al., 2016; Holdo &；Nippert, 2023)。在过去十年中，动态植被人口学模型（vdm）捕捉了大小依赖性生长、死亡率以及对水、养分和光的竞争，已成为ESM社区开发的重点，以更好地预测植被动态对全球碳循环的作用（Fisher等人，2018）。它们也是了解群落结构和生态系统功能的本地和区域驱动因素的有用工具。然而，大多数植被人口统计学模型（如LPJ-GUESS、ED2和FATES，但见aDGVM）最初是为封闭冠层森林开发的，迄今为止大多数模型应用都集中在树木主导的系统上，导致草植物功能类型（PFTs）和开放生态系统的模型过程不发达，模型参数校准不佳(Sitch et al., 2003；Medvigy等人，2009；Moncrieff et al., 2014；Koven et al., 2020)。树木和草之间的根本区别之一是不同植物结构的大小依赖碳分配（Niklas, 2004），这对于理解植物-环境相互作用和物种竞争很重要(Shipley &amp；Meziane, 2002;Metcalf et al., 2006；麦卡锡,•奥,2007)。例如，更多地分配给茎生物量可以获得更多的光照，而更多地分配给深根生物量可以获得地下水，帮助植物避免干旱，与浅根植物相比，有效地竞争水(Holmes &amp；大米,1996)。由于缺乏单个草生物量分配和植物结构的经验数据，尽管已知物种在生长和发育方面存在差异，但这些vdm中草异速测量的参数化（以下指生物量、分配和冠层结构的大小依赖性）受到的约束较少，或者没有区分不同的草功能类型（例如C3与C4以及一年生草与多年生草）(Sitch等，2003；Medvigy等人，2009；Nafus et al., 2009)。然而，生物量分配的差异可能会通过将净初级生产力分配给地上生物量，从而影响燃料负荷，或在光合和支持结构之间分配影响碳同化和运输，从而潜在地影响生态系统的结构、功能和火灾状况（Li et al., 2018）。植物冠层结构的变化也会影响群落结构：由于对空间和光线的竞争更激烈，冠层面积越大可能导致单位地面面积茎密度降低（Pretzsch et al., 2012）。生物量分配与冠层构型之间的相互作用及其对群落结构和生态系统功能的影响尚不清楚。此外，一些禾本科是一年生植物，在叶片物候和植物寿命方面不同于多年生植物，这两者都影响了物质和能量交换和火灾制度的季节变化(Davies &amp；Nafus, 2013)。然而，大多数vdm假设草地pft是多年生植物（Bart et al., 2017）。植被人口统计学模型中对草生活史、异速生长和物候的错误描述会产生不现实的草地生物量模式，进而可能影响模型模拟群落结构、火灾行为和植被-火灾反馈的方式（Wilcox et al., 2023）。地中海地区的禾草主要是一年生植物，它们通过在旱季开始前完成繁殖并作为休眠种子持续到初冬的第一次降雨来适应季节性干旱(Fernández Ales等，1993；Volis et al., 2002；Sherrard,Maherali, 2006)。由优势种物候和生活史驱动的物质和能量交换的季节动态与一年生草地土壤含水量的季节变化一致(Xu &amp；Baldocchi, 2004;刘等人，2011)。在开放生态系统中，草类也是地表燃料的主要成分，影响着区域火灾状况(vil<e:1>等人，2001；Rahlao et al., 2009；Balch et al., 2013)。因此，草物候阶段的变化直接影响野火动态：随着草燃料固化水平的提高，由于燃料湿度的降低，火灾风险增加(wititch, 2011；Cruz et al., 2015)。捕获一年生草物候、寿命和燃料条件及其对气候变率的响应，对于重建这些火灾易发生态系统的历史火灾状态和预测未来的群落动态具有重要意义。通过草的广义异速生长和物种特异性异速生长以及不同植物性状的模拟实验，我们解决了以下研究问题：(1)加州一年生草地叶片和茎间生物量分配和冠层结构的变化如何影响模拟生态系统的结构和功能？(2)哪些植物性状和生态过程在控制生态系统特性和火灾行为的平均状态中起重要作用，性状对生态系统特性的重要性如何随季节变化？我们还使用站点优化参数在加利福尼亚州的年草地上运行模型，验证模型的性能并确定草地年燃烧面积的主要驱动因素。我们假设：(1)尽管冠层结构存在差异，但叶片的碳分配高于茎的碳分配将导致更高产的生态系统；(2)控制叶片生理、植物物候和土壤水分敏感性的性状对控制生态系统能量和物质交换及其季节变化具有重要意义；(3)火灾行为是由燃料特性和关键生态过程（如死亡率和凋落物分解）共同决定的；(4)在区域尺度上，生态系统生产力的变化驱动着年燃烧面积。

本文章由计算机程序翻译，如有差异，请以英文原文为准。

求助全文

约1分钟内获得全文去求助

来源期刊

New Phytologist 生物-植物科学

自引率

5.30%

发文量

728

期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.