楊延征，馬元丹，江　洪,3，朱求安,*，劉金勛，彭長(zhǎng)輝,5

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，楊凌　712100

2 浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州　311300

3 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，南京　210093

4 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)陸地觀測(cè)數(shù)據(jù)中心，門洛帕克 美國(guó)　94025

5 魁北克大學(xué)蒙特利爾分校環(huán)境科學(xué)研究所, 蒙特利爾 加拿大　C3H3P8

?

基于IBIS模型的1960—2006年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支格局研究

楊延征1，馬元丹2，江洪2,3，朱求安1,*，劉金勛4，彭長(zhǎng)輝1,5

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，楊凌712100

2 浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州311300

3 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，南京210093

4 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)陸地觀測(cè)數(shù)據(jù)中心，門洛帕克 美國(guó)94025

5 魁北克大學(xué)蒙特利爾分校環(huán)境科學(xué)研究所, 蒙特利爾 加拿大C3H3P8

定量評(píng)估區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支是生態(tài)系統(tǒng)與全球變化科學(xué)研究的重要科學(xué)問題之一。利用集成生物圈模型(IBIS)對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)歷史時(shí)期(1960—2006年)氣候及CO2濃度變化條件下碳收支時(shí)空變異特征和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，1960—2006年間，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)總量水平約為2.46 GtC/a，總體呈上升趨勢(shì)，在東南及西南地區(qū)最高，其次是長(zhǎng)白山及大小興安嶺地區(qū)，西北內(nèi)陸地區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力水平最低；1960—2006年間，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)總量水平約為0.11 GtC/a，總體呈上升趨勢(shì)，絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為碳匯效應(yīng)，大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山、東南地區(qū)及西南部分地區(qū)碳匯效應(yīng)較強(qiáng)，西北內(nèi)陸區(qū)表現(xiàn)出弱碳源效應(yīng)，溫帶濕潤(rùn)區(qū)、高原溫帶區(qū)和高原寒帶區(qū)碳匯效應(yīng)呈顯著上升趨勢(shì)；中國(guó)11個(gè)氣候區(qū)，NPP與降水均為正相關(guān)，除了中溫帶濕潤(rùn)區(qū)、寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)、高原溫帶和高原寒帶外，降水是限制植被生長(zhǎng)的主要因子。除了高原寒帶外，NEP同樣表現(xiàn)出與降水的更強(qiáng)相關(guān)性，與氣溫的相關(guān)性較弱。經(jīng)驗(yàn)證，IBIS模型對(duì)于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的模擬結(jié)果合理，可以為科學(xué)預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力和制定區(qū)域碳管理政策提供科學(xué)依據(jù)。

陸地生態(tài)系統(tǒng)；碳收支；NPP；NEP；IBIS模型；中國(guó)

氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)氣候變化的反饋?zhàn)饔檬钱?dāng)前全球氣候變化研究的核心問題[1-2]。中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量為(75.2±34.7) TgC/a，灌木生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量為(21.7±10.2) TgC/a，草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量為(7.0±2.5) TgC/a，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯占全球碳匯的6.5%—19.0%[3]。中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估仍存在很大的不確定性，準(zhǔn)確定量評(píng)估歷史時(shí)期的中國(guó)及區(qū)域尺度的碳收支格局，不但可以為科學(xué)認(rèn)識(shí)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化之間的關(guān)系提供理論基礎(chǔ)，而且可以為制定區(qū)域氣候變化管理規(guī)劃和政策提供依據(jù)[4]。目前，對(duì)大尺度碳循環(huán)的評(píng)估和模擬主要有兩種方法。一是基于遙感數(shù)據(jù)的方法， 遙感數(shù)據(jù)獲取較快，空間范圍廣，已經(jīng)在全國(guó)和區(qū)域尺度碳收支研究中得到廣泛應(yīng)用[5-8]。二是基于模型的方法,模型有簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型及相對(duì)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)過程模型，其中生態(tài)過程模型可以對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的過程及功能進(jìn)行詳細(xì)的研究，有助于進(jìn)行陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)理的探究。關(guān)于氣候變化對(duì)于中國(guó)和區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)的影響，近些年來，國(guó)內(nèi)開展了許多基于模型的相關(guān)研究。陳強(qiáng)等[9]利用CASA模型和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)對(duì)黃河流域2001—2010年的生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)進(jìn)行了估算；Yang等[10]使用CASA模型對(duì)新疆地區(qū)土地利用對(duì)NPP的影響進(jìn)行了分析；封曉輝等[11]使用LPJ-GUESS對(duì)馬尾松林生產(chǎn)力和碳動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究；劉曦等[12]使用IBIS模型對(duì)東北東部森林NPP及其影響因子進(jìn)行了分析；于穎等[13]使用InTEC模型對(duì)1901—2008年小興安嶺森林NPP進(jìn)行了估算；李登秋等[14]結(jié)合BEPS模型和通量觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬分析了太陽輻射變化對(duì)千煙洲常綠針葉林 GPP的影響。

在生態(tài)模型中，研究生物物理和生物地球化學(xué)過程與氣候過程的相互作用至關(guān)重要，因此既能同時(shí)描述生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)變化, 又能模擬生物物理和生物地球化學(xué)過程相互作用的動(dòng)態(tài)全球動(dòng)態(tài)植被模型(DGVM，Dynamic Global Vegetation Model)成為全球生態(tài)系統(tǒng)模型的發(fā)展方向[15]。集成生物圈模型(IBIS，Integrated Biosphere Simulator)作為一種全球動(dòng)態(tài)植被模型，描述了植被組成變化、再分布和演替等動(dòng)態(tài)過程以及這些過程涉及物種遷移、種間競(jìng)爭(zhēng)、種群建立和死亡，擾動(dòng)和景觀結(jié)構(gòu)變化等[16-17]。目前已經(jīng)有運(yùn)用IBIS模型對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡過程和區(qū)域碳收支的模擬及驗(yàn)證工作[12,18]，但是在氣候及CO2濃度變化的條件下，對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支格局的報(bào)道還很少。因此，本文利用IBIS模型，基于歷史時(shí)期(1960—2006年)氣候條件及CO2濃度條件，著重研究：(1)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力水平的時(shí)空格局和發(fā)展趨勢(shì)；(2)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支源匯效應(yīng)的時(shí)空格局和發(fā)展趨勢(shì)；(3)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力、碳收支格局對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1IBIS模型簡(jiǎn)介

集成生物圈模擬器IBIS(Integrated Biosphere Simulator)由美國(guó)威斯康星大學(xué)全球環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展中心(SAGE)的Foley等于1996年開發(fā)，是一個(gè)綜合的陸地生物圈模型，屬于新一代動(dòng)態(tài)全球植被模型(DGVM)[16-17]。IBIS模型包括陸面過程、冠層生理、植被物候、植被動(dòng)態(tài)和土壤地球生物化學(xué)等5大模塊[16-17]。模型將生態(tài)的、生物物理的及植物生理的等發(fā)生在不同時(shí)間尺度上(1h到1a)的過程進(jìn)行有機(jī)整合[16-17]。本研究依據(jù)中國(guó)植被類型特點(diǎn)，剔除原來模型中北方落葉針葉林(據(jù)中華人民共和國(guó)植被圖(1∶100萬)[19])，各個(gè)相關(guān)具體的生理參數(shù)采用IBIS推薦值(表1)。依據(jù)土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)[20]將植被覆蓋比例因子加入到模型中以更好反映中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被分布實(shí)際情況。

表1　不同植物功能型部分生理參數(shù)Table 1　Definition of some physiological parameters in different plant functional types

1.2數(shù)據(jù)來源

模型所需的主要輸入數(shù)據(jù)包括DEM、氣象數(shù)據(jù)、植被與土壤圖層。DEM數(shù)據(jù)采用SRTM數(shù)據(jù)；依據(jù)中國(guó)1∶400萬植被數(shù)據(jù)構(gòu)建植被圖層，并將其分類標(biāo)準(zhǔn)歸并到IBIS模型的植被類型；依據(jù)中國(guó)1∶100萬土壤數(shù)據(jù)構(gòu)建土壤圖層，主要包括土壤類型和6個(gè)土壤層深度的粘粒、粉砂和砂粒的含量比例；依據(jù)1955—2006年650個(gè)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)地面氣候資料構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫(kù)(站點(diǎn)分布如圖1)，包括逐月的降水、氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速。所有氣象數(shù)據(jù)利用ANUSPLIN[21]將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值生成，并與DEM、植被、土壤層的空間分辨率保持一致(0.085度)。模型模擬過程中的歷史CO2濃度數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)公布的全球觀測(cè)數(shù)據(jù)[22]。

圖1　氣象站點(diǎn)分布圖及氣候區(qū)劃(據(jù)中央氣象局，1994)　Fig.1　Meteorological station map of China and the geographical delineation of climate zones in China氣候區(qū)劃代碼：1：邊緣熱帶濕潤(rùn)區(qū)，2：南亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)，3：中亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)，4：北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)，5：暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)，6：暖溫帶干旱區(qū)，7：中溫帶濕潤(rùn)區(qū)，8：中溫帶干旱區(qū)，9：寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)，10：高原溫帶，11：高原寒帶 CZ1: Marginal Tropical Zone; CZ2: Southern Subtropical Zone; CZ3: Middle Subtropical Zone; CZ4: Northern Subtropical Zone; CZ5: Wet-Warm Temperate Zone; CZ6: Dry-Warm Temperate Zone; CZ7: Wet-Middle Temperate Zone; CZ8: Dry-Middle Temperate Zone; CZ9: Cold Temperate Zone; CZ10: Plateau Temperate Zone; CZ11: Plateau Frigid Zone

1.3模型設(shè)置

本研究中將模型模擬時(shí)間設(shè)置為1800—2006年，其中1800—1954年為模型預(yù)熱期，將多年平均的氣象數(shù)據(jù)作為模型輸入。1955—2006年模型根據(jù)逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)正式計(jì)算期，1960—2006年的結(jié)果為本文的分析對(duì)象，并依據(jù)全國(guó)氣候區(qū)劃(圖1)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與討論

2.1模型驗(yàn)證分析

2.1.1基于通量站點(diǎn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

驗(yàn)證分析以于貴瑞等[23]文章中所總結(jié)的2003—2005年中國(guó)部分通量站通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析時(shí)將通量站點(diǎn)疊加到IBIS模型2003—2005年的模擬總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)結(jié)果上，提取對(duì)應(yīng)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份的模擬GPP值。所有通量站點(diǎn)的信息及GPP觀測(cè)值與模擬值的對(duì)比如表2。

所有站點(diǎn)的所有年份的觀測(cè)值與模擬值之間吻合程度較好(r=0.82，P<0.01)。其中長(zhǎng)白山站、當(dāng)雄站和海北01站觀測(cè)值與模擬值差距相對(duì)較大。一方面，植被類型對(duì)照上有差異，如當(dāng)雄和海北的3個(gè)站點(diǎn)，實(shí)際植被類型為高寒草甸，模型模擬的植被類型為苔原，不同植被類型條件下的模擬，模型中采用不同的植被生理參數(shù)，植被類型相差較大，對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)值也會(huì)有較大的差別，從而造成生產(chǎn)力水平的差異；另一方面原因，是站點(diǎn)與柵格的尺度匹配問題，如海北02站與海北03站，它們的觀測(cè)值有將近0.3的差距，而對(duì)應(yīng)于模擬結(jié)果圖層，兩個(gè)站點(diǎn)則位于同一個(gè)柵格上。IBIS相關(guān)的單點(diǎn)研究表明生產(chǎn)力水平與通量站的實(shí)測(cè)值匹配較好[24]，因?yàn)閱吸c(diǎn)的研究能更好的控制輸入數(shù)據(jù)的精度及植被類型的變化等。就區(qū)域模擬水平來看，模型模擬結(jié)果是相對(duì)合理的。

表2　通量站點(diǎn)測(cè)定的GPP 值[23]與IBIS模型模擬GPP值Table 2　Simulated and observed GPP for selected China-FLUX stations

2.1.2基于發(fā)表文獻(xiàn)相關(guān)研究結(jié)果的對(duì)比

表3列舉了IBIS模型模擬的全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量和碳儲(chǔ)量(1980—2006年平均值)及與其他研究結(jié)果的比較?？梢钥吹剑琋PP總量值與孫睿等[7]及Feng等[25]的結(jié)果最為接近，整體上處于研究結(jié)果的范圍中；生物量的結(jié)果稍高于其它研究結(jié)果；凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)總量略高于季勁鈞等[33]和Cao等[30-31]的結(jié)果；對(duì)于NPP的模擬結(jié)果，樸世龍等[27]指出很多情況下模型沒有考慮植被覆蓋的情況，計(jì)算出來的是潛在的陸地生態(tài)系統(tǒng)凈第一生產(chǎn)力，從而使得模型模擬值偏高。本研究中考慮了喬木層和灌草叢的覆蓋比率因子，故NPP的模擬結(jié)果與大部分研究結(jié)果相比要偏低一些。

表3　IBIS 模型模擬的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP，生物量及NEP(1980—2006年平均)及與其他研究結(jié)果的比較Table 3　Comparison of carbon budget results of IBIS (mean value during 1980—2006) and other researches

2.2中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP和NEP時(shí)空變化特征

2.2.1中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP和NEP空間格局

圖2可以看出，IBIS模型模擬的全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP從1980年至2006年NPP的多年平均值的分布格局。西北地區(qū)為NPP的低值區(qū)，這一地區(qū)主要是沙漠和荒漠分布區(qū)，NPP值在50 gC m-2a-1以下；青藏高原，黃土高原及內(nèi)蒙古高原等地區(qū)，NPP值約位于50—200 gC m-2a-1的區(qū)間上；東北的大興安嶺、小興安嶺、秦嶺、長(zhǎng)江中上游及青藏高原東坡地區(qū)，NPP值約位于200—450 gC m-2a-1的區(qū)間上；長(zhǎng)白山及西南大部分地區(qū)NPP在450—700 gC m-2a-1的區(qū)間上；東南地區(qū)及西南西雙版納地區(qū)大部分地區(qū)NPP值在700—1000 gC m-2a-1的區(qū)間上，部分地區(qū)在1000 gC m-2a-1以上，其主要原因在于這些地區(qū)水熱條件優(yōu)越，多為熱帶-亞熱帶常綠闊葉林。

圖3顯示了模型模擬的1980年至2006年NEP多年平均值的分布情況，從圖中可以看到西北地區(qū)、內(nèi)蒙古北部地區(qū)、東北平原部分地區(qū)及青藏高原西南等表現(xiàn)出弱的碳源，約為0—30gC m-2a-1，青藏高原、內(nèi)蒙古東北部、華北及黃淮地區(qū)，西南大部分地區(qū)表現(xiàn)為弱的碳匯區(qū)，約為0—30gC m-2a-1，東北大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山地區(qū)、東南地區(qū)及西南部分地區(qū)表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳匯，NEP值為30—55 gC m-2a-1，少數(shù)地方為55—100 gC m-2a-1，藏南部分地區(qū)NEP值在100 gC m-2a-1以上。

圖3　IBIS模型模擬的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NEP分布(1980—2006 年多年平均值)Fig.3　Simulated NEP result map of China with IBIS (Mean NEP during 1980—2006)

2.2.2中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP和NEP總量時(shí)間格局

在1960年至2006年期間，全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP總量總體呈上升趨勢(shì)，年際間有波動(dòng)(圖4)。NPP總量變化范圍在2.2 GtC/a至2.7 GtC/a之間，均值為2.46 GtC/a。全國(guó)NPP總量的上升變化幅度約為60 MtC/10a(P<0.01)。在80年代以來，在1990年、1993年、1996年、1998年及2002年出現(xiàn)了幾個(gè)較大的峰值，這一結(jié)果與樸世龍等[27]利用CASA模型模擬的1982—1999年中國(guó)植被凈第一性生產(chǎn)力的結(jié)果基本一致，其結(jié)果在1990年、1993年和1998年出現(xiàn)峰值，他提出這一結(jié)果與當(dāng)年的年平均降水量比其它年份降水量要豐沛有關(guān)，并指出我國(guó)的植被凈第一性生產(chǎn)力與年平均降水量顯著相關(guān)。本研究的結(jié)果對(duì)應(yīng)在1997年和1998年出現(xiàn)了相對(duì)低值和相對(duì)高值。從上述研究結(jié)果對(duì)比來看，本研究模擬的全國(guó)NPP總量水平處于 Fang等[34]與Cao等[31]的結(jié)果之間。 Cao等[31]NPP高峰值出現(xiàn)在1985年、1990年和1998年。本研究中，中國(guó)陸上生態(tài)系統(tǒng)NPP年際變化與這些研究規(guī)律表現(xiàn)出較好的一致性，這些年份中國(guó)區(qū)域可能與受到了厄爾尼諾等極端氣候的影響有關(guān)。

在1960年至2006年期間，全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NEP總量總體呈上升趨勢(shì)，上升變化幅度約為16 MtC/10a(P<0.05)(圖5)。全國(guó)NEP總量變化范圍在-0.10 GtC/a至0.25 GtC/a的區(qū)間上，均值為0.11GtC/a。全國(guó)NEP總量基本表現(xiàn)為弱碳匯效應(yīng)，1990年出現(xiàn)最高值。NEP年際間的波動(dòng)也較大，這可能與降水氣溫等氣候條件的變化有關(guān)。對(duì)照NPP總量的年際變化圖(圖4)來看，NEP與NPP的峰值點(diǎn)與谷值點(diǎn)基本對(duì)應(yīng)，NPP的變化的量級(jí)直接影響著NEP的變化趨勢(shì)，NPP高的年份均表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳匯效應(yīng)，而NPP的谷值年份，絕大部分對(duì)應(yīng)NEP值均表現(xiàn)為較弱匯效應(yīng)。Cao等[31]利用CEVSA模型對(duì)中國(guó)1981—2000年的NEP進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，中國(guó)年NEP總量范圍位于-0.32 GtC/a至0.25 GtC/a的區(qū)間上，平均值為0.07 GtC/a。本研究在相應(yīng)的時(shí)段上中國(guó)年NEP總量范圍位于0.05 GtC/a至0.24 Gt C/a的區(qū)間上，平均值為0.12 GtC/a，略高于Cao等[31]的結(jié)果。從20世紀(jì)90年代開始中國(guó)區(qū)域降水量出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，造成一定程度的干旱[35]。模擬時(shí)段上，從1960年到1990年NEP(k=0.03,P<0.01)表現(xiàn)為明顯的上升趨勢(shì)，從1991到2006年NEP(k=-0.0052,P=0.11)表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，可能與從20世紀(jì)90年代的干旱程度加劇有關(guān)，但是統(tǒng)計(jì)意義不顯著，需要更長(zhǎng)序列的模擬值來證實(shí)。

圖4　1960—2006年IBIS模型模擬的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)年NPP總量變化Fig.4　The variation of total NPP of China during 1960—2006

圖5　1960—2006年IBIS模型模擬的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)年NEP總量變化Fig.5　The variation of total NEP of China during 1960—2006

2.3基于不同氣候區(qū)劃中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP和NEP變化特征

2.3.1中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP在不同氣候區(qū)域變化特征分析

氣候區(qū)劃體現(xiàn)了不同地理區(qū)域上熱量與水分的分配狀況，其對(duì)植被的生產(chǎn)力有極為重要的影響，在歸并整理的11個(gè)氣候區(qū)域(圖1)的基礎(chǔ)上對(duì)全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP情況進(jìn)行了分析。圖6顯示了各個(gè)氣候區(qū)1960年至2006年NPP的年際變化情況及多年平均值，并對(duì)時(shí)間序列上的NPP作線性回歸，判斷其變化趨勢(shì)。

圖6　全國(guó)各氣候區(qū)1960—2006年NPP的年際變化，多年平均值水平(藍(lán)線)，及時(shí)間序列上的NPP 的簡(jiǎn)單線性回歸(細(xì)直線)Fig.6　Variation of NPP for each climate zone from 1960 to 2006 with the multi-year mean NPP line

整體而言，除了暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ05)和中溫帶干旱區(qū)(CZ08)外，其它各個(gè)氣候區(qū)的NPP水平在過去的幾十年中都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。從NPP的平均水平來看，高原溫帶(CZ10)的NPP平均水平高于高原寒帶(CZ11)，南亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ02)NPP平均水平高于中亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ03)，中亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ03)高于北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ04)。從干濕狀況來看，暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ05)NPP水平要高于暖溫帶干旱區(qū)(CZ06)NPP的平均水平，中溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ07)的NPP平均水平要大大高于中溫帶干旱區(qū)(CZ08)的NPP平均水平，說明了水分因子對(duì)生產(chǎn)力水平的影響，在一定范圍里，水分越充沛，生產(chǎn)力水平越高，此結(jié)論與樸世龍等[27]的研究一致。NPP受輻射的影響也較大，1991年6月份的菲律賓 Pinatubo火山爆發(fā)[36]導(dǎo)致中國(guó)區(qū)域輻射銳減，間接造成了11個(gè)分區(qū)(圖6)和中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)整體NPP(圖5)的顯著下降。

2.3.2中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NEP在不同氣候區(qū)域變化特征分析

在氣候區(qū)劃(圖1)的基礎(chǔ)上對(duì)全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NEP情況進(jìn)行了分析。圖7顯示了各個(gè)氣候區(qū)1960年至2006年平均NEP的年際變化情況，并對(duì)時(shí)間序列上的NEP作線性回歸，分析其變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，僅暖溫帶干旱區(qū)(CZ06)的NEP平均水平表現(xiàn)為碳源效應(yīng)；邊緣熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ01)、南亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ02)、中溫帶干旱區(qū)(CZ08)和寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ09)在1960至2006年整體上基本維持相同的碳匯效應(yīng)水平；中溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ07)、高原溫帶(CZ10)和高原寒帶(CZ11)碳匯效應(yīng)呈顯著上升趨勢(shì)。總體來看，碳匯水平最高為寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ09)，平均碳匯水平為30.0 gC m-2a-1，但其碳匯水平在1998年之后有所減弱；其次是南亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ02)(20.8 gC m-2a-1)，中亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ03)(19.6 gC m-2a-1)，邊緣熱帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ01)(19.4 gC m-2a-1)和中溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ07)(18.2 gC m-2a-1)。

11個(gè)氣候分區(qū)，除了中溫帶濕潤(rùn)區(qū)(CZ07)、高原溫帶(CZ10)和高原寒帶(CZ11)，其它分區(qū)的變化趨勢(shì)均不顯著，說明中國(guó)大多數(shù)的氣候分區(qū)的碳源匯格局效應(yīng)已經(jīng)趨于平衡，沒有明顯的變化趨勢(shì)。NEP為NPP與土壤異養(yǎng)呼吸(HR)的差值。土壤呼吸一般是隨著降水量的增加而升高的，但雨量充沛的地方，土壤呼吸與降水量會(huì)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[37]，因此NEP的估算結(jié)果不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過NPP。

圖7　各氣候區(qū)1960年至2006年NEP的年際變化，多年平均值水平(藍(lán)線)，及時(shí)間序列上的NEP的線性回歸(細(xì)直線)Fig.7　Variation of NEP for each climate zone from 1960 to 2006 with the multi-year mean NEP line

圖8　1960—2006年全國(guó)年NPP總量分別與年平均氣溫、年降水量的相關(guān)性Fig.8　Correlation relationship between annual total NPP and annual temperature, NPP and annual precipitation during 1960—2006

2.4中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP、NEP和降水、溫度、CO2濃度的相關(guān)性分析

為研究NPP與氣溫及降水之間的關(guān)系，對(duì)1960年至2006年全國(guó)年平均氣溫及年平均降水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖8)，并與當(dāng)年的NPP總量值進(jìn)行相關(guān)性分析，NPP與降水及溫度均顯著相關(guān)，并且NPP與氣溫的相關(guān)程度更高。NPP與降水的相關(guān)系數(shù)r=0.38(P<0.01，N=47)，NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)r=0.69(P<0.01，N=47)。

在上述基礎(chǔ)上，基于不同氣候區(qū)劃條件下，進(jìn)一步對(duì)1960年至2006年各年各區(qū)域年平均氣溫及年降水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與當(dāng)年各區(qū)域的NPP和NEP平均值進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。中國(guó)11個(gè)氣候區(qū)，NPP與降水均為正相關(guān)，除了中溫帶濕潤(rùn)區(qū)、寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)、高原溫帶和高原寒帶外，降水是限制植被生長(zhǎng)的主要因子。除了高原寒帶外，NEP表現(xiàn)出與降水的更好相關(guān)性，與氣溫的相關(guān)性較弱。

已有研究證實(shí)，CO2濃度的升高也是中國(guó)碳收入增加的原因之一[3,38]。CO2濃度決定了植物胞間與胞外CO2濃度(Ci/Ca)，從而影響了IBIS模型的C3和C4植物碳水平衡。CO2濃度主要影響光合作用，其濃度的對(duì)NPP和NEP的變化均有一定關(guān)系。CO2濃度與NPP的相關(guān)性較強(qiáng)(r=0.76,P<0.01)，NEP與CO2的相關(guān)性相對(duì)較弱(r=0.32,P<0.05)。

2.5模型模擬的不確定性分析

盡管與樣地?cái)?shù)據(jù)和其他研究相比較，本文的研究結(jié)果處于一個(gè)合理的范圍，但是IBIS模擬中國(guó)凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳收支格局仍然存在很大的不確定性：(1)大部分參數(shù)采用的是模型原始的全球水平上的參數(shù)集，對(duì)于中國(guó)區(qū)域植被類型不一定完全合適，存在一定的不確定性；(2)模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)(氣象、土壤、植被等)在空間尺度轉(zhuǎn)換及匹配上存在不確定性；(3)不同研究的模擬時(shí)間段不同、模型參數(shù)不同、模型和樣地尺度不匹配等，造成了模型結(jié)果對(duì)比的不確定性;(4)除了氣溫、降水和CO2濃度升高外，土地利用變化和退耕還林等工程的實(shí)施也影響了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支平衡[3, 38]，在進(jìn)一步的模型模擬研究中需要考慮相關(guān)人類活動(dòng)的影響。

表4　各個(gè)氣候區(qū)的年NPP和NEP與各區(qū)域年平均氣溫和年降水量的相關(guān)關(guān)系Table 4　Correlative coefficients andPvalues between annual mean NPP and annual temperature and annual precipitation for each climate zone during 1960—2006

3　結(jié)論

本研究基于IBIS模型對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)歷史時(shí)期(1960—2006年)氣候變化條件及CO2濃度條件下，碳收支時(shí)空變異特征和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了模擬分析。利用森林樣地?cái)?shù)據(jù)、通量站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并和其他相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明IBIS模型對(duì)于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的模擬取得了合理的效果。中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力水平在東南及西南地區(qū)最高，其次是長(zhǎng)白山及大小興安嶺地區(qū)，西北內(nèi)陸地區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力水平最低；就氣候區(qū)劃而言，除了暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)和中溫帶干旱區(qū)外，其它各個(gè)氣候區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力水平在過去的幾十年中都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，并依據(jù)各個(gè)氣候區(qū)水熱狀況的不同，凈初級(jí)生產(chǎn)力水平與降水和氣溫表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性；從時(shí)間序列上來看，全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力水平總量總體呈上升趨勢(shì)，近20年來，在1990年、1993年、1996年、1998年及2002年出現(xiàn)了峰值。凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力結(jié)果表明，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)絕大部分區(qū)域表現(xiàn)出碳匯效應(yīng)，西北內(nèi)陸區(qū)表現(xiàn)出弱碳源效應(yīng)，大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山、東南地區(qū)及西南部分地區(qū)表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳匯效應(yīng)；從氣候區(qū)劃來看，僅暖溫帶干旱區(qū)的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的平均水平表現(xiàn)為碳源效應(yīng)，溫帶濕潤(rùn)區(qū)、高原溫帶區(qū)和高原寒帶區(qū)碳匯效應(yīng)呈顯著上升趨勢(shì)；從時(shí)間序列上來看，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)基本表現(xiàn)為弱碳匯效應(yīng)，并且總體呈上升趨勢(shì)，1990年出現(xiàn)最高碳匯水平。中國(guó)11個(gè)氣候區(qū)，NPP與降水均為正相關(guān)，除了中溫帶濕潤(rùn)區(qū)、寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)、高原溫帶和高原寒帶外，降水是限制植被生長(zhǎng)的主要因子。除了高原寒帶外，NEP表現(xiàn)出與降水的更好相關(guān)性，與氣溫的相關(guān)性較弱。

致謝：感謝“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”提供的中國(guó)氣象站點(diǎn)的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)和“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”(http://www.geodata.cn/Portal/)提供的1km中國(guó)地區(qū)土地覆蓋綜合數(shù)據(jù)集。

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Evaluating the carbon budget pattern of Chinese terrestrial ecosystem from 1960 to 2006 using Integrated Biosphere Simulator

YANG Yanzheng1, MA Yuandan2, JIANG Hong2, 3, ZHU Qiu′an1,*, LIU Jinxun4, PENG Changhui1, 5

1CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

2ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestration,ZhejiangAgricultureandForestryUniversity,Hangzhou311300,China

3InternationalInstituteforEarthSystemScience,NanjingUniversity,Nanjing210093,China

4WesternGeographicScienceCenter,U.S.GeologicalSurvey,MenloPark94025,USA

5InstituteofEnvironmentSciences,UniversityofQuebecatMontreal,MontrealC3H3P8,Canada

Estimating the carbon budget is one of the most important scientific questions for observing worldwide biological changes. In this study, we used the Integrated Biosphere Simulator (IBIS) to evaluate the effects of climate change and elevated CO2concentration on the temporal and spatial variation of carbon budget pattern in the terrestrial ecosystem in China during 1960 to 2006. The results from the model were validated against forestry inventory and flux observation data, and compared with other data from previous publications. The following results were obtained: (1) IBIS accurately simulated the carbon budget pattern of the terrestrial ecosystem of China. The highest net primary productivity (NPP) was observed in southeastern and southwestern China, while the lowest NPP was distributed in northwestern China. (2) The NPP showed an increasing trend from 1960 to 2006 in all climate zones except in the wet-warm-temperate zone. From 1960 to 2006, the total NPP of the terrestrial ecosystem of China showed an increasing trend at a rate of 6 MtC/a and the range of NPP was between 2.2 GtC/a and 2.7 GtC/a, with a mean value of 2.46 GtC/a; peak values occurred in 1990, 1993, 1996, 1998, and 2002. (3) In 11 climate zones, NPP was significantly correlated with precipitation and temperature, and precipitation was the main limiting factor except in the wet-middle temperate, cold temperate, plateau temperate, and plateau frigid zones. (4) The net ecosystem productivity (NEP) showed that most terrestrial ecosystems in China acted as carbon sinks. Only the dry-warm-temperate zone in northwestern China and the southwestern part of the Tibet plateau acted as a small carbon source, while Daxinganling, Xiaoxinganling, and Changbai mountains as well as southeastern and southwestern China acted as large carbon sinks. (5) The NEP showed a significant increasing trend in the wet-middle-temperate, plateau temperate, and plateau frigid zones, while other zones remained in a stable state from 1960 to 2006. The total NEP of the terrestrial ecosystem of China also showed an increasing trend at a rate of 1.6 MtC/a and the range of NEP was between -0.10 GtC/a and 0.25 GtC/a, with a mean value of 0.11 GtC/a from 1960 to 2006. (6) The NEP showed a stronger correlation with precipitation than temperature. Except for temperature, precipitation, increasing CO2, land-use change, and the program of “Grain for Green” were also among the most important factors caused the change in the carbon budget of China, and the response of terrestrial ecosystem to these factors will be the priority for future research. Above all, IBIS produced reasonable and reliable results on the terrestrial carbon budget in China, and these results can be applied in predicting the potential of carbon sequestration and providing the scientific basis for regional carbon management.

terrestrial ecosystem; carbon budget; NPP; NEP; IBIS; China

10.5846/stxb201410262092

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41201079)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB956602)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120204120007)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JQ3016)

2014-10-26; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-29

Corresponding author.E-mail: qiuan.zhu@gmail.com

楊延征，馬元丹，江洪，朱求安，劉金勛，彭長(zhǎng)輝.基于IBIS模型的1960—2006年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支格局研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(13):3911-3922.

Yang Y Z, Ma Y D, Jiang H, Zhu Q A, Liu J X, Peng C H.Evaluating the carbon budget pattern of Chinese terrestrial ecosystem from 1960 to 2006 using Integrated Biosphere Simulator.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):3911-3922.