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美国森林碳源汇分布的模拟研究

张方敏  
【摘要】:森林是陆地生态系统碳汇的主要来源,在全球碳循环中占重要地位。美国森林面积占74000万英亩(美国总面积的1/3),很多研究认为目前美国森林生态系统为碳汇,但是碳汇的大小及影响碳源汇变化的机制存在很大的不确定性。近年来随着气候变化加剧(如高温、干旱等)、大气组成变化加快(如CO2浓度升高、氮沉降加深等)、森林扰动事件增加(火灾、虫害和砍伐等)、森林的衰老等都对森林固碳能力产生了一定的影响。随着扰动和年龄效应影响森林碳源汇分布的重要性逐渐被认知,认清碳源汇的变化及分布、定量分析不同影响因子对碳源汇的贡献有利于预测森林固碳能力对未来气候变化的影响。InETC (Integrated Terrestrial Ecosystem Carbon Cycle)模型是一个考虑扰动(如火灾、虫害、砍伐等扰动及年龄效应)和非扰动因子作用(如气候变化、CO2浓度、氮沉降)的过程模型。本研究对InTEC模型进行本地化改进及验证后,采用扰动和非扰动因子驱动InTEC模型模拟并定量分析美国森林1901-2010年间碳源汇的变化特征,考虑三种扰动和三种气候情景预测美国森林2011-2100年间的碳源汇情况。主要研究内容和结论如下: (1)首先通过森林类型、初级净生产力(NPP)和年龄的关系、升级模型非扰动因子的时间积分步长改进InTEC模型,通过用美国森林通量站的通量数据和森林清查数据进行验证和评价,结果表明改进后的InTEC模型可以很好的进行区域碳循环模拟研究,为进行美国森林的碳源汇分布模拟研究提供了一个有效而可靠的手段。 (2)根据改进后的InTEC模型,利用扰动、非扰动因子、森林植被信息和土壤资料等模拟并分析1901-2010年间美国森林碳源汇的时空分布。结果表明在20世纪40年代以前美国森林生态系统表现为一个弱碳汇,在1950-2010年间美国森林的碳汇年均为206 Tg C,其中87%的碳汇分布在森林植被中,13%的碳汇分布在森林土壤中。碳汇呈增加趋势(增长率为1.9 Tg C),在20世纪70年代森林植被的碳汇达到最大,在20世纪80年代初期土壤碳汇达到最大,总碳汇在20世纪70年代末期和80年代初期达到最大。由于从植被掉落物到土壤其他碳库转变比较慢,土壤碳源汇的变化落后于植被碳源汇变化-8年。从时间演变上,在1941-1950年间美国森林碳汇主要分布在中西部的落基山区,从1960年代碳汇转移到东北区,在1980年代向美国南部扩张,1990年代后大西洋中部地区转移到美国东南部。 (3)根据历史扰动和非扰动资料设计不同的试验,定量模拟并分析扰动因子和非扰动因子对美国森林碳源汇变化的影响。结果表明不同因子的影响作用具有明显的区域和年代际特征。扰动因子对1901-2010年间碳源汇积累总量的贡献占82%,非扰动因子的贡献占18%。在所有的非扰动因子对碳源汇积累量的贡献中,CO2作用占3%,氮沉降作用占10%,气候变化作用占-1%。美国东部的扰动因子对碳源汇积累总量的贡献小于美国西部(77% vs.102%)。在美国东部氮沉降的贡献(12%)大于CO2(3%)和气候变化(6%),在美国西部CO2的贡献(8%)大于氮沉降(3%)和气候变化(-26%)。在1950-2010年间,不考虑扰动因子的作用,美国的森林碳汇将减少95 Tg C yr-1;不考虑非扰动因子的作用,美国森林碳汇将减少50 Tg C yr-1。1980年代以前扰动因子对美国森林碳汇的贡献大,在1980和1990年代非扰动因子的作用大于扰动因子的作用。 (4)基于美国森林历史碳源汇状况和现有的森林植被信息,设计未来不同的扰动情景,根据未来气候(CGCM2 A2、B2和控制)和扰动(扰动且年龄变化、无扰动但森林衰老、无扰动且年龄不变)情景,预测未来美国森林碳源汇的变化情况。结果表明,年龄效应和森林扰动仍然是影响碳源汇的首要因子。在2011-2100年间,美国森林在三种扰动模式下都表现为碳汇,但是当未来没有扰动且森林一直衰老的情况下美国森林的碳汇会下降,在存在扰动且森林年龄变化或者没有扰动且森林年龄保持不变时,21世纪末期美国森林的碳汇比当前水平增加。B2气候情景下扰动模式对碳源汇的影响和A2气候情景下扰动模式对碳源汇的影响相似,但是碳汇相对较小。未来的CO2浓度和氮沉降作用会持续增加碳汇,并且CO2浓度升高对美国森林碳源汇的增加作用比氮沉降的作用大,但是两者对碳源汇的影响作用基本都在21世纪后50年会到达饱和(除了没有扰动且森林年龄保持不变时),但是饱和的时间不一致。气候变化对碳源汇变化的影响作用比较小。扰动情景在2011-2050年间对碳源汇的正效应相对比较大,2051-2100年间所有的扰动模式对碳源汇的正效应都减少,并且表现出不同的特征。


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