【毕业学位论文】气候变化对内蒙古草地生态系统影响的模拟研究硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 气候变化对内蒙古草地生态系统影响 的模拟研究 研 究 生：盛文萍 指 导 教 师：李玉娥 研究员 申请学位类别：理学硕士 专业领域名称：气象学 研 究 方 向：气候变化影响 培 养 单 位：农业环境与可持续发展研究所 研究生院 提交日期 2007 年 6 月 ue 2007 英文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 氧化碳 型用户界面 由二氧化碳气体施肥试验球气候模式 球变化与陆地生态系统 际地圈生物圈计划 府间气候变化专门委员会an 与生物圈计划 第一性生产力 域气候模式系统 域气候模式 放情景特别报告 壤有机碳 分利用效率 要 内蒙古自治区地处欧亚大陆草原带的中部，大部分土地为天然草地植被所覆盖。自然条件严酷、气候波动大以及社会和经济条件复杂使这一地区成为全球变化响应的敏感带。分析内蒙古自治区未来主要气候要素、各类草地分布以及净第一性草地生产力和土壤有机碳含量的变化情况，对于未来气候变化条件下合理利用草地资源，发展少数民族地区经济有十分重要的意义。本文应用区域气候模式系统 出的 2011 2100 年气候数据分析内蒙古自治区年均温度、年降水量等气候要素，并根据伊万诺夫湿润度指数对内蒙古主要草地类型进行划分，分析各类草地的空间分布变化，最后用 型模拟不同类型的草地净第一性生产力和土壤有机碳含量，并分析其变化规律以及与主要气候要素的相关关系，主要结论如下： 1. 种情景下 2020s、 2050s 和 2080s 但内蒙古自治区年均温度高低值的分布格局没有变化；气候变化使得全区年降水量的平均值低于基准年时段， 种情景下 2020s、 2050s 和2080s 的全区年降水量平均值分别比基准年减少 121.9 132.9 118.5 50.4 104.7 内蒙古自治区年降水量在低值区升高，在高值区降低；气候变化引起的内蒙古温度和降水格局的变化使得内蒙古西部地区气候暖湿化，东北部地区气候暖干化。 2. 未来气候变化情景下内蒙古自治区典型草原和荒漠草原面积有增加的趋势，草甸草原面积减少，其中荒漠草原面积增加趋势最明显。未来气候变化使内蒙古自治区温性草原带有逐渐向西部荒漠带和东北部森林带扩张的趋势， 景下北部草甸草原带的北移明显， 景下西部荒漠草原的西移明显。 3. 未来气候情景下各时段内蒙古各类草地的净第一性生产力与基准年时段平均 值相比都有不同程度的增加。草甸草原净第一性生产力增幅趋势最大，典型草原增幅最小；各类草地在景下的增量大于 景。 甸草原最微弱。未来气候情景下内蒙古自治区各类草地净第一性生产力与降水的线性相关性好于与温度的线性相关性。 4. 各类型草地土壤表层有机碳储量受气候变化影响的趋势不同，未来气候变化情景下，草甸草原土壤表层有机碳储量不断增加，而荒漠草原则经历先增加后减少的过程，典型草原 景下的变化趋势与荒漠草原相同，而 景下的变化趋势与草甸草原相同。总体来看，未来气候变化情景下内蒙古草地生态系统还是一个碳库。 关键词： 气候变化，内蒙古， 型，净第一性生产力（ ，土壤有机碳（ of is is in It of of To ， as as is to of in of on 011 100 is of on of of PP OC by of as I. , ; , ; , 020s, 2050s 080s 2 2 of 21.9 132.9 90.9 118.5 50.4 104.7 in in be be by of of of to to it is 2 2 PP in of of is is 2 is 2 in in PP is PP OC to on of OC of be 011 100, OC of 2 is it a 2 is a ,录 第一章 绪论 . 1 球气候变化及草地研究重要性 . 1 候变化对植物生理和生产力的影响 . 2 候变化对草地生态系统的影响 . 3 候变化对草地结构的影响 . 3 候变化对草地生产力的影响 . 4 候变化对草地土壤有机碳含量的影响 . 5 产力的模拟研究方法 . 6 文主要研究内容 . 7 第二章 型原理与应用 . 9 型的起源与版本更新 . 9 型描述 . 9 模型描述 . 9 型参数描述 . 11 型的发展与改进 . 12 型在生产力研究中的应用 . 13 土壤有机碳研究中的应用 . 13 型验证及其参数确定 . 15 第三章 研究方法 . 18 究区概况 . 18 究对象 . 19 究思路与技术路线 . 20 究思路 . 20 术路线 . 20 据来源 . 20 来气候情景数据 . 20 候情景数据校准 . 21 测草地生物量数据 . 22 润度计算和草地类型区划 . 22 地生态系统 拟 . 23 理分析方法 . 23 第四章 气候变化情景分析 . 24 均温度变化分析 . 24 降水量变化分析 . 25 对湿度变化分析 . 25 润度的变化分析 . 26 结 . 27 第五章 气候变化对草地类型及其 响分析 . 28 地类型变化分析 . 28 地 化分析 . 29 地 气候条件的相关性分析 . 31 结 . 33 第六章 气候变化对 响分析 . 35 表单位面积 化分析 . 35 地 量变化分析 . 36 地 气象条件的关系 . 37 结 . 39 第七章 讨论与展望 . 41 论 . 41 望 . 41 参考文献 . 43 附图 . 49 致谢 . 58 作者简历 . 59 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 球气候变化及草地研究重要性 全球气候变化自古以来就有，在 50多亿年的历史过程中发生过多次全球范围的气候剧变。气候变化时慢时快，有时还会发生跳跃式变化，至今，这些变化的背景和起因仍然有许多未解之谜。而目前所研究的全球气候变化是由于人口爆炸、自然资源遭到掠夺式破坏以及人类多种多样的活动引起的，其范围之大，速度之快，前所未有。 全球变化中引起人们最早关注的是全球气候变暖问题。大气中 9世纪中叶约为2801989年估计已达到 3501999年达到 367在 100多年的时间内增加了 30%多，据 2007 b）报道， 2005的大气 79 19世纪相比，目前的全球平均地面气温已上升 本世纪全球平均地面气温变暖速率极可能史无前例，模型估算的 球平均地面气温将上升 最可能增加值出现在4左右。 21世纪全球平均年降水量会增加，但在区域尺度上的增加和减少都有可能，主要介于 5% 20%之间。这些都将影响人类赖以生存的环境，如全球范围的森林衰退、土地退化与荒漠化、生态系统退化、植被带迁移等。如何保持人类生存环境的可持续发展，减缓全球气候变化的不良影响已引起了各国政府、科学家及公众的强烈关注。近几十年，世界上很多重大研究项目，如人与生物圈计划 (国际地圈生物圈计划 (全球变化政府间委员会 (都直接或间接地涉及到全球气候变化的研究内容。气候变化公约、臭氧层保护条约、生物多样性保护公约等国际公约的签订反映了人类共同阻止全球气候变化、维护人类生存环境的决心。与人类关系最密切的陆地生态系统的发展趋势则最为引人注目，因此，预测全球气候变化对陆地生态系统的可能影响，找出应对策略以确保陆地生态系统的可持续发展已经成为国际全球气候变化研究的核心。 前所未有的气候变化必将给人类自身、生存环境和社会经济活动等带来重大影响。 果温室气体以现在的速度增加，到 2100年 5万年来前所未有的高度，全球气温也会出现 74万年来的最高值。这将改变生态系统的结构，减少生态系统的物种多样性，并改变生态系统的机能，并且危及这些生态系统目前提供的服务功能。陆地生态系统中的许多碳库会因气候变化或者土地利用的改变而受到威胁。如果全球温度比工业革命以前升高 23，则陆地生态系统的结构和功能就会有实质性的改变。气候变化影响是多层次、多方位的，正面效应与负面效应并存（周广胜等， 2003） 。全球变化中的气候变暖、降水格局变化和 评价生态系统结构与功能协调性的重要指标，并且净第一性生产力是大气成分改变的重要合作者，尤其是 于全球气候变化有着及其重要的作用（方精云， 2000） 。因此， 全球变化与陆地生态系统 (将 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 2草地是地球上主要的生物群落之一， 面积约 2400 万 覆盖了陆地表面近五分之一的区域，在全球变化研究领域占据非常重要的地位，受到国内外学者的高度重视（牛建明等， 1999） 。草地也是我国最重要的植被类型，是我国北方广大干旱、半干旱地区最重要的可更新资源和畜牧业基地，而且在维持区域生态环境、孕育少数民族文化等方面起重要作用。内蒙古处于欧亚大陆草原带的中部，是西北干旱区向东北湿润区和华北旱作农业区的过渡地带，大部分土地为天然草地植被所覆盖，草地总面积 2，居全国首位（章祖同， 1990） 。但是该地区自然条件的严酷性、气候的波动性以及社会和经济条件的复杂性使这一地区成为对全球变化响应的敏感带。在过去的半个世纪中，由于草地严重退化，植被迅速减少，致使该区初级生产力下降，土地裸露沙化，水土流失加剧，鼠虫灾害频发，沙尘暴肆疟，生态系统功能严重失调，已对本地区可持续发展和西部大开发战略的实施构成严重威胁。草地作为地球表面第二重要的绿色屏障，对于维护我们人类赖以生存的家园具有十分重要的意义。 过去的几十年中干旱半干旱草地的生产力持续下降，而在未来温度增高 2 4和降水减少的情景下，草地的生产力会降低 40 90% ，因此，草地的可持续利用成为内蒙古地区十分重要的问题。研究全球气候变化对内蒙古草地生产力，并确切地估算内蒙古主要草地类型 利于正确认识内蒙古草地自然环境和资源潜力的影响，对合理利用和开发内蒙古草地自然资源有积极的指导意义，对于保障我国的生态安全和可持续发展也有至关重要的意义。 候变化对植物生理和生产力的影响 高温使植物光合作用受阻，净光合速率明显下降，并且影响光合产物的输出与向库器官的分配。植物的蒸腾作用对温度的敏感性高于光合作用，且不同基因型的适应性有别。水分胁迫下，植物净光合速率、叶绿素含量均下降，气孔阻力增加。土壤水分变化影响植物的生长发育进程，干旱将导致植物生育期缩短、干物质积累减慢。植物蒸腾速率对水分胁迫的反应很敏感，受气孔调节的影响，不同物种蒸腾及水分利用效率对水分变化的反应差异明显。大多数草原 壤水分亏缺与大气干旱相配加剧了光合午间降低程度（陈佐忠， 1999） 。即使降水量没有什么变化，降水变率的增加对能 这种影响不是线性的。 水变率增加开始会增加 增大的降水变率最终会使 et 2001)。 1996；郑凤英等，2001） 。叶片气孔导度对 2001； 1999） 。 00导致作物生育期有缩短趋势，且 4作物显著（符淙斌等， 1996） 。目前的验表明 500 20， 10，但是臭氧浓度增加会限制 2007 a） 。一般而言， 物气孔开度变小，减弱了蒸腾作用，却不影响 致水分利用效率提高（高亮之等， 1994） 。 植物碳水化 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 3合物、淀粉及其次生化合物、糖和氨基酸总量以及地上部生物量的碳氮比增加，相应地下部碳氮比的影响则不显著（周广胜等， 1997） 。 et 1996） ，但在温度过高时则呈下降趋势。 分胁迫亦在一定程度上减弱了 素华等， 2002） 。 散量减少，水分利用率（ 加，又会减缓干旱的不利影响，增强作物对干旱胁迫的抵御能力。水分胁迫下， 4作物对 et 1997） 。在 分胁迫以及 草均表现出根冠比增加的现象，反映了羊草对不同环境胁迫的适应对策（ et 2002） 。 温及降水等关键生态因子的复合变化将对植物生长发育和自然生态系统产生综合影响。高温将降低因高 馈于光合作用，以阻止光合下调过程（ et 1998） 。以上这些微观机理均在宏观上影响植物的 体来说我国植被年 以认为降水是我国植被 世龙等 , 2001） 。 在太行山区现有基 础上增加降水 10和 20都显著增加了植被的 永辉等， 2004） 。降水每增加 10大概可提高植被生产力 15，而 3的增温又基本抵消降水增加 10对土壤水分的正作用，因此温度每增加 l，可能使植被生产力有减少 5的趋势，降水增加或减少10大概可影响植被生产力达 15左右（ 杨永辉等， 2004） 。但是也有研究表明， 气温与森林生产力呈显著负相关，降水与森林生产力呈弱的正相关，以气候变暖为标志的全球变化会对森林生产力产生重要的影响（ et 2005）。 年均温度增加 2和 4，年降水量增加 20%的预测情景下，中国自然植被 广胜等， 1995 a） 。大气 因而在温度上升 2的情况下，无论降水增加 20%还是减少 20%，兴安落叶松林的植物总生物量和净初级生产力均增加（蒋延玲等， 2001） 。未来 200年来气温逐渐上升对草地生产力的影响也会产生影响，但在降水没有相应增加的情况下空气中 3植物为主的草地生产力影响较小（ et 2000）。 候变化对草地生态系统的影响 候变化对草地结构的影响 气候变化对草地的影响十分复杂。一方面，由于不同类型草地的空间分布受温度和降水模式控制，所以气候变化的主要后果之一就是植物区系组成的改变，即草地类型在景观上的迁移。另一方面，温度的升高将改变生态系统中的一些过程，如蒸散、分解和光合作用等，配合降水的变化和大气中二氧化碳浓度的增加，将对生物群落的生产力产生显著影响（牛建明， 2001） 。 气候因素，特别是草地水、热状况，决定着草地的形态和发展。在一定的气候带内，必然发 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 4育着一定的草地类型。所以，气候因素是草地形成和变异的决定性因素，应该是草地分类的主要依据之一。同类草地的成因一致，反映出相同的以水、热为中心的气候因素，具有相同水热大气候带特征和植被特征的独特地带性，不同类的草地的自然特征和经济利用价值有质的差异。气候变化将改变牧草分布的高度，导致植物区系组成的变化，即草地类型在景观上的迁移。气候变暖将使中国北方牧区变得更加暖干，目前的各类草原界限将会东移（王馥堂等 , 2003） ，就青藏高原、天山、 祁连山等高山草场而言， 如果温度升高， 各类草地的分布界限将相应上移。 若温度上升 3，各类草原界限相应就会上移 300 600m。在平均气温增加 2，年平均降水量增加 20%和年平均气温增加 4，年平均降水量增加 20%两种气候变化情景下温带草原会遭到一定程度的压缩，我国温带荒漠的面积会大大增加（张新时 ,1993） 。其中内蒙古暖温性草原带的面积分别是变化前的 温性和中温性的类型的面积在显著减少，草甸草原带在面积锐减后从内蒙古消失，典型草原带面积有所减少，但变化较其他类型缓慢（牛建明等， 1999） 。 候变化对草地生产力的影响 温带草原地区绝大多数植物为 度升高对其生长将产生不利影响（方精云， 2000） 。降水量和降水变率的改变将决定着草地生态系统对未来气候变化的响应。如果降水增加 30，加拿大的温带草原的固碳量将是现在的 5倍；季节性缺水会使蒙古草原由碳汇变为碳源 (2007 a)。若降水减少 15，则将会导致 et 2002)。用 1970 1999年 30年来的气候变化特征，探讨了气候因子对草地退化的影响，表明锡林郭勒草地在短短的 10年左右时间内，全盟各旗县草地生产力平均下降了将近 50%。尤以原来产量较高的旗县为甚，最高下降了近 70%（李青丰等， 2002） 。 1988 1995年间荒漠草原的气温上升，而降水量无明显变化，但其 用模型计算出的同期植被盖度和 晓兵等， 2002） 。由于降水不足导致的长期干旱， 33草原生产力有明显增加（ 2007 a） 。 36年来祁连山海北州牧草的年净生产量普遍下降（李英年等， 1997） 。 20世纪 90年代青藏高原牧草高度与 80年代末期比较，生长高度普遍下降 30% 50%（张国胜等， 1999） ，天然草地产鲜草量和干草量均呈减少趋势。我国典型草原区羊草样地的地上生物量值自 1993年以后有明显的下降趋势，冬季增温使该地区春季干旱进一步加剧，并使典型草原的生产力下降（李镇清等， 2003） 。水分是内蒙古自治区大部分草地植被生长的限制因素，温性草地植被多属中、旱生植物，在生长季节可以得到比较充分的水分供应，但这种水分分配节律变异较大，有时需要经过植物自身的争取，才能保证正常的生长发育，因此它需要比较发达的根系来维持生存，它们的地上部分与地下部分之比大约为 1： 1到 1： 3之间（任继周， 2006） 。气候变化改变生态系统土壤水分的分布，也必将改变草地植被地上地下生产力的比值，以更直观地显示它们所处生境水分关系的不同。典型草原地下生物量与年度降水量以及秋冬降水量之间有着真实的直线回归关系 （陈佐忠等， 2003） 。 2007 a）指出 孔导度的适当下降等于增加了土壤水分， 矮草草原在 生产力将上升 26 47，但是，温度和降水增加对草地生产力的影响要明显于 为 测表明，已有的气候变化使中国内蒙古的草地生产力普遍下降（牛建明等， 1999） 。在平均气温增加 2，年平均降水量增加 20%和年平 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 5均气温增加 4，年平均降水量增加 20%两种气候变化情景下，不考虑草地类型的空间迁移，各类草原减产幅度差别很大，其中以荒漠草原的减产最为剧烈，达到 若计入各类型空间分布的变化，各草地类型生产力减产约 3成（牛建明， 2001） 。 候变化将导致羊草草原和大针茅草原初级生产力和土壤有机质含量的显著下降，羊草草原比大针茅草原对气候变化更为敏感（肖向明等， 1996） 。 考虑气候变化和大气 于 草草原和大针茅草原初级生产力下降的幅度显著降低（ et 1995） 。利用 1994 1999年数据研究整个凉湿气候带的草地时发现环境 7，但是对 地类型和季节间存在很大差别（ et 2000） 。在 针茅草原的初级生产力增加 2%（肖向明等， 1996） 。 度上升 2、降水增加 20%条件下，中国温带草原区生产力增加 1t/新时， 1993） 。 候变化对草地土壤有机碳含量的影响 草地生态系统的碳素储量绝大部分集中在土壤中，使草地生态系统明显区别与森林等其他类型生态系统的特点之一， 实际上草地生态系统碳循环的主要过程也是在土壤中完成的 （樊江文等，2003） 。草地土壤有机碳沿土壤剖面自上而下逐渐降低，主要分布于上层 0 15全球气候变化背景下，表层土壤有机碳含量将会受到气温、降水变化的直接影响。气候变化对土壤有机碳储量的影响有两种方式，其一是影响植物生长，从而改变每年回归土壤的植物碎屑量，其二是改变植物碎屑的分解速率。前一过程中，大气 施肥效应和抗蒸腾效应有利于植物生产力的提高，植物碎屑量增加，从而使土壤集聚更多的碳，若大气 0或更多，而温度升高还会加强这两种效应（于贵瑞， 2003） ；后一过程则因气温升高，降水增加而加速植物碎屑分解，假定每年回归土壤的植物碎屑量不变，在全球气温升高 a，将使土壤有机碳释放 61 当于保持目前化石燃料年利用率不变，未来 60年化石燃料燃烧释放 9（于贵瑞， 2003） 。 候变暖使得高草牧场的植物生长加快，微生物种群兴旺， 0，气候变化已使英国土壤碳每年减少 2，这些损失主要发生在草地生态系统（ 2007 a） 。由于降水的增加和 21世纪的前几十年乃至整个 21世纪，全球陆地生态系统仍是个净碳储库。但随着生态系统带向高纬度和高海拔地区的移动， 2100年左右这种情况可能会发生实质性的改变。干季后的降水激发非洲的萨瓦那生态系统的土壤呼吸，使土壤碳储量减少。与草地生态系统短期试验结果相反，长期 4草原土壤碳吸收和氮素循环影响都很小，同样，长期 地松森林和草地试验表明， 2007 a） 。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 产力的模拟研究方法 植被生产力除受温度降水等气候条件、 受土壤、植被特征及土地利用状况等的影响，因而现有生产力模型对不同调控因子的侧重点有很大差别。再加之数据资料和研究者经验的不尽相同，所以各种生产力模型在方法和复杂程度上也有显著差异。根据模型对各种调控因子的侧重点及对 控机理的解释，可将现有研究生产力的模型大体分为三类：气候相关模型、光能利用率模型和过程模型（孙睿等， 1999） 。 气候相关模型就是根据植物生长量与环境因子相关原理，用建立起的数学模型估算植物的类模型方法简单，但估算的只是潜在生产力，因而与其他模型相比结果往往偏高。 1971年 提出了第一种估算植被 气候相关模型即 型。 计用 型计算结果其可靠性只有 60 75， 1997 年刘洪杰在 型基础上，针对其固有缺陷，采用水热双因子复合的估算模型，提高估算精度（刘洪杰， 1997） 。 1972 年， 出了以实际蒸散量为变量的 型。 1985 年日本科学家 于十分繁茂的植被上 建立 型。 为了弥补 1993 年朱志辉