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基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有机碳动态模拟研究

李东  
【摘要】:青藏高原对气候变化的敏感性比低海拔地区的其他记录更强,具有提前的征兆。观测和历史代用资料分析显示,1980年以来我国开始的新暖期以及1955年以来10年尺度的温度波动都在青藏高原东南部的林芝、波密等站最先开始出现,然后逐渐向东向北传播,暖期相比我国东部地区要提前4~8年,百年尺度的冷暖变化亦比东部地区提前10~60年。现代尺度的气候观测显示,50年代中期以来青藏高原主体各台站都有暖化的趋势,尤其是冬季更为明显,年平均线性增温率为0.16℃/10a,冬季平均值为0.32℃/10a,增温幅度超过了北半球及同纬度其它地区。 土壤作为青藏高原生态系统的基质,在特定的大气条件下与动植物群落共同构成了系统的碳贮存和交换库。因此,在生态系统尺度上研究青藏高原土壤有机碳数量、分布、动态变化及其对不同系统行为的响应,不仅是区域碳循环的关键内容,而且也对定量控制某些管理措施,实现地区土地资源可持续利用具有重要意义。 CENTURY模型是研究草地生态系统C、N等元素循环而建立起来的综合模型,是当前应用比较广且较为成熟的土壤有机质动态模型之一。本研究利用文献调研的方法。通过对中国期刊网和维普科技期刊网相关文献的检索,获得高寒草甸区植被和土壤资料,结合地区气象站历年观测资料对CENTURY模型进行参数化后,利用可靠的野外原位观测数据对其有效性进行了验证、分析。在确认模型可用的情况下,对高寒草甸土壤有机碳库储量进行估测,并对气候变化及人类活动影响下土壤有机碳的动态响应过程进行了研究。同时,在模拟和预测了气候变化情景下草地管理措施对土壤有机碳影响的基础上,分析了人类干预式退化草地恢复措施对提升土壤有机碳汇功能的意义。旨在为研究寒草甸生态系统土壤有机碳对全球变化的反馈作用及区域草地资源的可持续利用提供依据。 基于通量观测数据的模型有效性检验结果表明:CENTURY模型模拟结果能总体反映高寒草甸土壤微生物呼吸CO2通量的实际变化。模拟值与观测值相关性显著(R2=0.89,P0.01),可以用来模拟不同气候情景及草地管理措施下高寒草甸土壤有机碳动态。 土壤有机碳动态模拟结果表明,自然状态下高寒草甸土壤有机碳在经历了一个快速积累过程后,积累速率逐渐趋于缓和并最终达到或接近稳定状态。稳定状态下,0~20cm土壤有机碳库储量约为76.0~76.9 t/hm2。其中活性、缓性和惰性土壤有机碳组分库分别为2.1~2.2、44.5~44.9和29.2~29.9 t/hm2,约占高寒草甸土壤有机碳库储量的2.8%、58.5%和38.7%。包括地下结构库和代谢库的土壤总碳库约为76.9~77.9 t/hm2。 1960~2005研究区气温呈波动性缓慢上升趋势,降水量则呈稳定的随机波动变化。土壤有机碳动态模拟结果表明,过去45年高寒草甸土壤有机碳库储量总体表现为振幅较为稳定的波动性缓慢上升的趋势,但这种变化趋势在模拟的后期并不显著,基本上呈小幅回落的趋势。整个模拟期(1960~2005),0~20cm土壤有机碳库储量变化范围在76.7~76.8 t/hm2之间。对土壤有机碳与气候因子(年均温度和降水量)之间进行的相关分析表明,气候波动对土壤有机碳的影响主要与温度变化引起的惰性土壤有机碳组分的变化有关,二者具有较为显著的负相关关系,相关系数r=-0.56(P0.01)。但整个模拟期由于惰性有机碳组分库的变化量很小,因而土壤有机碳在总体变化趋势上与温度的相关性不显著。降水量的波动变化对土壤有机碳及各组分库的影响均不显著。 放牧明显地降低了高寒草甸土壤有机碳库储量,且随着放牧强度的增加土壤有机碳下降趋势明显。连续放牧45年后轻度、中度、重度和冬季放牧高寒草甸0~20cm土壤有机碳库储量相比放牧前分别降低8.2%、10.6%、29.6%和7.3%。开垦对土壤有机碳的影响就强度而言要高于放牧活动。但在合理的管理措施下其影响程度明显低于放牧干扰。高寒草甸开垦并种植一年生燕麦草地后土壤有机碳在经历了一个快速增加又降低的过程后,其降低速率逐渐趋于缓和并最终接近人工草地群落下土壤有机碳的新动态平衡。平衡状态下,0~20cm土壤有机碳库储量约为64.4±0.57 t/hm2,其中活性、缓性和惰性土壤有机碳库分别为2.3±0.11、32.2±0.67和29.9±0.01 t/hm2,分别占一年生燕麦草地土壤有机碳库储量的3.5%、49.9%和46.6%。在不考虑农田土壤有机碳变化的情况下,高寒草甸开垦并种植一年生燕麦草地45年后,0~20cm土壤有机碳库相对开垦初期降低14.0%。 GCM预估结果表明,2006~2050研究区气温上升趋势明显,降水量总体变化不明显。土壤有机碳动态模拟结果表明,气候的进一步暖化将极有可能导致自然状态下高寒草甸土壤有机碳的微量减少,土壤有机碳表现为一个极弱的碳排放源。放牧高寒草甸也因气候变化和放牧活动的共同影响,土壤有机碳呈持续逐年下降的趋势,但其损失量要略低于过去45年。相对土壤有机碳的上述变化趋势,高寒一年生燕麦草地土壤有机碳的变化要相对较为缓和,土壤有机碳虽略有降低,但基本处于相对稳定的状态。两种排放情景下,0~20cm土壤有机碳库储量分别为63.6~62.7和63.6~62.5 t/hm2之间,平均值相对2005年土壤有机碳水平降低1.4%和2.0%。 人类干预式的退化草地恢复措施能显著增加土壤的固碳潜力。放牧高寒草甸围栏封育后土壤有机碳呈逐年积累的趋势,但从中度放牧强度下土壤有机碳的长期变化来看,围栏封育只能部分地恢复前期的碳损失,土壤有机碳不能完全恢复到放牧前的水平。以重度放牧高寒草甸为例,实施围栏封育45年后土壤有机碳库仅增加12.3%。连续施氮对土壤有机碳的积累过程效果明显。自然状态下的高寒草甸施氮45年后(9.2 g N/m2·a),0~20cm土壤有机碳库相对2005年土壤有机碳水平增加14.4%。表明草地围栏封育和施氮作为退化草甸恢复的辅助措施,可以有效的缓解和抵消未来气候变化对高寒草甸的潜在影响,对增加土壤的碳汇功能具有积极的作用。


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