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基于Biome-BGC模型的秦岭石头河流域植被生产力模拟及其对气候变化的响应研究

张越  
【摘要】:气候变化和CO_2浓度升高改变植物生长条件,影响植物生长发育过程和水分循环过程,对植被总初级生产力、净初级生产力、净生态系统生产力产生重大影响,研究气候变化背景下植被生产力的动态与响应具有明显的理论与现实意义。秦岭作为我国重要的地理分界线,区域植被生长对气候变化的响应较为明显。过去的研究多集中在利用数学统计模型和遥感估算模型研究秦岭植被生长的时空分布特征及生态系统碳循环,缺乏长时间序列的植被生产力对气候变化的响应研究,不利于进行气候因素对植被生产力影响的时间纵向分析。本文运用Biome-BGC模型模拟了1959-2016年秦岭石头河流域落叶阔叶林、常绿针叶林、落叶针叶林、高山灌木和草甸共5种植被类型的生产力动态变化,基于植被生产力与气候要素的相关分析探究其对气候变化的响应,通过未来气温、降水和大气CO_2浓度定量情景的模拟结果间的对比分析,估算单位气候因子变幅对生产力的作用强度,另一方面选取秦岭地区降尺度气象数据预测了本世纪早、中、末期研究区各植被类型生产力状况,此外对研究区模型参数的敏感性进行了初步探讨。研究结果表明:(1)1959-2016年研究区落叶阔叶林多年平均植被生产力(GPP、NPP、NEP)各为1136.67、638.02、30.89 g C m~(-2)a~(-1),常绿针叶林平均植被生产力各为880.69、362.38、39.85 g C m~(-2)a~(-1),落叶针叶林平均植被生产力为501.56、328.59、31.24 g C m~(-2)a~(-1),高山灌木平均植被生产力为687.92、203.74、15.02 g C m~(-2)a~(-1),高山草甸平均植被生产力为306.36、179.41、38.62 g C m~(-2)a~(-1);总体而言,58年来各植被类型的生产力年际变化特征基本一致,GPP、NPP呈波动中轻微上升趋势,其中GPP上升态势强于NPP,NEP在波动中保持平稳;(2)各植被类型的年GPP、NPP、NEP对年气温、降水和CO_2浓度变化的响应具有差异性,各月GPP、NPP、NEP对当月气温、当月及前一月降水的响应也具有明显的差异性;(3)未来气温整体升高、降水总量增加、CO_2浓度整体升高均会影响研究区植被生产力增长,气温整体上升1℃、降水总量增加5%、CO_2浓度整体升高至50μmol mol~(-1),导致研究区各植被GPP、NPP、NEP增加或减少的量存在较大差异,GPP、NPP、NEP正负向作用排序也较为不同;(4)本世纪内早、中、末期,除落叶阔叶林GPP、NPP呈现逐期递减趋势,NEP保持平稳外,其他植被类型GPP、NPP均逐期增加,NEP基本平稳;年内植被生产力均表现出夏高冬低的特征,NEP均表现出“夏正冬负”特征,夏季月份多为“碳汇”月,冬季月份多为“碳源”月;(5)Biome-BGC模型中叶片碳氮比、细根碳氮比、Rubisco中叶片氮的比例、新生细根与叶片的碳分配等参数在研究区植被类型下表现出较高的敏感性;年活立木周转率、细根碳氮比、Rubisco中叶氮的比例等为正影响性参数,叶片碳氮比、最大气孔导度、新生细根与叶片的碳分配比等为负影响性参数。


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