全球气候变化条件下新疆天山云杉林生长的分析与模拟

摘要

气候变化对人类赖以生存的陆地生态系统尤其是森林会产生很大的影响。本论文选择新疆天山东部的伊吾、中部的天池和小渠子、西部的昭苏四个代表性样点，利用BIOME-BGC模型和树木年轮分析方法探讨1961～2000年间气候变化和大气CO2浓度增高对天山北坡地带性植被天山云杉林(Picea schrenkiana)生长的影响，并利用BIOME-BGC模型预测未来气候变化条件下天山云杉林生产力的可能变化。
　　 利用BIOME-BGC模型模拟了当前气候和CO2浓度条件下四个研究样点净初级生产力(NPP)特征。比较BIOME-BGC模型模拟值与实测NPP、树木年轮指数，结果表明该模型适用于天山北坡天山云杉林的模拟研究。
　　 以BIOME-BGC模型模拟的NPP和树木年轮宽度指数作为生长指标，分析了天山云杉林过去40年的生长特点和趋势。结果表明近40年来天山云杉林生长总体上呈现上升趋势，尤其是自1987年以后，变化幅度更大。天山云杉林的生长对气候变化的反应很敏感，年降水量与当年的NPP呈现显著正相关关系(R=0.774～0.882，P＜0.001)。年降水量与树木年轮宽度指数也呈现出相似的相关关系，但相关系数相对较小(0.305～0.544)，其中只有昭苏和小渠子样点达到显著水平。在昭苏和伊吾，年平均温度与对应年份的NPP相关关系微弱，相关系数仅分别为0.036和0.159。而天山中部的小渠子和天池年平均温度与对应年份的NPP呈显著负相关关系(相关系数分别为-0.324和-0.322；P＜0.05)，这可能是由于温度的升高加剧水分胁迫，导致NPP下降。年平均温度与树木年轮宽度指数的相关关系与NPP的基本一致。同时，年平均温度也表现出比较强的滞后效应，尤其是滞后两年的效应，这可能是由于温度的升高，加速养分循环产生施肥效应，从而间接促进天山云杉林的生长。近40年来，大气C02浓度的增高对天山云杉林生长具有一定促进作用，NPP升高的幅度为1.85～4.51％，根据树木年轮估算大气CO2施肥效应β相对比较小，仅为0.133。进一步分析表明大气CO2浓度主要是通过提高水分利用效率的途径促进天山云杉林生长。
　　 利用RegCM2区域气候模式模拟的大气CO2倍增时(大约2070年)的气候变化情形作为输入参数，应用BIOME-BGC模型预测了在未来气候状况发生改变，而大气CO2浓度没有变化的情况下(C0T1P1)，天山云杉林的NPP增长幅度为13.33～29.11％，其中对东部伊吾NPP的促进作用最大，其次是中部的小渠子和天池，而对西部昭苏NPP的影响最小；结合当前气候条件和大气CO2浓度加倍情形(C1T0P0)，模拟结果表明NPP在比较温暖的天山中部和西部将会有所增加，增加幅度为1.17～8.62％，而在寒冷的东部伊吾，NPP则会下降2.50％，CO2的施肥效应表现出很大的温度依赖性；结合气候变化和大气CO2浓度加倍情形(C1T1P1)，模拟结果表明NPP的增加幅度将会上升为26.43～37.24％，温度、降水和大气CO2浓度对NPP的影响存在较强的交互作用。
　　 研究表明树木年轮真实记录了树木在自然条件下长期的生长特征，是验证生态系统模型比较理想的材料之一。生态系统模型可以从机理上对生态系统的生物物理过程以及影响因子进行分析和模拟。本研究利用生态系统模型与树木年轮方法相结合很好地揭示天山云杉林的生长与全球气候变化之间的相互关系。同时，研究表明未来气候变化有利于天山云杉林的生长，天山云杉林可能会成为一个重要的碳汇而在碳循环研究中倍受关注。

目录

文摘

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声明

第一章 引言

第二章 全球气候变化研究中森林生态系统净初级生产力(NPP)估算方法及其研究进展

2.1引言

2.2森林生态系统净初级生产力(NPP)估算

2.3大尺度森林生态系统NPP的估算方法

2.4我国森林生产力研究状况与展望

第三章、研究区域概况及研究对象

3.1地理位置

3.2地质地貌

3.3气候特点

3.4土壤状况

3.5天山云杉林

3.6天山云杉生物学特性

第四章 研究方法

4.1研究目标、主要内容和技术路线

4.2野外调查与取样

4.3树高-胸径关系及树高数据的检验

4.4天山云杉林生物量和净初级生产力的估算

4.5树木年轮宽度标准年表的建立与分析

4.6 BIOME-BGC模型简介

4.7 BIOME-BGC模型的参数化

4.8 BIOME-BGC模型运行与模型的检验

4.9天山云杉林的生长对1961-2000年气候变化和大气CO2浓度增加的响应分析

4.10天山云杉林对未来气候变化的潜在响应

4.11计算机硬软件环境

第五章 天山云杉林生物量、生产力的估算与分析

5.1树高-胸径关系

5.2天山云杉林生物量与生产力的统计结果

5.3讨论

第六章 天山云杉树木年轮年表的建立与分析

6.1树木年轮年表及若干统计变量分析

6.2响应函数和互相关函数的分析结果

6.3统计模型的建立

6.4讨论

第七章 天山云杉林生长对1961-2000年气候变化和大气CO2浓度增高响应

7.1 BIOME-BGC模型的验证

7.2气象资料统计分析

7.3天山云杉林生长趋势分析

7.4天山云杉林生长与生态因子相关分析

7.5讨论

第八章 天山云杉林净初级生产力对不同气候变化情景响应的模拟与分析

8.1预测结果

8.2讨论

小结

参考文献

个人简历

致谢