气候变化对中亚草地生态系统碳循环的影响研究

准确评估草地生产力、碳源/碳汇功能,分析气候变化对草地生态系统碳循环的影响,对于草地资源的合理开发和有效保护至关重要。选取对气候变化以及人类干扰高度敏感的中亚干旱区草地生态系统为研究对象,利用Biome-BGC模型,模拟分析其NPP、NEP的年际变化趋势及其空间分布格局。结果显示：（1）1979-2011年中亚地区草地生态系统NPP年平均值为135.6 gC·m^-2·a^-1,且随着时间的推移呈现出波动下降的趋势,下降速率为0.34 gC·m^-2·a^-1。（2）NEP的年平均值为-8.3 gC·m^-2·a^-1,表现为碳源,且该值随着时间的推移呈现出波动上升的趋势,上升速率为0.58 gC·m^-2·a^-1。（3）NPP高值区域在降水较为丰富的天山山脉附近以及哈萨克斯坦北部。（4）NPP的年际变化与降水量的年际变化趋势基本一致,相关系数为0.52;NPP与温度的相关系数为-0.28,未达到显著相关水平。本研究实现了Biome-BGC模型在中亚干旱区草地生态系统的应用,对评价干旱区草地生态系统碳源/碳汇功能及其在全球碳循环和全球变化中的作用、实现中亚草地生态系统的可持续利用、完善区域和全球碳循环理论体系具有重要意义。     

内蒙古草地生态系统碳源/汇时空格局及其与气候因子的关系

草地净生态系统生产力(NEP)能够表征草地生态系统的固碳能力,直接定性定量地描述草地生态系统的碳源/汇性质和大小.因此,研究区域尺度草地生态系统NEP具有重要的实践意义.基于卫星遥感资料,地面气象观测资料及实地采样数据,结合光能利用率模型估算了2001-2012年内蒙古草地生态系统净初级生产力(NPP).同时,应用土壤呼吸模型估算了逐月平均土壤呼吸量(Rs),进而估算内蒙古草地净生态系统生产力(NEP).研究揭示了2001-2012年内蒙古草地生态系统NPP,NEP年际变化规律,气候因子的年际变化规律,以及草地NPP,NEP与主要气候因子的关系.结果表明:2001年以来,内蒙古草地生态系统整体发挥碳汇效应,净碳汇总量达到0.55 Pg C,年均固碳率约为0.046 Pg C/a;研究区大部分草地NPP,NEP与降水均呈正相关关系,与温度相关性不显著,内蒙古草地生态系统仍有巨大的固碳潜力.     

2001—2017 年三江源区典型草地群落碳源/ 汇模拟及动态变化分析

碳源/汇是解释地球大气碳循环过程的重要指标,探究三江源的碳源/汇特征对于理解该地 区植被对全球气候变化的响应具有重要意义。三江源以脆弱的草地生态系统为主,且对全球气候 变化非常敏感。该地区生态环境极其脆弱,大部分地区条件恶劣导致实测数据稀缺,很难对该地 区的碳源/汇时空格局进行完整剖析。因此通过以三江源 5 种典型草地群落（金露梅、紫花针茅、风 毛菊、小蒿草、及青藏薹草群落）为研究对象,基于 BIOME-BGC 模型,利用地理数据、气象数据和植 被生理参数等数据,得出 2001—2017 年三江源草地群落的净初级生产力（NPP）、净生态系统生产 力（NEP）模拟值,并对草地群落 NPP、NEP 变化特征与气温、降水相关性以及碳利用效率变化等特 征进行了综合分析。结果表明：三江源区 NPP、NEP 在空间格局上,表现为由东南向西北数值逐渐 递减趋势;5 种典型草地群落多年 NPP 均呈现逐年增高趋势,其平均值为 196.06 g C·m ^-2·a ^-1。其 中,金露梅群落 NPP 平均值最高为 342.00 g C·m^-2·a^-1,青藏薹草群落 NPP 平均值最低为 55.93g C·m^-2·a^-1;5 种草地群落 NEP 的多年平均值为 49.02 g C·m^-2·a^-1,金露梅、紫花针茅及青藏薹草 3 种植 被群落的 NEP 值呈缓慢的上升趋势,风毛菊和小蒿草群落呈缓慢下降趋势。研究发现三江源草地 生态系统具有显著的碳汇作用,且不同群落 NPP、NEP 对气温和降水的响应程度有所差异,5 种群 落 NPP 与气温均呈显著正相关,但 NPP、NEP 与降水量的相关性较低;5 种群落均具有较强固碳潜 力,除金露梅外其余植被群落的碳利用率均在 0.625 以上。     

人类活动地全球碳循环的影响

工业革命前，碳循环是碳在大气、海洋和陆地生态系统间的流动。工业革命以来，化石燃料的使用使贮存于地质碳库中的碳参与短期碳循环，因森林和草原开垦等土地利用增加的CO2排放量加重了大气的负担；另一方面造林和再造林形成CO2汇。大气CO2增加导致的气候变化反馈过程影响碳循环。文中提出从控制人类活动入手平衡全球碳循环的收支。     

基于BIOME-BGC模型的三峡库区不同草地群落碳源/汇的动态变化研究

三峡库区草地群落净生态系统生产力(NEP)的核算对于碳源/汇功能评价和生态屏障功能诊断具有重要理论意义。本文选取三峡库区的三种典型草地群落(雀梅藤群落、芒草群落、扭黄茅群落)为研究对象。基于气象数据和基础数据(高程、植被类型、土壤质地等),利用BIOME-BGC模型模拟并分析了1999—2013年库区草地群落植被NPP、NEP的变化特征及其与水热因子的相关性,分析了碳储量的变化特征及储存分布差异。结果表明:三种草地群落的植被NPP、NEP的年内变化规律均呈现倒U型,其中7—8月数值最大,呈现出明显碳源—碳汇—碳源的变化特征;三种草地群落多年NEP的平均值分别为6.63、4.85、4.17 g C·m~(-2)·a~(-1),碳汇功能明显。不同草地群落NPP、NEP对水热因子响应差异明显,其中雀梅藤群落NPP与温度呈显著正相关,与降水量呈负相关;芒草群落、扭黄茅群落NPP与温度均呈负相关,与降水量呈正相关;三个草地群落的NEP与温度均呈正相关,与降水量均呈负相关。三种草地群落碳储量丰富,多年累计值分别为33 979、50 750、29 236 kg C·m~(-2),且85%~90%储存在土壤中,植被碳储量最少约为3%~4%。     

近30年土地利用变化对新疆森林生态系统碳库的影响

土地利用及其变化是导致森林生态系统碳库变化最重要的因素。以植树造林面积、森林产品收获产量及林地转移面积为基础数据,采用《LULUCF指南》中数据分层的碳源汇计量方法,分析了1975-2005 年期间三种土地利用方式对新疆森林碳库的影响。1975 年新疆森林总碳库估算值为720.02 Tg,其中土壤碳库为528.82 Tg。近30 年土地利用变化对其碳库的影响总体表现为碳汇,固碳量为48.15 Tg,与1975 年碳库相比,森林碳储量增长了6.69%。植树造林表现出强烈的碳汇功能,总固碳量为54.24 Tg。森林采伐是最主要的碳释放来源,共释放碳5.42 Tg。林地转移呈现微弱的碳释放特征,共排放为0.66 Tg。研究结果表明,土地利用变化对该区域森林碳库具有明显的增汇效应。本研究将有利于进一步深化人类活动对区域碳平衡影响的认识。     

2005-2013年中国新增造林植被生物量碳库固碳潜力分析

本文利用2005-2013年林业统计年鉴中每个省市新造林面积和遥感分类提取得到的2010年土地覆被类型,结合公开发表的各类森林生长方程和各个时期的森林存活率,估算了中国新造林在2005-2100年生物量碳库变化及其固碳潜力。结果表明：2005-2013年中国新造林面积达到4394×10⁴ hm²,在自然生长状况下,到2020年新造林蓄积量增加16.8亿m³,生物量增加1.6 Pg,生物量碳库0.76 Pg C;新造林生物量碳库在2005-2100年中将增加2.11 Pg C,相当于目前现有森林生物量碳库的25%,约是过去20年森林总碳汇的1.5倍;新造林生物量碳密度逐年增加,最高达到48.1 Mg/hm²。整合林业统计年鉴以及遥感解译的森林类型对新造林生物量固碳潜力分析,研究表明新造林具有较大的碳汇潜力,对中国现有森林碳汇平衡有重要贡献。     

中国净生态系统生产力空间分布及变化趋势研究

分析净生态系统生产力(NEP)的空间分布特点和变化趋势,对科学评估中国生态系统的固碳能力和制定气候变化应对政策/措施具有重要意义,然而目前这方面的研究较为缺乏。该文借助多源空间数据,对2000-2015年中国的NEP进行估算并分析其空间分布特点和变化趋势。结果表明:2000-2015年,中国陆地NEP约为0.134 Pg C a~(-1),表现为碳汇,碳汇高值区主要分布在云南、四川等省域,而碳源高值区主要分布在西部的西藏和青海等区域;从时间变化趋势看,中国生态系统的碳汇能力总体呈增强趋势,特别是西藏南部、四川南部以及云南、陕西、安徽和江苏等省的部分区域;NEP呈上升、基本不变和下降趋势的省级区域数量占比分别为55%、29%和16%;NEP的空间分布和年际变化主要受NPP、气温和降水的影响。     

造林对陆地碳汇影响的研究进展

全球气候变化和土地利用变化影响着陆地碳源/汇的变化。造林作为一种土地利用变化,可以增加陆地碳汇,减缓大气中CO₂的积累。文中首先对陆地碳汇及其形成原因进行综述,肯定了造林在陆地碳汇中的重要作用,然后阐述了造林对陆地碳汇的影响途径、造林后植被碳和土壤碳的变化及相互联系,并对全球造林活动对陆地碳汇贡献潜力作简要介绍,最后指出当前研究中的不足及今后的努力重点。造林是重要的临时陆地碳库,加强对造林碳汇的客观研究,对我国具有重要的政治意义和科学实践意义。     

气候变化对净生态系统生产力的影响

基于生态系统碳平衡方程以及净第一性生产力 (NPP) 和气候资料反演了1km分辨率的中国土壤异养呼吸系数 (aij),结果表明：aij总体上是东南和东北地区高,西北地区低;和NPP相比,东南沿海和华南的大部分地区的aij值并不大,而在东北北部和东部有大面积的aij高值区。这表明当气候适宜时,这些地区的土壤异养呼吸将具有较大的增长潜力。在假定气温平均升高1.5^oC,降水平均增加5%的情景下,对中国净生态系统生产力 (NEP) 的研究表明：生态系统与大气的碳通量都有所增加,其中NPP平均增加了6.2%,土壤异养呼吸平均增加了5.5％,不同生态系统的NEP存在很大的差异,其中最稳定最有潜力的自然生态系统的碳汇是北方落叶针叶林;对人工植被而言,最多最稳定的碳汇是一年一熟作物;而双季稻连作喜温作物和单 (双) 季稻连作喜凉作物生态系统起着较稳定的碳源作用。     

NPP vulnerability of the potential vegetation of China to climate change in the past and future

Using the Integrated Biosphere Simulator, a dynamic vegetation model, this study initially simulated the net primary productivity (NPP) dynamics of China’s potential vegetation in the past 55 years (1961–2015) and in the future 35 years (2016–2050). Then, taking the NPP of the potential vegetation in average climate conditions during 1986–2005 as the basis for evaluation, this study examined whether the potential vegetation adapts to climate change or not. Meanwhile, the degree of inadaptability was evaluated. Finally, the NPP vulnerability of the potential vegetation was evaluated by synthesizing the frequency and degrees of inadaptability to climate change. In the past 55 years, the NPP of desert ecosystems in the south of the Tianshan Mountains and grassland ecosystems in the north of China and in western Tibetan Plateau was prone to the effect of climate change. The NPP of most forest ecosystems was not prone to the influence of climate change. The low NPP vulnerability to climate change of the evergreen broad-leaved and coniferous forests was observed. Furthermore, the NPP of the desert ecosystems in the north of the Tianshan Mountains and grassland ecosystems in the central and eastern Tibetan Plateau also had low vulnerability to climate change. In the next 35 years, the NPP vulnerability to climate change would reduce the forest–steppe in the Songliao Plain, the deciduous broad-leaved forests in the warm temperate zone, and the alpine steppe in the central and western Tibetan Plateau. The NPP vulnerability would significantly increase of the temperate desert in the Junggar Basin and the alpine desert in the Kunlun Mountains. The NPP vulnerability of the subtropical evergreen broad-leaved forests would also increase. The area of the regions with increased vulnerability would account for 27.5% of China.     

气候变化和人类活动对信江流域径流影响模拟

以1960―1990年为基准期、1991―2005年为影响期,使用HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）水文模型定量分析了影响期气候变化和人类活动对信江流域径流的影响及其各自的贡献率。结果表明：1）相对于1960―1990年,1991―1995、1996―2000年的年平均径流深分别增加了271.9和246.3 mm,2001―2005年的年平均径流深减少64.1 mm。其中,气候变化对径流的影响分量在65.6%~88.0%之间,人类活动对径流的影响分量在12.0%~34.4%之间。2）人类活动对极值流量有影响。在影响期,年最大7 d平均流量和最大15 d平均流量模拟值大于对应的实测极值流量。3）在气候变化因子中,流域降水量的增加,是引起20世纪90年代信江流域径流显著增大的主要原因,其次是蒸发量的下降;人类活动包括植树造林、城市化以及水利工程修建,是影响流域径流变化的次要原因。     

黄河流域植被净初级生产力时空特征及自然驱动因子

植被净初级生产力（NPP）是陆地生态系统的关键指标,是地表碳循环的重要组成部分,能够用来较客观地评价生态系统变化及其可持续性。利用MOD17A3HGF数据、土地利用数据、气象数据、地形数据,应用变化趋势分析、相关性分析及地理探测器模型等方法,探讨了2000—2019年黄河流域NPP（以C计量）时空格局及演变特征,并对影响NPP的自然因子进行量化研究。结果表明：（1）2000—2019年黄河流域植被NPP整体呈极显著上升趋势（）。流域平均年NPP为281.39 g·m^-2,变化范围为270—347 g·m^-2,增速为5.75 g·m^-2·a^-1。流域NPP显著增加的区域占整个流域面积的99.53%,空间分布呈西北低东南高的趋势。（2）不同土地利用类型的植被NPP年平均值差异较大,林地是对该区域植被NPP贡献最大的土地利用类型。（3）NPP与海拔之间存在一定相关性,NPP与气温、降水显著正相关的区域分别占总面积的23.20%和44.17%,自然驱动因子中海拔、气温及降水对植被NPP的驱动作用差异明显,降水>气温>海拔,各因子之间的交互作用均为双因子增强。     

Evaluation of the carbon sequestration of Zhalong Wetland under climate change

Wetland ecosystems are crucial to the global carbon cycle.In this study,the Zhalong Wetland was investigated.Based on remote sensing and meteorological observation data from 1975–2018 and the downscaled fifth phase of the coupled model intercomparison project (CMIP5) climate projection dataset from 1961–2100,the parameters of a net primary productivity (NPP) climatic potential productivity model were adjusted,and the simulation ability of the CMIP5 coupled models was evaluated.On this basis,we analysed the spatial and temporal variations of land cover types and landscape transformation processes in the Zhalong Nature Reserve over the past 44 years.We also evaluated the influence of climate change on the NPP of the vegetation,microbial heterotrophic respiration (Rh),and net ecosystem productivity (NEP) of the Zhalong Wetland and predicted the carbon sequestration potential of the Zhalong Wetland from 2019–2029 under the representative concentration pathways (RCP) 4.5 and RCP 8.5 scenarios.Our results indicate the following:(1) Herbaceous bog was the primary land cover type of the Zhalong Nature Reserve,occupying an average area of 1168.02±224.05 km~2,equivalent to 51.84%of the total reserve area.(2)Since 1975,the Zhalong Nature Reserve has undergone a dry–wet–dry transformation process.Excluding several wet periods during the mid-1980s to early 1990s,the reserve has remained a dry habitat,with particularly severe conditions from 2000 onwards.(3) The 1975–2018 mean NPP,Rh,and NEP values of the Zhalong Wetland were 500.21±52.76,337.59±10.80,and 162.62±45.56 g C·m~(-2)·a~(-1),respectively,and an evaluation of the carbon balance indicated that the reserve served as a carbon sink.(4) From 1975–2018,NPP showed a significant linear increase,Rh showed a highly significant linear increase,while the increase in the carbon absorption rate was smaller than the increase in the carbon release rate.(5) Variations in NPP and NEP were precipitation-driven,with the correlations of NPP and NEP with annual precipitation and summer precipitation being highly significantly positive(P0.001);variations in Rh were temperature-driven,with the correlations of Rh with the average annual,summer,and autumn temperatures being highly significantly positive (P0.001).The interaction of precipitation and temperature enhances the impact on NPP,Rh and NEP.(6) Under the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios,the predicted carbon sequestration by the Zhalong Wetland from 2019–2029 was 2.421 (±0.225)×10~(11) g C·a~(-1) and 2.407 (±0.382)×10~(11) g C·a~(-1),respectively,which were both lower than the mean carbon sequestration during the last 44 years (2.467 (±0.950)×10~(11) g C·a~(-1)).Future climate change may negatively contribute to the carbon sequestration potential of the Zhalong Wetland.The results of the present study are significant for enhancing the abilities of integrated eco-meteorological monitoring,evaluation,and early warning systems for wetlands.     

内蒙古草地生态系统碳源/汇时空格局及其与气候因子的关系（英文）

Global climate change has become a major concern worldwide. The spatio-temporal characteristics of net ecosystem productivity(NEP), which represents carbon sequestration capacity and directly describes the qualitative and quantitative characteristics of carbon sources/sinks(C sources/sinks), are crucial for increasing C sinks and reducing C sources. In this study, field sampling data, remote sensing data, and ground meteorological observation data were used to estimate the net primary productivity(NPP) in the Inner Mongolia grassland ecosystem(IMGE) from 2001 to 2012 using a light use efficiency model. The spatio-temporal distribution of the NEP in the IMGE was then determined by estimating the NPP and soil respiration from 2001 to 2012. This research also investigated the response of the NPP and NEP to the main climatic variables at the spatial and temporal scales from 2001 to 2012. The results showed that most of the grassland area in Inner Mongolia has functioned as a C sink since 2001 and that the annual carbon sequestration rate amounts to 0.046 Pg C/a. The total net C sink of the IMGE over the 12-year research period reached 0.557 Pg C. The carbon sink area accounted for 60.28% of the total grassland area and the sequestered 0.692 Pg C, whereas the C source area accounted for 39.72% of the total grassland area and released 0.135 Pg C. The NPP and NEP of the IMGE were more significantly correlated with precipitation than with temperature, showing great potential for C sequestration.     

气候变化和人类活动对鄱阳湖流域入湖输沙量影响的定量估算

采用HydroTrend水文模型,以鄱阳湖流域的赣江、抚河、信江、饶河和修水为研究对象,基于1956-2010年鄱阳湖流域气候数据、水沙数据及其他相关资料,分别模拟了5个子流域的入湖水沙通量变化。在此基础上,探讨了气候变化、植被覆盖变化和水库修建活动对输沙量变化的影响,并定量估算了上述因子对流域输沙量变化的贡献。结果表明：① 1956-2010年,气候、植被和水库三种因子影响下的流域年均输沙量分别为15.5 Mt、20.8 Mt、8.5 Mt,而三种因子共同影响下的流域年均输沙量达到12.6 Mt。② 1956-2010年,植被覆盖变化使流域年均输沙量增加4.2 Mt,而水库拦截造成流域年均输沙量减少8.2 Mt,两者分别占实际年均输沙量的32.4%和63.2%。③ 1956-1989年,植被覆盖变化导致的输沙增加量和水库修建拦截导致的输沙减少量均为5.1 Mt/a,两者对流域输沙量贡献持平;1990-2010年,水土流失加重导致的输沙增加量和水库拦截导致的输沙减少量分别为2.7 Mt/a和13.3 Mt/a,水库对入湖输沙量的影响效应是植被覆盖变化的5倍左右。     

Changes in production potentials of rapeseed in the Yangtze River Basin of China under climate change: A multi-model ensemble approach

Rapeseed is one of the major oil crops in China and it is very sensitive to climate change. The Yangtze River Basin is the main rapeseed production area in China. Therefore, a better understanding of the impact of climate change on rapeseed production in the basin is of both scientific and practical importance to Chinese oil industry and food security. In this study, based on climate data from 5 General Circulation Models (GCMs) with 4 representative concentration pathways (RCPs) in 2011–2040 (2020s), 2041–2070 (2050s) and 2071–2100 (2080s), we assessed the changes in rapeseed production potential between the baseline climatology of 1981–2010 and the future climatology of the 2020s, 2050s, and 2080s, respectively. The key modelling tool – the AEZ model – was updated and validated based on the observation records of 10 representative sites in the basin. Our simulations revealed that: (1) the uncertainty of the impact of climate change on rapeseed production increases with time; (2) in the middle of this century (2050s), total rapeseed production would increase significantly; (3) the average production potential increase in the 2050s for the upper, middle and lower reaches of the Yangtze River Basin is 0.939, 1.639 and 0.339 million tons respectively; (4) areas showing most significant increases in production include southern Shaanxi, central and eastern Hubei, northern Hunan, central Anhui and eastern Jiangsu.     

鄱阳湖流域洪水变化特征及气候影响研究

为探讨鄱阳湖流域洪水过程的变化特征和规律,系统分析流域洪水量级、频率、发生时间的变化特征,利用核密度估计分析洪水发生率的非平稳性,运用月频率法评价洪水集聚性特征,并探讨低频气候因子对洪水变化的影响。研究表明：① 鄱阳湖流域各水文站点年、秋季和冬季最大洪水及POT超阈值洪水以增加趋势为主。② 洪水发生率年内集聚性显著,主要集中在4~7月;年际洪水发生次数呈现非平稳泊松分布,洪水发生率出现明显的年际集聚性特征。③ ENSO、IOD对下年洪水量级及洪水发生次数有明显影响,洪水发生次数与年最大洪水量级异常现象通常是ENSO和IOD协同作用结果。