新疆陆地生态系统净初级生产力和碳时空变化研究
【摘要】：
本文以过程机理模型为主要研究手段对新疆陆地生态系统碳循环近20年来的时空格局变化及其对气候变化的响应进行了定量估算,旨在通过研究探索新疆陆地生态系统碳收支时空格局和演化规律及其对气候变化的响应机制。依据这一研究目的,我们建立了新疆气候和土壤数据库,并对机理型生态系统模型OLECM进行了相应改进,应用此数据库和模型,对1981～2000年间新疆陆地生态系统碳通量,包括净初级生产力(NPP)、土壤呼吸(HR),净生态系统生产力(NEP)等以及土壤和植被碳储量的时空分布格局进行了较为全面的定量估算,并利用以遥感数据为输入的GLO-PEM模型模拟得到的相同时段内NPP数值与OLECM的NPP结果进行了比较。本文同时对研究区内从上世纪50年代到21世纪初,这一时段内降雨和温度的时空分布格局进行较为深入细致的综合分析。通过研究,主要得到以下几方面的认识:
1. 1981～2000年间,新疆陆地生态系统NPP总量波动于0.149～0.195Gt C/yr (1Gt=1015 g)之间,平均约为0.175 Gt C/yr,约占全国NPP总量的约4.87～5.4 %;20年间,NPP在波动中呈现明显的增长趋势(Trend = 0.00142 Gt C/yr2,P0.01),且具有明显的年际和年代际变化,与20世纪80年代相比,20世纪90年代的NPP总量增加了0.014 Gt C/yr,但区域差异较大,增长趋势明显的地区主要集中在天山北坡一带和昆仑山系一带的部分地区,而在塔城盆地和额尔齐斯河与乌伦古河间地等地区NPP有减少的趋势;NPP时空变化因土地覆被类型的不同而有所差异,绝对增长量最大的是其它林地、林地和居民利用地,增长量分别为64.19 gC/m2、44.48 gC/m2和31.97 gC/m2;与20世纪80年代相比,有1类土地覆被类型在90年代的NPP出现减少,灌丛生态系统绝对增长量为-14.39 gC/m2。
不同自然区的NPP时空格局亦有较大差异就空间格局来看,从新疆NPP 80年代到90年代的变化得到,全疆大部分地区NPP都呈增长状态,而NPP下降区分布在准噶尔盆地北部、古尔班通古特沙漠和昆仑山北麓山前平原东段,在10年中NPP呈现降低的状态,其分别降低为1.95 gC/m2、0.55 gC/m2和2.63 gC/m2,罗布洼地为降低最大的地区;伊犁谷地、天山北麓山前平原西段和喀什-莎车三角洲等区域在10年中NPP呈现较大的增长状态,其绝对增长量分别为23.46 gC/m2、38.29 gC/m2和41.58 gC/m2,从结果可得到天山北麓山前平原西段为北疆地区中增长最大的地区及喀什-莎车三角洲为南疆地区中增长最大的地区。
2. 1981～2000年间的HR变化范围在0.147～0.211 Gt C/yr之间,平均值为0.173 Gt C/yr,增长趋势为0.013 Gt C/yr2,大大高于NPP的增长趋势,这也决定了研究时段内NEP是一个逐渐减少的趋势。从1981～2000年,年NEP总量变化于-36.4～25.7 Tg C/yr之间,平均约为1.7 Tg C/yr,单位平均值约为1.03 g C/m2/yr,由此可见,近20年,新疆陆地生态系统是一个弱碳汇,年碳吸收量较少,20年总碳吸收量约为33.9 Tg C,约占全国同期总碳吸收量的2.7～3.0%,其中土壤碳增加了13.5 Tg C,植被碳增加了20.4 Tg C;从新疆陆地碳汇和碳源的明显空间差异状况来看,在其20年时期,主要起弱碳汇的作用,尤其是90年代,其碳吸收量占1981～2000年总碳吸收量的70%左右,80年代后期到90年代中期碳吸收量显著增加,尤其是新疆北疆地区NEP从80年代的初期到90年代的末期,NEP一直处于碳汇区域,在90年代初期达到最高随后有较大降低,南疆地区NEP从80年代初期到90年代末期一直处于弱碳源。
3.研究时段内,新疆陆地生态系统总的碳储量约为7.49 Gt C,其中植被储量波动于0.146～0.191 Gt C/yr之间,平均约为0.171 Gt C;土壤碳储量波动于6.86～8.06 Gt C/yr之间,平均约为7.32 Gt C。植被碳和土壤碳密度分别约为0.11 kg C/m2和4.5 kg C/m2。新疆土壤碳密度相对较低,一般低于5 kg C/ m2,但在新疆天山山脉等地区,土壤碳密度较高,一般在3～10 kg C/ m2之间;准噶尔盆地西南部等地区,其土壤植被碳可达10～15kg C/ m2左右;而南疆的喀什-莎车三角洲等地区土壤碳密度平均在7～10 kg C/m2;整个昆仑山山系土壤碳密度较小,最大仅有3.3 kg C/m2,最小0.18 kg C/m2,平均在1.2 kg C/m2左右,整个南疆地区土壤碳密度较北疆地区小。
新疆陆地植被碳密度的空间分布同土壤碳密度一样具有西北高、东南低的特点,同时也出现塔城盆地地区和伊犁谷地地区的两个高值区,植被碳密度在0.4 kg C/m2左右。在北疆的阿尔泰山区西段等地区,其植被碳密度属于也属次高值区域,为0.3 kg C/m2以上;额尔齐斯河等地区植被碳密度属于一般值区域,在0.15～0.3kg C/m2之间;而北疆的其他地区植被碳密度属于低值区域,在0.07～0.15kg C/m2之间,伊吾-淖毛湖盆地为最小0.07kg C/m2;南疆的尤勒都斯盆地等地区,其植被碳密度属于高值区域,在0.2 kg C/m2以上;喀什-莎车三角洲等地区植被碳密度属于一般值区域,在0.15～0.2kg C/m2之间;而南疆的其他地区植被碳密度属于低值区域,在0.0～0.1kg C/m2之间,整个昆仑山山系最低接近0。
4.在50年期间的年降雨量变化曲线整体上也是呈增长的态势,其增长直线为Y=0.4752X+83.771且增长率达到0.4752。新疆地区50年平均降雨量为96.13mm,在年变化曲线中可以得到从50年代末期到80末期降雨量基本在96.13mm水平,但从90年代初期年平均降雨量开始逐渐增多并持续到目前,从2000年到目前年降雨量平均达到108.09mm,其增长量为11.86mm,在21世纪开始降雨量增加是比较快的。
在同时间段年平均温度变化曲线整体上也是呈增长的态势,其增长直线为Y=0.02803X+7.2487且增长率达到0.028。新疆地区50年平均温度为7.98℃,在年变化曲线中可以得到从50年代末期到80末期温度基本维持在7.70℃水平,低于50年平均温度,但从90年代初期年平均温度开始逐渐增多并持续到目前,从2000年到目前年温度平均高达8.84℃,其增长量为1.14℃,在21世纪初平均温度增加是比较快的。
【关键词】：新疆陆地生态系统 碳循环 气候变化 模型模拟 遥感 【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：Q14
【目录】：
- 摘要3-6
- ABSTRACT6-13
- 第一章 引言13-34
- 1.1 论文选题依据13-16
- 1.1.1 净初级生产力与碳循环研究意义13-14
- 1.1.2 新疆地区净初级生产力与碳循环研究意义14-15
- 1.1.3 目前陆地生态系统NPP和碳研究的薄弱环节15-16
- 1.2 文献综述16-19
- 1.2.1 生态系统NPP的研究16-19
- 1.3 遥感在NPP中的研究19-25
- 1.3.1 植被遥感原理19-21
- 1.3.2 光合有效辐射21-22
- 1.3.3 光和利用率22
- 1.3.4 碳库及陆地碳循环22-23
- 1.3.5 陆地生态系统碳循环的基本过程23-25
- 1.4 陆地生态系统碳循环的主要研究方法25-27
- 1.4.1 清单调查方法(Inventories)25
- 1.4.2 通量测定法(Flux measurements)25-26
- 1.4.3 大气反演模拟法(Atmospheric Inverse Modeling)26
- 1.4.4 生态模型模拟法(Ecological modeling)26-27
- 1.5 陆地碳循环模式主要分为以下几种27-30
- 1.5.1 生物地理模型27-28
- 1.5.2 生物地球化学模式28
- 1.5.3 基于遥感的估算模型28-29
- 1.5.4 生态系统与气候动态耦合模式(Dynamic ecosystem-climate coupling model)29-30
- 1.6 陆地生态系统碳循环发展趋势30-34
- 第二章 研究方法与数据处理34-48
- 2.1 研究方案34
- 2.1.1 研究目标34
- 2.2 研究模型介绍34-41
- 2.3 研究内容、方案41-42
- 2.4 研究基础条件42-43
- 2.4.1 研究基础条件42-43
- 2.4.2 模型运行43
- 2.5 模拟结果的比较和验证43-48
- 2.5.1 NPP 与遥感数据的比较46
- 2.5.2 与实测数据的比较验证46-48
- 第三章 新疆50 年气候变化规律分析48-76
- 3.1 新疆自然区划48-51
- 3.2 气候数据准备与处理51-52
- 3.3 新疆37 个自然区划在50 年间降雨变化52-56
- 3.3.1 结果与分析53-56
- 3.4 新疆37 个自然区划在50 年间温度变化56-59
- 3.4.1 结果与分析56-59
- 3.5 新疆月和季度气候分析59-64
- 3.6 新疆自然生态区划气候时空格局分析64-74
- 3.6.1 新疆50 年降雨量时空格局变化65-69
- 3.6.2 新疆50 年温度时空格局变化69-74
- 小结74-76
- 第四章 新疆陆地生态系统NPP时空格局及气候响应76-102
- 4.1 新疆NPP时空分布格局76-78
- 4.1.1 NPP 年际变化76-77
- 4.1.2 NPP 5 年际和年代际间变化77-78
- 4.1.3 NPP 季节变化78
- 4.2 NPP 空间格局分析78-86
- 4.2.1 空间分布特点及变化趋势79-82
- 4.2.2 新疆NPP年际和年代际空间格局82-86
- 4.3 新疆NPP 季节空间分析86-88
- 4.4 新疆NPP 的垂直地带性88-90
- 4.5 不同土地覆被类型的NPP 时空变化90-92
- 4.6 新疆NPP 时空矩阵转移变化92-96
- 4.7 气候变化对NPP 的响应96-100
- 4.7.1 NPP 变化与温度和降水的关系97-100
- 小结100-102
- 第五章 新疆土壤呼吸与净生态系统生产力时空格局102-118
- 5.1 新疆陆地生态系统土壤呼吸的时空格局103-108
- 5.2 NEP 时空格局特征及其演变108-114
- 5.2.1 NEP 时空格局变化108-114
- 5.3 不同土地覆被类型的NEP 时空变化114-116
- 小结116-118
- 第六章 新疆陆地生态系统碳贮量时空格局变化118-127
- 6.1 新疆陆地生态系统碳储量时间变化119-120
- 6.2 土壤碳储量和碳密度的时空分布120-123
- 6.2.1 土壤碳密度的空间分布121-122
- 6.2.2 不同土壤质地下的土壤碳密度122-123
- 6.3 植被碳密度的时空分布123-125
- 6.3.1 植被碳密度空间分布123-124
- 6.3.2 不同覆被类型下的土壤和植被碳储量与碳密度124-125
- 小结125-127
- 第七章 研究结论及展望127-136
- 7.1 主要研究结论127-133
- 7.1.1 新疆近50 年气候变化127-128
- 7.1.2 NPP 时空格局变化128-130
- 7.1.3 HR 与NEP 时空格局变化130-132
- 7.1.4 土壤和植被碳储量变化132-133
- 7.2 工作中存在的问题133-134
- 7.3 未来工作展望134-136
- 参考文献136-149
- 备注149-150
- 致谢150-151
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