羊草草原净初值生产力对气候变化响应的模拟外文翻译资料

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羊草草原净初值生产力对气候变化响应的模拟

王玉辉·王广生·王永和

收稿日期：2004-5-25 接受日期：2006-4-18 在线发布：2007年2月10日

Springer科学 商业媒体B.V. 2007

摘要 草原是世界上最广泛的植被类型之一，并在区域气候和全球碳循环中发挥重要作用。了解中国草原生态系统对气候变化的灵敏度和大气CO2的升高以及这些变化对草原生态系统的影响是全球碳循环的关键问题。根据全国草原调查，中国的草原面积有3.54亿公顷之大，其中包括17个主要的草原类型。在本研究中，基于过程的地面模型——century模型，被用来模拟在不同的气候变化情况和大气CO2升高情况下羊草草原（LCMS）净初级生产力（NPP）和土壤有机碳（SOC）的潜在变化。LCMS敏感性，其对气候变化的潜在反应，以及碳储量的变化及在未来的隔离被进行了评估。结果表明，LCMS NPP和SOC对气候变化和CO2升高敏感。在未来的100年里，二氧化碳增加了一倍浓度，如果温度从2.7-3.9℃升高，降水增加10％，NPP和SOC将分别增长7-21％和5 - 6％。但是，如果温度增加7.5-7.8℃，降水仅增加10％，NPP和SOC将分别下降24％和8％。因此，草甸草原NPP和SOC的变化主要归因于温度和降水量的变化和未来的大气二氧化碳浓度。

1 介绍

草原是世界上最广泛的植被类型之一，涵盖了热带地区和温带地区的大部分连续地区，约占地面的24％（Sims和Risser 2000）。草原至少占全球碳的10％（FAO 1995; Eswaran等人，1993），并构成全球碳循环的重要组成部分（Parton等人，1995; Scurlock和Hall 1998; Prentice等人2001）。温带草原主要分布在美国，欧洲和亚洲，对全球气候的变化敏感（Knapp et al。2002; Shaw et al。2002）并且对全球生物地球化学循环做出了巨大贡献（Hall et al。1995; Sala et al。1996; Thornley and Cannell 1997; Sala 2001）。据预测，全球气候变化将显著影响温带草原生态系统，包括其生产力，组成和碳交换过程。这是因为降水和季节性将会改变，并且在双倍的CO2平衡条件下蒸发量会因大气温度和水分可用性的变化而增加（Watson et al。1998）。这些草原生态系统的变化通过影响净初级生产力（NPP）和土壤有机碳（SOC）将影响到植被覆盖边界变化的表面温度及其生物地球化学循环，特别是碳循环。这些变化可能对气候变化产生反馈。

中国有大面积的草原，占中国的40％左右。 草原主要包括中国北部的温带草原（草原）和青藏高原草原的亚高山，高山以及西部高山地区（陈和Fischer 1998）。这些地区的主要植被类型是中亚的延伸草原。 鉴于广大地区，中国的草原可能在亚洲地区和全球碳循环以及相关气候影响发挥重要作用（Ni 2004）。 因此，了解他们对气候变化的反应是至关重要的。羊草草原是支持中国北方畜牧业可再生资源的重要来源。它广泛分布在欧亚大陆东部草原地区，并且一半以上的草原位于中国，特别是中国东北部平原和内蒙古高原。以前的研究表明气候的不断变化将改变内蒙古典型草原中羊草草原的物种组成，生物量和SOC（Ojima et al。1993; Wang 1993; Xiao et al。1996）;然而，气候变化（温度，降水和二氧化碳排放量）将以怎样的方式影响中国东北部的羊草草甸草原（LCMS）还没有被确定。中国东北部观测资料显示，自20世纪80年代以来，平均气温上升了0.7℃（Lian et al。2001），并且发生极端干旱的频率和降水事件的强度也有所增加。所以，要研究LCMS对气候变化的敏感性和潜在反应，了解草甸草原未来的潜在变化，并评估其对中国草原生态系统区域气候变化和碳循环的贡献的影响是非常重要的。

基于过程的模型是进行灵敏度分析和调查气候变化情景的有效性的可行方法（Riedo et al。2000）。 这样的模型通常描述生态系统过程的关键，并模拟NPP对其相互作用过程的依赖的数量，如光合作用，呼吸，分解和营养循环。因此，这些模型有可能准确地描述这些过程将在未来的气候条件下作出反应和交互（McGuire等，1993;Peng and Apps 1999）。

在这项研究中，使用了基于过程的陆地模型，即CENTURY模型（版本4.0），模拟气候变化和大气CO2提高情景下对潜在NPP和SOC变化的影响。未来草甸草原碳储量和封存的可能变化也被确定为科学管理的基础和中国北方草原生态系统的可持续发展。

图1 中国东北松嫩草原的位置及瑶井子草甸草原自然保护区大致位置

2材料和方法

2.1研究区域和现场数据收集

这项研究是在松嫩草原，北纬43°30到48°40和东经121°30到127°00。草原广泛分布在中国东北中部的欧亚大草原东端，占地面积约为1.7times;105平方公里（Zheng和Li 1993;图1）。这个平坦地区的平均海拔高度为141米，从138米到145米不等。该地区大部分地区为草甸切尔诺泽土壤，其中表层有机物质占3.5-6.0％。土壤有机层深达20-30厘米;土壤平均质地为35％粘土，45％粉砂，20％砂，堆密度为1.54。平均土壤pH值为约8.7（熊和李1987; Wang和Ripley 1997）。这个地区属于半干旱地区温带季风气候，年平均气温约为5℃，从1月份的-1℃变化至7月份的23°C，无霜期136-163天。累积温度ge;10℃为2579-3144℃。年降水约470毫米，6月至8月降雨占70％。这个地区年降水量经历了很大的波动，从300到600毫米。平均电位蒸发为1368 mm（He et al。2004; Wang 2004）。

多年生和一年生草是该区域草甸草原景观中的优势物种。 约167种植物种类组成Leymus chinensis草原，有25种嗜酸性粒细胞物种（约占总物种的15％）和125种中生物种（约占总物种的75％）（郑和李1993）; 多年生Leymus chinensis是优势物种。 罩盖范围从60到80％，冠层高度从40到60厘米不等。 中华绒螯蟹是多年生地下根茎的克隆生长的特征。

在四月初变为绿色，八月下旬达到地上生物量高峰。 因此，八月生物量代表一年内中华绒螯蟹群落地上净初级生产力（NPP）的最大产量。 一般来说，Leymus chinensis的生物量9月份开始下降，10月初地上部分衰老（Zhu 2004）。 因为草甸草原通常的生长条件产生草本的质量和数量都很优越，这种草原是中国东北牧场工业用于放牧的最好的草原之一（王2002），。 然而，自1978年以来，该地区的草原已经被保护下来，而草原是在八月每年中旬修复的（He et al。2004; Wang 2004）。

在这项研究中，8月份的生物量被用于验证“CENTURY”模型,并且瑶京子草甸草原田地的资料是在1978年至1990年8月底在吉林省长岭县自然保护区（44°30N至44°56N，123°30E至123°56N; 见图1）收集的。 每年从保守区随机收集十个1times;1平方米的样方样本。 在每个样方中，所有植物在地面上被切割表面并在65℃烘箱里干燥至恒重，然后转化为NPP。 这个模拟使用的气候数据从长岭县气象站（44°15N，125°58E）1954年到1995年的数据中抽取。

2.2 CENTURY模型

Parton等开发的CENTURY模型（1987年，1988年，1993年）已被全球用来模拟基于气候，土壤性质，植物生产力，分解和人类活动的草原系统，农作物系统，森林的生物地球化学循环系统和热带草原系统。该模型可以模拟气候变化（气温和降水）和自然以及人为干扰（例如，放牧，焚烧和收获）对草原生态系统的影响。特别是，模型能够用自然和人类的影响评估碳，氮和磷的周期干扰（Ojima等，1993）。CENTURY模型由三个主要子模型组成：（1）用于评估流入土壤和垃圾池的动态碳氮的土壤有机质（SOM）子模型; （2）计算水文的生物物理和温度驱动变量子模型;（3）模拟地面和地下植被生产过程的子模型（Parton et al。1993）。

该模型的步长以每月NPP两个极限的较小者来估算：

NPP = min(NPPC , NPPN )

(1)

其中NPPC（g DW·m-2·a-1）是NPP作为土壤温度的函数的气候极限，

可用水和自遮蔽因子如下：

NPPC = NPPmax times; fT (T ) times; fM (M) times; fS (S)

(2)

其中 NPPmax（g DW·m-2·a-1）是理论最大NPP，fT（T）是温度（T）对生长的影响，fTM（M）是土壤水分的影响，fS ）是自阴影的效果。用于估计fT（T），fM（M）和fS（S）的方程式由Parton等人给出。 （1993）。

NPPN（g DW·m-2·a-1） 1表示NPP营养物质可利用性的限制，nd估计为p个植物组织生产的总和

p

NPPN =Si times; Navail times; Wroot times; Nfix times; Fi times; (C : N )i

(3)

i =1

Navail是可用的矿物氮（在土壤溶液中加N在植物存储池中）;Nfix占植物N固定; Wroot是根据生物量衡量植物营养摄取的一个因素; Fi是分配给植物组织i潜在植物氮总吸收量的一部分（Navailtimes;Wroot Nfix）; （C：N）i是植物组织的C：N比i。详细的描述植物组织成分的C：N比可以在Parton等人（1993）和Schimel等人（1991）的报告里找到。

作为对CENTURY的输入，大气CO2浓度对NPP的影响可以是恒定二氧化碳浓度或从初始年度增量浓度达到最终浓度线性斜坡。所谓的二氧化碳受精效应是在升高的二氧化碳条件下增强生长，采用对数响应函数实现的：

其中NPPE和NPPO分别指富集（CO2E）和受控（CO2O）CO2环境中的NPP，beta;是0至0.7之间的经验参数（Goudriaan 1992; Friedlingstein等人1995; King等人，1995）。 在我们的模拟中，假定100年模拟期间大气二氧化碳浓度是随着年均增量从350ppm增加到700

ppm的线性斜坡，草原草地的beta;设置为0.14（King et al。，1995）。

土壤子模型由八个有机物质池组成。 其中四个池代表表面和根系，另外的是土壤有机质。 以下是土壤有机物池的特征：两个具有快速周转时间（1-5年）的“活性”级分，代表着分为表面和土壤池的微生物生物量和代谢; 一个代表稳定的分解产物，有着“缓慢”的中间周转时间（20-40年），另一个是“被动”部分，其代表高度稳定的有机物质，转换时间很慢（200-15000年）。 这些池之间的碳通量由分解速率和微生物呼吸参数控制，可由土壤质地函数形式表现。所有池的周转时间随土壤非生物分解参数而变化，并以月度温度和降水的函数计算（Parton et al。1993; Penget al。 1999）。

2.3模拟和灵敏度分析

世纪模拟运行了5000年，使用平均月温度和CENTURY的随机降水发生器达到自然平衡状态。通过使用长岭气象台42年（1954-1995）的数据运用“CENTURY”模型计算月平均最高和最低温度以及降水量。通过在不同气候变化情景下运行100年模型并与过去10年的平均结果（改良气候）进行比较来模拟SOC和NPP对未来气候变化的潜在反应。

模拟检查SOC和NPP对以下敏感性气候的变化情景：

  1. 过去气候变化的影响（1954-1995）。
  2. 气候变化的影响。 由于全球流通模式预测未来变化的不确定性（GCM），考虑了三种气候变化情景。根据不同的GCM，GISS（戈达德空间研究所

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