气候变化对陆地生态系统

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1、气候变化对陆地生态系统碳循 环的影响及其反馈关系研究 博士生：周涛 导 师：史培军 教授 时 间：2002年6月4日北京师范大学资源所北京师范大学资源所20022002届博士论文答辩届博士论文答辩研究意义国际进展存在的问题国内进展与国际差距 陆地碳循环过程与全球变化关系密切 碳循环研究是当前国际的研究热点 京都议定书签署的政治经济意义 “失踪碳汇”问题困扰科学界0.选题背景0.选题背景 全球碳库碳储量估算的进展 海气碳交换、陆气碳交换进展 “失踪碳汇”的研究取得了一定进展 耕作制度与土壤固碳关系的进展 研究方法、内容与手段的进展研究意义国际进展存在的问题国内进展与国际差距研究意义国际进展存在的

2、问题国内进展与国际差距0.选题背景 对碳循环的碳通量还缺乏一致性的估算 失踪碳汇空间分布存在激烈争议 对陆地碳循环时空分异规律认识不足 森林是研究的重点，而对草原研究很少 土地利用/土地覆被变化的历史及其影响 仍然是碳循环过程中不确定性较大的部分 碳循环模式的计算结果存在较大的差异 研究意义国际进展存在的问题国内进展与国际差距0.选题背景 中国植被与土壤碳储量大小及空间分布 中国净初级生产力NPP取得了长足的进展 在陆地生态系统对气候变化的响应、敏感 性分析等方面取得了一些进展 在土地利用和土地覆被变化对陆地碳循环 的研究方面取得了一些进展 对土壤呼吸进行了一些尝试性研究 利用国外的一些生物地

3、理模式和生物地球 化学模式分析了中国陆地生态系统的碳循环 研究意义国际进展存在的问题国内进展与国际差距0.选题背景 在数据共享的理念和管理机制上与欧美之 间存在相当大的差距 研究内容不平衡，源与汇研究单薄 缺乏自主开发的有影响的碳循环模式 多学科综合有待进一步加强 气候变化与生态系统碳循环之间双向反馈问题水热组合与植被类型对植被气候相关性的影响 人类活动对土壤碳储量气候相关性的影响 中国土壤异养呼吸系数的空间分布 中国净生态系统生产力对气候变化的响应 0.拟解决的科学问题1.陆地表层碳循环零维模型 目标：l耦合陆地碳循环过程与温度的变化l模拟地表年平均温度的变化趋势l模拟各碳库碳总量的变化趋势

4、1.陆地表层碳循环零维模型 碳循环零维模型状态变量的选取：b（KgCm-2）陆地生物量L（KgCm-2）陆地凋落物量h（KgCm-2）土壤有机质含量c（KgCm-2）大气碳含量T（） 地表年平均温度 1.陆地表层碳循环零维模型 碳元素反馈关系：1.陆地表层碳循环零维模型 循环零维模型方程组 1生物量方程 2. 凋落物方程 3. 土壤有机质方程 4. 大气二氧化碳方程 5. 能量平衡方程 1生物量方程 2. 凋落物方程 3. 土壤有机质方程 4. 大气二氧化碳方程 5. 能量平衡方程 1.陆地表层碳循环零维模型 循环零维模型方程组 1生物量方程 2. 凋落物方程 3. 土壤有机质方程 4. 大气

5、二氧化碳方程 5. 能量平衡方程 1.陆地表层碳循环零维模型 循环零维模型方程组 1生物量方程 2. 凋落物方程 3. 土壤有机质方程 4. 大气二氧化碳方程 5. 能量平衡方程 1.陆地表层碳循环零维模型 循环零维模型方程组 1生物量方程 2. 凋落物方程 3. 土壤有机质方程 4. 大气二氧化碳方程 5. 能量平衡方程 1.陆地表层碳循环零维模型 循环零维模型方程组 1.陆地表层碳循环零维模型 零维模型的模拟 1.陆地表层碳循环零维模型 零维模型的模拟 1.陆地表层碳循环零维模型 零维模型的模拟 Svirezhev估算（1999）增加了约20Gt ，Cao等（1998）估算增加了约58Gt

6、 2.植被对气候变化的响应 指标的选择：NDVIlNDVI与植被的许多参数密切相关，如吸收 光合有效百分率（FPAR），叶绿素密度， 叶面积指数等lNDVI的突出优点：l对照度、表面坡度不敏感；l最大NDVI值的选择将极大地减小远离星下点的 象元被选中的机会。 2.植被对气候变化的响应 NDVI与气候关系究现状与问题l国内外有大量的相关研究，取得了很大的进展l但不同研究的结果也存在很大的差异。lNDVI与气候因子的相关分析多采用线性相关。2.植被对气候变化的响应 数据来源，空间分辨率均为11，时间 1986年1月1990年12月lNDVI资料：来自NASA的GSFC（Goddard Space

7、 Flight Center）的数据中心 l降水资料：来自全球“降水气候中心”（GPCC ） l辐射资料：GSFC提供l短波辐射：0.2-5.0微米l长波辐射：5.0-50微米 l植被类型：来自NASA的GSFC2.植被对气候变化的响应 全球13种植被类型分布图2.植被对气候变化的响应 数据处理l浮点数据的字节交换：BIG-Endian order Little-Endian order( HP, SGI, IBM ) (PC, DEC Alpha, VAX)l辐射干燥指数的计算RDI Rn / (LPcp) Rn为净辐射 ，单位：MJm-2a-1 Pcp为年降水总量，单位为：mm L为蒸发潜

8、热，其值为2.5MJ / kg 2.植被对气候变化的响应 NDVI与多年平均气候因子的关系 (RDI10)2.植被对气候变化的响应 NDVI与多年平均气候因子的关系结论：（1）NDVI与降水、辐射干燥指数存在对数关系（2）RDI10时，它们之间的相关性明显降低2.植被对气候变化的响应 不同RDI下，NDVI与降水的相关性比较 2.植被对气候变化的响应 不同RDI下，NDVI与净辐射的相关性比较 2.植被对气候变化的响应 NDVI与气候的相关性随RDI的变化趋势 2.植被对气候变化的响应 不同植被类型下NDVI与气候关系 聚类过程树形图 2.植被对气候变化的响应 不同植被类型下NDVI与气候关系

9、结论：第I类：常绿阔叶林、有林C4草地。与热量因子净辐射存在负的 相关，和年降水总量的相关性不大。第II类：针阔混交林、针叶林、灌丛与裸地、C3草地。它们的热 量和降水都没有第I类充足，因此，它们和热量指标、降水指标 都存在比较强的正相关性。第III类：落叶阔叶林、C4草地、沙漠与裸地、耕地、有林C3草 地。相比之下降水对NDVI的影响更大。第IV类：高纬落叶林和苔原。它们和热量存在正相关，与降水 存在负相关。3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 样本、指标、分析方法的选择l样本：全国第二次土壤普查的2473个土壤剖面 的碳储量。l气候指标：l年平均温度T（） l年降水量P（mm） l年

10、降水量与年平均温度的比值P / T（mm / ）l相关分析方法lPearson相关分析l偏相关分析3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 所有样本的相关分析 土壤碳储量与温度T的相关性系数很小与降水P的相关性也不大与P/T的相关性较好，其相关系数为0.372 3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 碳储量与年平均温度散点图 T T10T10，土壤碳储量与温度成正相关土壤碳储量与温度成正相关T20T20，土壤碳储量与温度、降水，降水土壤碳储量与温度、降水，降水/ /温度均相关不显著温度均相关不显著3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 不同温度下土壤碳储量与气候因子的相关性 3.中国

11、土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 偏相关分析2000多个土壤样本的温度与降水量进行了相 关分析，相关系数达到0.77（N=2252） 偏相关明显优于Pearson相关3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 耕地与非耕地土壤相关性差异3.中国土壤有机碳储量与气候 的相关性分析 耕地与非耕地土壤相关性差异l l温度对自然土壤和耕作土壤的影响是相似的。温度对自然土壤和耕作土壤的影响是相似的。l l非耕地土壤与气候的相关性好于耕地土壤量与气候的相关性非耕地土壤与气候的相关性好于耕地土壤量与气候的相关性l l耕地总体上在缓解土壤碳向大气的释放的作用耕地总体上在缓解土壤碳向大气的释放的作用确定中国土

12、壤呼吸系数的分布的意义l土壤呼吸影响因素复杂4.中国土壤呼吸系数的分布确定中国土壤呼吸系数的分布的意义l现有土壤呼吸模型仅考虑温度和降水的影响lVant Hoff模型 lLloyd-Taylor模型 l基于立地的模型普遍优于大尺度模型4.中国土壤呼吸系数的分布土壤呼吸系数的物理意义l土壤呼吸系数a代表的是温度为0时土壤的呼吸量l土壤呼吸系数a的差异反映的是非气候因子的影响, 如土壤理化性质、土壤有机质质量和属性的差异 l把大尺度土壤呼吸系数a当作常数降低了模型的效果4.中国土壤呼吸系数的分布土壤呼吸系数确定的方法碳循环方程 优点：l使大尺度土壤呼吸系数的活动成为可能l可以直接计算异氧呼吸系数l

13、有助于计算生态系统的NEPl由碳平衡方程造成的误差是有限的4.中国土壤呼吸系数的分布影响土壤有机碳动态变化的因素4.中国土壤呼吸系数的分布平衡状态下土壤的异氧呼吸4.中国土壤呼吸系数的分布考虑水分供应的影响平衡状态下土壤呼吸系数的计算及误差分析4.中国土壤呼吸系数的分布平衡状态下非平衡状态下：NPP 中国土壤异养呼吸系数aij的空间分布 4.中国土壤呼吸系数的分布NPP 东南沿海和华南的 大部分地区的ai,j值 并没有象该地区的 NPP那样大，而在 东北有大面积的ai,j 高值区，此外，在 新疆塔里木河沿岸 的绿洲带也零星的 比较高的ai,j值研究NEP的意义大于NPP，NEP反映的 是潜在的

14、“源”与“汇”，而NPP仅为NEP 的一个分量。气候变化的假设：全国气温升高1.5， 降水平均增加5 l目的是与已有的研究进行比较5.中国NEP对气候变化的响应 NPP 土壤异氧呼吸绝对变化量 土壤异氧呼吸相对变化率5.中国NEP对气候变化的响应 NPP 变化后中国不同生态系统NEP变化的比较 5.中国NEP对气候变化的响应 NPP NEP变化的几点结论l随着气候的变化，陆地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 呼吸平均增加了约5.5，因此，总体上气候变化 后将加强生态系统的碳汇趋势 。l最稳定最有潜力的自然生态系统的碳汇是北方的落 叶针叶林 ，对人工植被而

15、言，最多最稳定的碳汇 是一年一熟作物 ，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 5.中国NEP对气候变化的响应 NPP 创新性工作：创新性工作：基于能量平衡和碳循环过程的普适规律，建立了零维 模型，有效地模拟了138年来的地表温度的变化和四大 碳库的碳总量变化，在此基础上可以对未来变化进行 预测。提出了利用生态系统碳平衡方程获得土壤异氧呼吸系 数空间分布的方法，对提高大尺度土壤异氧呼吸模型 预测精度提供了方法上的指导，并在此基础上计算了 中国土壤呼吸系数分布。 首次确定了高分辨率下的中国生态系统NEP对气候变 化的响应，从气候变化的角度探讨了中国生态系统“源 ”与“汇”的空间分布规律6.本文小结 改进性工作：改进性工作：探讨了不同水热组合和植被类型对NDVI与气候 相关性的影响，进一步完善了国际国内学者对 此问题的理解。采用了偏相关分析方法对中国土壤碳储量与气 候相关性进行了分析，并探讨人类活动造成的 影响，得出了一些新的结论。6.本文小结 感谢您的指点！感谢您的指点！