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中国北方草原物候、生产力和土壤碳储量对气候变化的响应

赵文龙  
【摘要】:草原是由耐寒的旱生多年生草本植物为主组成的植物群落,草原生态系统是全球范围内分布最广的生态系统之一。中国草原分布较广,约占国土面积的25%,主要以分布在北方干旱/半干旱气候区的温性草甸(Temperate Meadow)、温性草原(Temperate Steppe)和温性荒漠草原(Temperate Desert Steppe),以及青藏高原气候区的高寒草甸(Alpine Meadow)、高寒草原(Alpine Steppe)和高寒荒漠草原(Alpine Desert Steppe)为主。本研究在利用遥感观测数据对中国北方草原物候特征进行提取和分析的同时,开发了基于ArcGIS-CENTURY模型的空间模拟系统,旨在对我国北方草原植被净初级生产力及土壤碳循环对气候变化的响应进行评估和分析。 中国北方草原中,温带地区草原(包括温性草原、温性草甸以及温性荒漠草原)地表潜在蒸散发总量大于高寒地区(包括高寒草原、高寒草甸以及高寒荒漠草原),使温带地区草原水分利用效率较低,其中温性荒漠草原最低(1.65g DMm-2cm-2)。青藏高原草原植被生产力普遍较温带地区高,其中高寒草甸地上生物量积累能力最强,最高达到了500g DM m-2yr-1。1982-2006年间,中国北方草原植被生长季开始日期提前0.21days yr-1,结束日期推后0.18days yr-1,草原植被生长季的持续时间平均延长0.39days yr-1;其中,高寒草原延时最长,约为0.73days yr-1。 对CENTURY模型进行空间化编译的同时,以10km为分辨率对模型运行所需要的数据及参数进行了空间化处理。根据2002-2006年间草原野外调查及文献数据对模型进行了有效性检验,地上生物量及土壤有机碳密度的模拟结果与观测值均有较好的拟合度(R2分别为0.83和0.56)。模拟结果显示,中国北方草原平均土壤有机碳密度约为4.6kg C m-2(0-20cm),其中高寒草甸最高,达到7.53kg C m"2,温性草甸和温性草原分别为5.31kg C m-2和3.59kg C m-2,而温性荒漠草原和高寒荒漠草原最低,分别仅为1.95kg C m-2和2.43kg C m-2。我国北方草原土壤(0-20cm)有机碳总储量为12.36Pg C(1Pg=1015g),其中70%储存于高山草原地区,高山草原地区土壤有机碳储量达到温带草原地区的2.29倍。 我们以过去近50年(1961-2009)的气象观测值为基准数据,在对比多个气候模型预测结果后(Canadian Climate Center和Geophysical Fluid Dynamics laboratory High Scenario气候模式预测到本世纪末地表温度将平均升高3℃to6℃),设定了50年间温度升高4℃的气候变化情景,模拟气候变暖对我国北方草原土壤有机碳的影响。结果显示,温度升高对我国北方草原土壤碳储量的影响存在较大的空间差异,相同的温度增幅引起高寒草甸和高寒草原土壤有机碳含量分别下降4.7%和2.6%,温性草甸和温性草原下降率为2.9%和2.3%,高寒荒漠和温性荒漠仅为1.7%和0.3%。该结果预示,如果未来气候变暖持续发生,高寒草甸土壤活性将显著增强,可能成为我国草原生态系统中最大的潜在碳释放源。 较高的C02浓度可以提高植被光合效率和水分利用效率,从而通过提升植被生产力来改善土壤碳输入能力,这使大气C02浓度升高可以在一定程度上抵消由温度升高引起的土壤碳流失。在近50年的气候变暖情景中,如果同时大气C02浓度累计上升到初始浓度的2倍(初始浓度为318ppm, IPCC),我国北方草原由于升温4℃引起的土壤碳流失量中将有约13%被抵消。从空间格局来看,这一影响在温性荒漠草原和高寒荒漠草原地区尤为明显,抵消率分别为45%和75%;温性草甸和温性草原地区分别为31%和19%;而在高寒草甸和高寒草原地区低效率仅为9%和14%。 总体看来,中国北方草原过去25年植被生长季有所延长,但不同地区延长幅度各异;高寒草甸土壤有机碳储量最高,但气温持续升高将导致其成为我国草原中最大的潜在碳源;大气CO2浓度升高虽然是气候变暖的主要动因,但在土壤碳扣押方面却有着积极作用。本研究限于陆地植被生态系统对气候变化的单方面响应,在未来的研究中,将进一步揭示其与大气系统、水资源系统以及人类社会系统间的相互作用及反馈机制,力求更为科学全面的评估全球变化对陆地生态系统带来的影响。


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