呼伦贝尔草甸草原生态系统碳循环动态模拟与未来情景分析

摘要

温性草甸草原作为欧亚大陆东端广泛分布的重要草地类型。温性草甸草原的碳循环动态研究对了解草原碳储量现状，碳循环季节动态和碳源碳汇在全球气候变化情景下的收支变化有着重要的意义。涡度相关通量法是近年来定量研究草原生态系统碳循环的新兴技术，涡度相关通量测量具有高时相、高机理性、高精度和连续测量等多种优势。涡度相关通量法由于技术上的限制目前只能应用在较小的时间和空间尺度上，同时涡度相关通量测量仅限观测到的CO2净交换量，并不能反应和揭示生态系统的光合呼吸分解同化等多种生物化学过程。而模型模拟法可以很好的扩展时间和空间上的模拟范围，并且能模拟碳循环过程中的多个生物化学过程和吸收、释放过程，将涡度相关通量数据和机理模型的相结合是未来草原生态系统碳循环动态研究的必然方向。
　　本文以呼伦贝尔温性草甸草原为研究对象，以呼伦贝尔国家野外生态系统研究站的贝加尔针茅建群草甸草原典型样地和周边放牧样地为监测数据采样平台，将野外采样数据与DNDC模型相结合，模拟分析温性草甸草原生态系统碳循环的特征、规律和总量，探讨水热因素对生态系统碳循环的影响，放牧管理对生态系统的改变，未来长期气候变化对草地生态系统碳循环和碳储量的影响。为进一步发展DNDC模型，深入探讨温性草甸草原生态系统碳循环的机理，准确预测温性草甸草原在未来气候变化下的发展趋势提供借鉴与依据。主要研究结果包括以下几个方面:
　　1.利用现有野外监测数据对DNDC模型进行校正和验证，结果表明，校正后的DNDC模型能够很好地再现呼伦贝尔温性草甸草原的地上生物量碳与NEE的积累过程和季节动态，模型模拟值与实测值在多个时间尺度上都具有很好的一致性，且模型效率分别在0.89～0.94和0.37～0.53之间，相关系数分别在0.97～0.98和0.43～0.68之间，表明DNDC能够很好地模拟生态系统碳积累速度和碳循环动态过程。
　　2.DNDC模型可以模拟放牧和围栏封育状态下生态系统碳循环各组分的变化。研究样地生态系统总呼吸中土壤呼吸是主要成分占70.0％～74.8％，植物茎叶呼吸量占25.2％～30.0％。土壤呼吸中根呼吸是主要成分占59.8％～66.7％，土壤异养呼吸占33.3％～40.2％。生长季中期存在一个光合作用与根呼吸的高度活跃期，在这个活跃期内光合作用总固碳量占全年的53.7％～57.0％:植物根呼吸量占全年的76.5％～80.2％。
　　3.根据PRECIS气候预测系统HadCM3模式Q0强迫A1B情景数据建立了9套未来2016-2050年间的气候变化情景与2种草地管理组合的数据库，从而将DNDC模型外推到更大的时间尺度上来模拟预测未来长期气候变化对草甸草原生态系统碳动态的影响。未来35年间影响温性草甸草原NPP的关键因素是降水量与降水格局，次要因素是气温。降水量增加会导致NPP的增加，降水量减少和降水格局的分散化会导致NPP大幅下降。气温的增加在丰水年有助于NPP增大，但是在干旱年也加剧了NPP的减少。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 草原生态系统碳循环研究现状

1．2．2 气候变化对草原生态系统的影响

1．2．3 放牧对草原生态系统的影响

1．2．4 草原生态系统碳循环的研究方法

1．2．5 DNDC模型的发展与介绍

1．3 研究目的与技术路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 技术路线

第二章 研究区域的自然概况和研究方法

2．1 研究区域的自然地理概况

2．2 研究样地概况

2．3 研究方法及数据来源

2．3．1 DNDC模型机理

2．3．2 野外监测和定位取样

第三章 DNDC模型的参数化及模拟结果验证

3．1 DNDC模型参数化

3．1．1 地理位置气象参数确定

3．1．2 土壤参数确定

3．1．3 植被参数确定

3．2 DNDC参数敏感性分析

3．3 DNDC模型模拟结果验证

3．3．1 土壤气候模拟结果验证

3．3．2 地上NPP模拟结果验证

3．3．3 CO2交换量模拟结果验证

3．4 本章小结

第四章 草甸草原生态系统碳循环动态分析

4．1 研究方法

4．1．1 通量观测

4．1．2 模型模拟

4．2 结果分析与讨论

4．3 本章小结

第五章 放牧对草甸草原生态系统碳循环的影响

5．1 研究方法

5．1．1 野外观测

5．1．2 模型模拟

5．2 结果分析与讨论

5．3 本章小结

第六章 未来气候变化对草甸草原生态系统碳循环的影响

6．1 研究方法

6．2 未来气候情景数据来源与处理

6．3 结果分析与讨论

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1．3 放牧对草甸草原碳收支的影响

7．1．4 未来气候变化对呼伦贝尔温性草甸草原的影响

7．2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简历