放牧对新疆草地生态系统净初级生产力的影响模拟研究

论文总字数：28087字

目 录

目录……………………………………………………………………………………………… 2

中文摘要………………………………………………………………………………………… 3

关键字：气候变化；放牧；地上NPP；Biome-BGC；干旱区 ……………………………… 3 Abstract………………………………………………………………………………………… 4第一章 绪论…………………………………………………………… 5

1.1 研究意义 …………………………………………………………………………… 5

1.2 国内外研究概况及发展趋势 …………………………………………………… 6 1.3 研究目的 ………………………………………………………………………… 7

第二章 研究区域与数据准备 ………………………………………8 2.1 研究区概况 ……………………………………………………………………… 8 2.2 试验数据获取 …………………………………………………………………… 9

第三章 研究方法 ………………………………………………… 12 3.1 Biome-BGC 模型 ……………………………………………………………… 12

3.2 放牧模型 ……………………………………………………………………… 12 3.3 模型运行 ………………………………………………………………………… 13

3.4 模型参数化 ……………………………………………………………………… 15

3.5 模型验证 ………………………………………………………………………… 16

第四章 研究结果 ………………………………………………… 18

4.1 1979-2007 年新疆草地生态系统净初力的时空格局……………………………… 18

4.11 1979-2007年新疆草地生态系统NPP年际动态变化………………………… 18 4.12 1979-2007年新疆草地生态系统NPP空间分布……………………………… 18

4.2 放牧对草地生态系统NPP的影响时空格局……………………………………… 20

4.21 1979-2007年新疆地区放牧对草地生态系统NPP的影响的年及动态变化 20 4.22 1979-2007年新疆地区放牧对草地生态系统的影响空间布………………… 22

第五章 结论 ………………………………………………………… 23

第六章 讨论 ………………………………………………………… 24

5.1模型的不确定性 …………………………………………………………………… 24

5.2放牧对新疆草地生态系统NPP的影响 …………………………………………… 24

5.21 补偿性生长 ………………………………………………………………… 24

5.22 放牧对草地生态系统的负影响 …………………………………………… 25

参考文献………………………………………………………………………………………… 26

致谢……………………………………………………………………………………………… 30

放牧对新疆草地生态系统净初级生产力的影响模拟研究

何天豪

， China

Abstract: Grazing is an important human activity in the grassland ecosystem in Xinjiang, but the impact of grazing on the grassland ecosystem net primary productivity (NPP) is lacking. In this paper, the Biome-BGC grazing model was used to analyze the temporal and spatial distribution of NPP in grassland ecosystems in Xinjiang during 1979-2007 and evaluate its response to grazing. The results showed that: 1) From 1979 to 2007, the average NPP of grassland ecosystem in Xinjiang was 93.36TgCyr^-1, and it showed a slowly rising trend; 2) Spatially, the distribution of NPP in grassland ecosystems in Xinjiang was different but had a certain degree of trend. The Kunlun Mountains and Tianshan Mountains have higher NPP (up to 630gCm-2yr^-1), while the NPPs in the Junggar Basin and the Tarim Basin are relatively low; 3) Grazing results in the overall NPP of grasslands in Xinjiang. The downward trend was a decrease of -0.44TgCyr^-1 (R² = 0.48); 4) When the average grazing rate was less than 0.9 standard sheep/hm², grazing could increase grassland ecosystem NPP in Xinjiang, which was the optimal rate of grazing. This paper proves the feasibility of the model applied in a large area, analyzes the impact of grazing on the local grassland carbon cycle, and determines the optimal rate of grazing, which can provide scientific and accurate theoretical basis for future policy formulation and corresponding assessment and prediction.

Keywords: grazing; Xinjiang; net primary productivity; Biome-BGC

第一章 绪论

1.1研究意义

草地生态系统是分布面积最广的陆地生态系统之一 ^[1]。草地生态系统碳储存的适度变化可改变全球的碳循环，同时对气候也会产生间接影响^[2-3]。随着人口的快速增长和经济的迅猛发展，人为干扰对草地的影响越来越大，势必也会影响到草原的碳库功能^[4]。天然草地生态系统净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）是目前重要研究方向，涵盖草地碳库、确定草原的生产潜力、最大生产力或时间空间变化趋势，从而为草原管理和政策提供可靠的科学依据。

干旱半干旱地区生态系统是陆地生态系统中最为脆弱的部分之一^[5-9]，新疆大部分地区属于干旱半干旱地区。这些草地是很多地方性植被、罕见动植物的栖息地，并且同时也用来作为牲畜（比如羊、马和牦牛等等）的牧场，是人类活动的主要场所之一。近年来，放牧活动的不断增强和气候变化的加剧，使得新疆草地生态系统面临着巨大的社会和生态环境问题^[10-11]，同时也影响着草地生态系统的结构与功能^[12]。

放牧是人类活动的重要内容，是对草地资源的利用。据FAO统计，全球69%的农业用地为永久性放牧地，其中大洋洲、非洲撒哈拉、南美洲和东亚分别为89%、83%、82%和80%^[13-15]。因此，放牧在农业上的贡献突出，也是人类利用自然资源的主要方式之一。放牧可以通过对生物量和营养的重分配，从而直接和间接对生态过程产生影响^[16]，影响植物的生产力。虽然放牧通常被认为对植物生长是不利的，但有研究表明适度放牧能促进草地生长，即补偿机制 ^[17-18]。有相关研究表明，适度放牧可能促进天山北坡低山干旱草地的NPP，但对于森林草甸草原和高寒草甸草原的生产力均具有负面效应^[19]，而不合理的放牧可能会使草原从碳汇转变为碳源，导致CO₂排放量增加^[20]。总之，放牧是否促进草地植物的生长还是会造成负面的效应，需要更深入研究。而且，草地碳循环缺乏更加完善的理论研究，其中关于影响草地生态系统NPP的很多方面还不明确，比如人类活动对草地生态系统NPP的影响机制。国内外对陆地生态系统碳循环的研究也只是主要集中在森林生态系统^[21-23]，但是关于草地的研究却寥寥无几。近年来，中国对草地生态系统碳循环的研究主要是在青藏高原^[24-25]和内蒙古草原^[26-27]两大区域。其它地区如新疆^[28]很少受关注，进行的研究相比之前两地区少得多。因此，研究放牧对新疆草地生态系统NPP的影响，对于明确草地碳循环途径及其在区域碳循环中的作用具有重要的意义。

当前，此类研究主要通过实际观测或利用模型来模拟两种方法。在新疆地区，因气象站点分布零星、实测数据不具有代表性，而且实测方法不适用区域尺度的碳循环研究，因此选用模型模拟来达到研究的目的。陆地生态系统模型是研究碳循环的工具，范围从区域到全球尺度，能整合计算已有的数据，常用于特殊的过程模拟和参数计算、分析以及预测未来时段的变化状况，运用在模拟中有诸多优势。其中 Biome-BGC grazing 模型在新疆天山北坡得到成功应用，模拟了放牧对不同海拔草地生态系统NPP的影响，成功将Biome-BGC模型用于干旱区草地模拟 ^[47]。

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