气候变化对藏北高寒草甸CO_2净交换影响的模拟与预测

【摘要】：生态系统碳循环受气候变化强烈影响,同时在全球气候变化中发挥重要的调节功能。藏北高寒草甸生态系统是青藏高原最重要的生态系统,对气候变化响应极为敏感,其土壤碳储量高,碳汇潜力强,在碳平衡中发挥重要作用,对植被和大气界面间CO_2交换也具有显著贡献,但其CO_2净交换(NEE)响应气候变化的模型模拟研究仍较为缺乏。因此,为了科学评估高寒草甸源汇贡献,揭示生长季和非生长季NEE对气候变化的差异性响应,本研究基于Daycent模型,以藏北高寒草甸为研究对象,模拟分析1971-2017年藏北高寒草甸NEE变化,探讨高寒草甸NEE对气候变化的响应与适应过程,并模拟未来(2020-2099年)不同气候变化情景下,高寒草甸碳收支格局动态变化趋势。主要结论如下:(1)Daycent模型适用于模拟高寒草甸NEE动态变化。通过藏北那曲站点2012-2017年高寒草甸NEE通量数据对Daycent模型的校验和验证表明,模拟值和实测值保持了较高的一致性,R~2值在0.62-0.91之间,RMSE值范围为0.32-0.74 gC·m~(-2);比较不同季节模拟效果,发现生长季NEE的模拟效果(R~2=0.35)优于非生长季(R~2=0.12)。(2)1971-2017年,藏北那曲气温呈显著上升趋势(p0.05)。年平均气温每十年上升0.5°C(R~2=0.69),非生长季增温较生长季更为强烈,其平均气温增速分别为0.6°C/10a(R~2=0.58)和0.4°C/10a(R~2=0.62)。年降水量为446.6 mm,且89%的降水集中在生长季,降水量年际和季节性波动较大,无显著变化趋势。藏北高寒草甸表现为弱碳汇。年NEE为2.7±2.8 gC·m~(-2),其中生长季为CO_2净吸收,为119.2 gC·m~(-2),非生长季为CO_2净排放,为116.5 gC·m~(-2),NEE年际和季节性波动较大,无显著变化趋势。(3)未来气候情景下,藏北气候呈暖湿化趋势。以1971-2017年实测气候数据为基准,2020-2099年RCP4.5和RCP8.5情景下气温和降水量均显著升高(p0.05)。其中RCP8.5情景下增速较快,年平均气温较基准时段的-0.6°C升至2.2°C,同期年降水量由446.6 mm增至598.5 mm,非生长季平均气温升温率(0.8°C/10a)较生长季(0.7°C/10a)更快,生长季降水量增速(24.6mm/10a)大于非生长季(5.1 mm/10a)。未来情景下藏北高寒草甸表现碳汇功能。相对于基准时段,RCP8.5情景下年NEE显著升高为10.6±1.7 gC·m~(-2),生长季NEE显著升高为129.0 gC·m~(-2)(p0.05),而两情景下非生长季NEE均无显著变化(p0.05)。在生长季NEE呈显著增加,非生长季NEE呈显著降低趋势(p0.05)的情况下,NEE年际波动较大,无显著变化趋势。因而,在未来暖湿化情景下,高寒草甸生态系统碳汇将增强,且主要表现为生长季固碳能力增强。综上,在当前藏北气候变暖情况下,高寒草甸呈碳汇,而在未来气候暖湿化趋势下,高寒草甸碳汇功能将增强。藏北高寒草甸NEE对气候变化的响应具有明显的季节性,虽然非生长季增温幅度显著高于生长季,但非生长季NEE在未来气候变化情景下无显著变化;而生长季气温相对较高降水充沛,暖湿化趋势使高寒草甸碳汇功能明显加强。由此可见,高寒草甸适应能力较强,能充分利用暖湿气候情景下有利的生长季水热条件,促进碳吸收增加。