论文总字数：26446字

目 录

目录……………………………………………………………………………………………………ǀ

摘要 …………………………………………………………………………………………………III

Abstract ……………………………………………………………………………………………IV

第一章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 草地生态系统碳循环研究进展 1

1.2.2草地生态系统生产力 2

1.2.3 草地生态系统碳循环研究方法 2

1.3 主要研究内容及研究目标 3

第二章 材料与方法 3

2.1 研究区概况 3

2.1.1地理位置 3

2.1.2 气候条件 4

2.2数据来源 4

2.2.1气象数据 4

2.2.2土壤数据 6

2.3 Biome-BGC模型 7

2.3.1 Biome-BGC模型简介 7

2.3.2 Biome-BGC模型的运行 9

2.3.3 Biome-BGC模型验证 10

第三章 结果与分析 11

3.1模型验证结果 11

3.2 中亚草地生态系统NPP模拟 11

3.2.1 1979-2011年草地NPP的年际变化趋势 12

3.2.2 1979-2011年草地NPP的空间分布格局 12

3.3中亚草地生态系统NEP模拟 14

3.3.1 1979-2011年草地NEP的年际变化趋势 14

3.3.2 1979-2011年草地NEP的空间分布格局 14

3.4中亚草地生态系统碳储量模拟 16

3.4.1 1979-2011年草地碳储量的年际变化趋势 16

3.4.2 1979-2011年草地碳储量的空间分布格局 16

第四章 结论与展望 18

4.1 主要研究结论 18

4.2 研究中的不足 18

4.3展望 19

参考文献 19

致谢 ………………………………………………………………………………………………23

气候变化对中亚草地生态系统碳循环的影响

陆研

，China

Abstract：Accurately evaluate grassland ecosystem productivity, carbon source/carbon sink function，analyz the impact of climate change and human disturbance on the grassland carbon cycle,is crucial for grassland resource’s reasonable development and effective protection. The grassland ecosystem in Central Asia is a typical arid grassland ecosystem in the world, which is sensitive to climate change and human disturbance,therefore,correctly estimate and analyz its carbon cycle dynamic process is of great significance in in the regional and even global carbon cycle. In this study，we take grassland ecosystem of Central Asia as the study area， and use biogeochemical cycle model BIOME-BGC to simulate carbon dynamics in Central Asia for grassland ecosystem. The results show ：1）in 1979-2011,The NPP annual average of the grassland ecosystem in Central Asia was 135.6 gC·m^-2·a^-1, Kyrgyzstan had the largest NPP value and Turkmenistan was the smallest;2）In the past 33 years, the average value of NEP in Central Asia was -8.3 gC·m^-2·a^-1, which was expressed as carbon source, from the spatial distribution, Kazakhstan is the most important carbon source in Central Asia;3）in 1979-2011,The annual average of carbon reserves per unit area of grassland ecosystem in Central Asia was 5938.6 gC·m^-2·a^-1, and the trend of carbon reserves were nearly linear downward.This study realized the application of BIOME-BGC model to grassland ecosystem in Central Asia, which is vital to  evaluate the carbon source/carbon sink function and figure out its role in globle change and carbon cycle of grassland ecosystem in arid area, to realize sustainable utilization of grassland ecosystem, and to perfect the theory system of regional and global carbon cycle.

Key words：climate change grassland ecosystems Biome-BGC carbon cycle

第一章 绪论

1.1选题的背景及意义

20世纪以来，全球生态系统都在经历着气候变化带来的巨大改变^[1,2,3],据IPCC的第五次评估报告指出，2011年全球的二氧化碳浓度已达到391ppm，较之工业革命前的280ppm，全球的CO₂浓度上升了40%，地球表面的平均温度升高了0.85℃^[2]。亚洲中部干旱区是气候变化最敏感的区域之一，尤其近40年，亚洲中部干旱区温度和降水时空格局显著变化^[4]，这使得干旱区水分循环发生了相应的变异。这种变异对草地生态系统的格局与过程会产生深刻影响^[5]。

研究全球和区域碳循环的形成与控制机制、碳源/碳汇功能与分布，及其在全球变化背景下的响应一直是国际地球生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、全球环境变化国际人文因素计划（IHDP）等组织的共同关注的重点问题^[6]。然而，亚洲中部干旱区草地是全球碳循环估算中最不确定的地区之一。亚洲中部干旱区气候变异显著^[4]，其对草地生态系统结构与功能的影响，尤其在草地生产力和碳动态方面，还缺乏系统深入的研究，IPCC第五次报告指出，由于干旱区特殊生理生态过程的影响，全球气候模式（GCM）在该区表现不佳，导致过去对于中亚生态系统碳循环的研究存在极大不确定性^[7]。

不断增强的放牧活动和剧烈的气候变化，使得亚洲中部草地生态系统面临着严峻的社会和生态环境问题，亚洲中部干旱区草地荒漠化面积正在以每年0.5%-0.7%的速度增加^[7,8]。过渡放牧是草地退化或荒漠化的主要原因，而气候变异则会加速这一过程。同时，草地荒漠化也会通过改变地表辐射和湿度反过来影响气候系统。如何理解亚洲中部地区草地生态系统-气候系统之间的相互作用机理和响应机制，是改善亚洲中部干旱区草地生态系统生态环境，促进区域可持续发展的必要基础。揭示亚洲中部干旱区草地生态系统结构和功能对于气候变化和人类活动的响应的内在机理和过程，是发展于完善全球干旱区草地生态系统碳循环研究的重要内容。

国内外专家学者建立了不同时空尺度上的一系列静态和动态碳循环过程模拟模型，如MAIMI^[9]、CASA^[10]、TEM^[11]、BIOME-BGC^[12]等，以研究区域气候变化对草地生态系统结构与功能的影响。其中由美国Montana 大学的陆地动态数值模拟研究组（Numerical Terradynamic Stimulation Group，NTSG）提出并不断得到完善的Biome-BGC模型，在缺乏实测数据的干旱地区也能够较好地模拟和反映碳循环的时空变化格局，已被广泛应用于区域植被生态系统碳循环研究^[13]。

因此，本研究拟基于改进的Biome-BGC模型，分析亚洲中部干旱区草地生态系统生产力和碳动态特征对近30年气候变异的响应。本项研究丰富了干旱区草地生态系统结构与功能影响的研究内容，尤其是在气候波动对草地生产力和碳动态特征的影响方面，将促进干旱区草地生态学的发展。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 草地生态系统碳循环研究进展

草地是地表广泛分布的植被类型之一。由于全球排碳量中有相当大的一部分是被草地植被所固定的，所以估算草地生态系统碳储量对于评价草地在全球变化中的生态价值和贡献，维持全球碳收支平衡，完善陆地碳循环理论具有重大意义^[14,15]。不同于森林等其他陆地生态系统，草地生态系统的地上碳库并不明显，其碳储量绝大部分集中在土壤中^[15]。早期草地生态系统碳循环的研究侧重于草地群落土壤呼吸和碳平衡^[16,17]。目前，估算全球草地生态系统的碳储量、大气CO₂浓度升高以及气候变暖对人类活动和社会经济发展的潜在影响逐渐成为重点研究内容。近年来的研究工作，已在草地生态系统碳收支的定量分析取得一定进展，但植被覆盖、土地利用方式，区域气候以及人类干扰在时空上的差异，导致不同草地生态系统的固碳能力存在极大差异，增加了草地生态系统碳循环研究的不确定因素。国内外学者对全球和区域不同的草地生态系统展开研究，其中高寒草甸草原和温带草原受到了格外关注^[18,19]，但对干旱区草地的研究还较为少见。

1.2.2草地生态系统生产力

草地生态系统生产力是草地植被经过光合作用在单位时间、单位面积内所固定的有机物总量，表征草地生态系统的生长质量状况，在研究全球陆地碳循环中有着重要的作用^[18]。目前，对草地生态系统生产力的研究手段主要有观测和模拟两种。基于不同的研究模型和方法下草地净初级生产力对于不同气候变化因子的响应结果是不尽相同的。部分研究认为气候变暖能使草地生产力增加，Morgan等^[20]指出，在未来温度上升2.6℃ 的情景下，美国矮草草原的生产力将升高^[21]。周华坤等^[22]采用国际冻土计划模拟增温效应的结果表明，在温度升高超过 1℃的情况下，各类草地生态系统的地上生物量均有所增加，其中禾草类增加12.30％，矮嵩草草甸增加3.53％ ，莎草类增加1.18％^[21]。但也有研究认为，气候变暖会使NPP降低。 肖向明等^[23]基于CENTURY模型模拟的结果显示，受气候变暖以及水分条件限制的影响，环境中CO2浓度将会升高，从而引起大针茅草原和羊草草原的NPP明显下降^[21];张国胜等^[24]关于高寒草甸牧草生长的研究显示，尽管气温总体呈升高的趋势，但牧草返青期气温回升的速率在逐年放缓，牧草枯黄期气温的降低速率在逐年增加^[21]；年降水总量虽有所增加，但是主要集中在冬季，不利于植被的生长发育，优势牧草嵩草的生长高度降低，高质量牧草大量减产，生物量减少，进而导致草地生产力下降^[21,25]。

1.2.3 草地生态系统碳循环研究方法

草地生态系统碳循环是一个复杂的过程，使用单一的评估方法存在一定的局限性。因此，国内外专家学者针对不同研究尺度发展并完善了一系列研究方法。基于小尺度的开顶式生长箱 (OTC)、涡度相关法(Eddy covariance measurements) ^[26]、自由CO₂浓度升高试验 (Free-Air CO2 Enrichment，FACE) ^[27]。基于大尺度生态系统上有模式模拟法(Pattern modeling)、详查法(Inventories) ^[28]、反演模拟法(Inverse modeling) ^[29]等^[30]。其中，模式模拟法利用计算机模型实现了对大尺度生态系统碳动态的定量模拟和预测以及碳循环和全球变化之间复杂的相互作用的研究，突破了传统的观测方法无法对全球和大区域尺度进行直接全面的观测的限制，成为陆地生态系统碳循环和全球变化研究中不可或缺的手段之一。国内外关于陆地生态系统碳循环的模型数量众多，从模拟原理的角度可分为三类:统计模型、参数模型和过程模型。统计模型利用温度、降水等气候因子估算植被净初级生产力，代表模型有 Miami模型、Thornthwaite Memorial模型和Chikugo模型^[31]。参数模型视光合有效辐射和光能转化效率为NPP的决定因子，其中把光能转化效率看成是只取决于植被类型的变量^[32]。过程模型是从植被机理出发，模拟各类生态系统的生物地球化学物理过程的模型^[33]。以CASA、TEM、Biome-BGC、CENTURY和DNDC等模型为主要代表，已广泛应用于全球和区域碳循环的研究中，本文的研究便是基于Biome-BGC模型展开的。

1.3 主要研究内容及研究目标

本研究以亚洲中部干旱区草地生态系统为研究对象，基于Biome-BGC模型，模拟亚洲中部干旱区草地生态系统生产力、碳动态的时空格局。具体研究目标如下：

1. 验证Biome-BGC模型在中亚草地生态系统的适用性：

• 主要通过搜集相关文献中已发表的站点实验数据和中亚区域碳通量及碳库的评估结果，得到验证站点数据并将其与Biome-BGC模型的模拟值进行点对点对比验证。

1. 分析1979-2011中亚草地生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统生产力（NEP）、碳储量的时空格局：

• 将站点尺度的Biome-BGC模型分格点多次调用，实现模型的空间化。
• 利用空间化后的Biome-BGC 模型动态模拟1979-2011年中亚草地碳循环过程，探讨中亚草地生态系统NPP、NEP和碳储量的年际变化趋势和空间分布格局，并阐明中亚干旱区草地生态系统碳循环在全球草地生态系统碳循环和全球碳循环中的作用。

1. 对比中亚五国及新疆草地生态系统碳动态的差异：

• 分析对比中亚五国及新疆的草地生态系统近30年NPP、NEP及碳储量的差异，并分别评价各国和地区的碳源/碳汇功能及其对中亚干旱区草地生态系统碳循环以及全球碳平衡的生态贡献。

第二章 材料与方法

2.1 研究区概况

2.1.1地理位置

中亚深居亚欧大陆腹地， 包括哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦在内的五个国家以及中国新疆，总面积约566万 km²。其地理经纬度在 46°24′—97°06′E，33°48′—55°48′N 之间，东至蒙古国与中国西部，西达里海东岸，南接伊朗、阿富汗、巴基斯坦，北邻俄罗斯。中亚幅员辽阔，地势东南高西北低，地形条件复杂多样，横跨天山山脉，北部是哈萨克丘陵，中部和西部是图兰平原与里海沿海平原，南部有克孜勒库姆沙漠、塔克拉玛干沙漠、卡拉库姆沙漠。

2.1.2 气候条件

中亚具有典型的温带沙漠、草原的大陆性气候，其突出特征表现为雨水稀少，极其干燥；日光充足，蒸发量大^[34]；温度变化剧烈。中亚由于地处内陆远离海洋，整个区域都异常干燥，昼夜温差大，难以种植作物，中亚地区的大部分居民以放牧为生。温带草原、稀疏草原以及疏灌丛是中亚地区最大的生态体系，其他生态体系还包括山地草原和稀疏灌木、沙漠和耐旱灌木和温带针叶林^[35]。作为亚洲中部干旱区的重要组成部分，中亚是北半球温带、暖温带面积最大的干旱区，中亚拥有丰富的草地资源，草地面积约占整个中亚面积的50%，中亚地区的草原和东欧草原一起构成了横贯欧亚大陆的欧亚大草原。

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