王 樂(lè), 杜靈通,*, 丹 楊, 宮 菲, 鄭琪琪, 馬龍龍, 孟 晨

1 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021 2 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021 3 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021

全球變化已影響到不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程[1],在全球變暖背景下,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(El Nio/Southern Oscillation,ENSO)等氣候事件的敏感性將增加[2],但不同季節(jié)、不同區(qū)域間非均一的氣候變暖特性,對(duì)各氣候情景下的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模擬提出了挑戰(zhàn)[3]。目前,有關(guān)氣候變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響大多集中在增溫控制試驗(yàn)[4],已有文獻(xiàn)的Meta分析表明,氣候變暖使陸地生態(tài)系統(tǒng)地上和地下植物碳儲(chǔ)量分別增加6.8%和7.0%[5]。但區(qū)域大尺度的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)如何響應(yīng)氣候變暖過(guò)程,則需要通過(guò)耦合氣候模型和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)[6],而如何簡(jiǎn)化復(fù)雜的氣候模型和在區(qū)域尺度上本地化生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型參數(shù)是當(dāng)前急需解決的難題。

氣候變化會(huì)對(duì)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[7],而草地占全球陸地面積的1/5,在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[8],中國(guó)的草地碳儲(chǔ)量占全球草地碳儲(chǔ)量的9%—16%[9],因此研究氣候變化對(duì)中國(guó)草地碳儲(chǔ)量的影響具有重要的科學(xué)意義。草地作為對(duì)氣候變化最敏感的陸地生態(tài)系統(tǒng)[10],不僅生物量會(huì)隨著年際間氣候變化而波動(dòng)[11]、其碳固定能力也會(huì)隨之發(fā)生變化[12]。以內(nèi)蒙古典型草原為例,其在濕潤(rùn)年表現(xiàn)出弱碳匯的性質(zhì),而在干旱年則迅速變?yōu)樘荚碵13],這表明水分虧缺會(huì)嚴(yán)重抑制草地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力[14- 15]。同時(shí),溫度通過(guò)影響草地生態(tài)系統(tǒng)的光合與呼吸過(guò)程也成為影響草地生產(chǎn)力和碳通量的因子之一[12]。目前我國(guó)關(guān)于草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中在青藏高原典型高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)及內(nèi)蒙古典型溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)[16],對(duì)于氣候過(guò)渡地帶的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究報(bào)道較少。而有研究表明,不同區(qū)域及下墊面性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異[17],因此需要針對(duì)不同的草地類(lèi)型進(jìn)行針對(duì)性的定量研究,明確其碳儲(chǔ)量變化規(guī)律。鹽池荒漠草原位于干旱區(qū)與半干旱區(qū)、草原與荒漠的過(guò)渡地帶,這種地理上的過(guò)渡性使得其荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)極其敏感[18],但目前尚未見(jiàn)到該生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究報(bào)道。同時(shí),由于該區(qū)域缺少生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),很難從長(zhǎng)時(shí)間序列上對(duì)鹽池荒漠草原的各類(lèi)碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。鑒于此,本研究基于Biome-BGC模型和1958—2017年的氣象觀測(cè)資料,模擬60 a間鹽池縣荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)在4種氣候情景下的土壤碳、植被碳、枯落物碳及總碳含量的動(dòng)態(tài)變化,在此基礎(chǔ)上定量分析氣候變化對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響,以期揭示過(guò)渡帶荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律,為地方政府制定應(yīng)對(duì)氣候變化策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部,37°04′—38°10′N(xiāo)和106°30′—107°47′E之間,總面積6769 km2,海拔1295—1951 m[18]。北鄰毛烏素沙漠,東南與黃土高原相連,地勢(shì)南高北低,自東南向北由黃土丘陵向鄂爾多斯沙地過(guò)渡,氣候從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡,植被從干草原向荒漠草原過(guò)渡,屬于典型的過(guò)渡地帶[18]。這種地理上的過(guò)渡性造成了自然資源多樣性和脆弱性的特點(diǎn)。鹽池縣1958—2017年間的年平均氣溫為8.34 ℃,年均降水為296.99 mm,屬于典型的溫帶大陸性氣候,研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)松散,地帶性土壤以灰鈣土為主,非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土和草甸土等。植被類(lèi)型以沙生植被和荒漠植被為主[19],主要物種有中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、胡枝子(Lespedezabicolor)、冰草(Agropyroncristatum)、短花針茅(Stipabreviflora)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)和長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)等。

1.2 數(shù)據(jù)

本研究驅(qū)動(dòng)Biome-BGC模型所需數(shù)據(jù)有氣象數(shù)據(jù)和其他描述性數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)包括鹽池縣1958—2017年的逐日最高溫度、最低溫度及降水量等,描述性數(shù)據(jù)包括觀測(cè)站點(diǎn)屬性、土壤屬性、CO2濃度數(shù)據(jù)、植被類(lèi)型及生理生態(tài)參數(shù)等(表1)。植物生理生態(tài)參數(shù)為光合類(lèi)型(C3/C4)、葉片碳氮比、物候過(guò)程、根莖分配、冠層比葉面積、最大氣孔導(dǎo)度等,參數(shù)含義參考康滿春等[20]文獻(xiàn),其中,依據(jù)寧夏農(nóng)業(yè)勘查設(shè)計(jì)院編著的《寧夏植被》一書(shū)中的描述,判斷鹽池荒漠草原主要為C3植物,模型選擇C3光合類(lèi)型。氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取,CO2數(shù)據(jù)采用青海省瓦里關(guān)大氣本底站的CO2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 驅(qū)動(dòng)Biome-BGC模型所需的數(shù)據(jù)集

1.3 方法

為探究不同氣候情景下荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量特征及動(dòng)態(tài)變化,本研究結(jié)合寧夏鹽池縣的氣候?qū)嶋H,設(shè)計(jì)了4種不同的氣候變化情景。不同于以往單一的氣溫增溫或降水按比例增加情景模擬,本研究假定鹽池縣1958—2017年期間存在著氣候變化過(guò)程,即降水與溫度因子存在內(nèi)在的波動(dòng)和增減趨勢(shì)。為剝離這種氣候變化影響,通過(guò)時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析方法,剝離降水的氣候波動(dòng)影響和氣溫的趨勢(shì)變化,并通過(guò)重構(gòu)后的降水和氣溫序列組合來(lái)驅(qū)動(dòng)Biome-BGC模型,模擬不同氣候情景下鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的碳動(dòng)態(tài)。

1.3.1氣候情景設(shè)計(jì)

根據(jù)史培軍等對(duì)我國(guó)氣候區(qū)劃的研究,寧夏鹽池存在著明顯的氣候增溫和降水波動(dòng)特征[21]。為此,本研究設(shè)計(jì)了4種氣候情景模式(表2)。

表2 4種氣候情景

1.3.2集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

Huang等[22]提出的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)是一種被廣泛應(yīng)用于信號(hào)分析的時(shí)間序列分析方法,其可將時(shí)間序列的數(shù)據(jù)分解成多個(gè)固有模態(tài)分量(IMF)和一個(gè)殘余趨勢(shì)分量。分離原理是將極大值與極小值分別用樣條函數(shù)曲線連接起來(lái),構(gòu)成上下兩條包絡(luò)線,m1為均值線序列,將原始數(shù)據(jù)序列X(t)與m1序列求差得到h1、經(jīng)過(guò)k次篩選,使h1的極大值全部為正數(shù),極小值全部為負(fù)值,且使得波峰與波谷的形態(tài)關(guān)于正坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng),得到了第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)IMF1：

C1(t)=h1k(t)=h1(k-1)(t)-m1k(t)

(1)

其中t是時(shí)間,C1是原始序列中尺度最短、頻率最高的分量。把C1從原始序列X(t)中分離出剩余序列r1,然后重復(fù)上述步驟得到第二個(gè)分量IMF2。重復(fù)n次就可將原始序列X(t)分離成n個(gè)不同時(shí)頻的分量。

(2)

本研究使用EEMD方法分解1958—2017年氣溫、降水量觀測(cè)序列中的內(nèi)在趨勢(shì),并從原始觀測(cè)氣溫序列中剔除內(nèi)在趨勢(shì),用以重建無(wú)氣候變化過(guò)程影響的氣溫和降水量序列。

1.3.3Biome-BGC模型

Biome-BGC是一種廣泛應(yīng)用于模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮水循環(huán)的模型[23],由FOREST-BGC生態(tài)過(guò)程模型發(fā)展而來(lái)[24]。Biome-BGC模型的機(jī)理為物質(zhì)與能量守恒定律,即每天進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的能量與離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)的能量之差就是積累在該生態(tài)系統(tǒng)中的能量。BGC模型的驅(qū)動(dòng)需要輸入初始化文件、氣象數(shù)據(jù)和生理生態(tài)參數(shù)文件,初始化文件定義模擬過(guò)程的一般信息,包括站點(diǎn)物理特性、時(shí)間框架描述、輸入輸出文件名稱(chēng)及輸出變量列表等。氣象數(shù)據(jù)包括日尺度的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、平均水氣壓虧缺、短波輻射強(qiáng)度和晝長(zhǎng)。由于鹽池氣象站無(wú)全部要素的觀測(cè),因此利用觀測(cè)的最高氣溫、最低氣溫和降水量驅(qū)動(dòng)MTCLIM模型模擬前述氣象7要素。生理生態(tài)參數(shù)包括葉片C:N比、最大氣孔導(dǎo)度等44個(gè)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候情景模擬及碳儲(chǔ)量模擬結(jié)果驗(yàn)證

本研究設(shè)計(jì)和模擬了4種氣候情景,即當(dāng)前真實(shí)經(jīng)歷的氣候變化過(guò)程(情景A)、只存在降水波動(dòng)增強(qiáng)但無(wú)氣溫增溫的情景(情景B)、只存在氣溫增溫但無(wú)降水波動(dòng)增強(qiáng)的情景(情景C)以及不發(fā)生氣候變化的基準(zhǔn)情景(情景D)。其中,情景A是當(dāng)前真實(shí)經(jīng)歷的氣候變化過(guò)程,即經(jīng)歷了氣溫增溫和降水波動(dòng)增強(qiáng)兩種變化過(guò)程,氣象資料也真實(shí)記錄了這一過(guò)程,故不需要對(duì)歷史降水量和氣溫觀測(cè)資料進(jìn)行處理。其他三種情景均需模擬無(wú)氣溫增溫或無(wú)降水波動(dòng)增強(qiáng)的氣候變化過(guò)程,為實(shí)現(xiàn)這一模擬,需對(duì)歷史觀測(cè)的氣溫和降水資料進(jìn)行處理,剔除自然氣候變化過(guò)程的影響。本研究使用了EEMD方法,對(duì)1958―2017年間的日最高氣溫、最低氣溫及降水量進(jìn)行分解,從分解結(jié)果來(lái)看,原始?xì)鉁嘏c降水序列均存在內(nèi)在殘余趨勢(shì)(圖1),因此將原始?xì)鉁匦蛄袦p去了EEMD分解的殘余趨勢(shì)變量,以重建無(wú)氣候變化影響的氣溫序列。EEMD分解還得到多個(gè)固有模態(tài)分量,由于降水序列不僅存在內(nèi)在趨勢(shì),更重要的是隨著氣候變化,極端洪澇事件增多,降水波動(dòng)性在增強(qiáng)。為還原無(wú)氣候變化影響的降水過(guò)程,降水序列不僅減去了內(nèi)在殘余趨勢(shì),還減去了代表極端洪澇過(guò)程的第一高頻分量(IMF1),從而重建沒(méi)有氣候變化影響的降水量序列,結(jié)果如圖1所示。

圖1 近60年鹽池氣溫及降水序列、EEMD殘余趨勢(shì)及氣候重建結(jié)果Fig.1 Temperature, precipitation, EEMD residual trend and the results of climate reconstruction in Yanchi county from 1958 to 2017

圖2 Biome-BGC模擬碳儲(chǔ)量與NPP轉(zhuǎn)換碳儲(chǔ)量對(duì)比 Fig.2 Comparison of Biome-BGC simulated carbon storage and NPP converted carbon storageNPP：凈初級(jí)生產(chǎn)力，Net Primary Production

利用重建的4種氣候情景下降水量和氣溫序列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)Biome-BGC模型,模擬1958—2017年鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)植被碳、枯落物碳、土壤碳和總碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化。由于鹽池縣沒(méi)有長(zhǎng)達(dá)60年或較為連續(xù)的碳儲(chǔ)量觀測(cè)資料,本研究利用前人已經(jīng)發(fā)表的2000—2016年寧夏草地的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)數(shù)據(jù)[19],通過(guò)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的碳儲(chǔ)量,來(lái)驗(yàn)證Biome-BGC模型在本區(qū)域的模擬結(jié)果。朱玉果等[19]報(bào)道的NPP數(shù)據(jù)為寧夏全部草地的平均NPP,依據(jù)程積民等[25]報(bào)道的典型草原和荒漠草原植被碳密度的比例,本研究將寧夏草地NPP數(shù)據(jù)乘以0.8的系數(shù)轉(zhuǎn)換為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)年植被凈初級(jí)生產(chǎn)的碳儲(chǔ)量。植被凈初級(jí)生產(chǎn)的碳儲(chǔ)量對(duì)應(yīng)為Biome-BGC模擬的植被碳儲(chǔ)量與新增枯落物碳儲(chǔ)量,因當(dāng)年植被凈初級(jí)生產(chǎn)的枯落物主要在生長(zhǎng)季結(jié)束至下年初累積,且枯落物蓄積的同時(shí)也在分解[26],故將其次年1/3的枯落物總量作為當(dāng)年植被生產(chǎn)的枯落物累積量。驗(yàn)證結(jié)果表明(圖2),Biome-BGC模擬的植被凈初級(jí)生產(chǎn)碳儲(chǔ)量與NPP轉(zhuǎn)換碳儲(chǔ)量的相關(guān)性系數(shù)為0.64(P<0.01),模型估算的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)為0.0188 kg/m2,表明模型估算精度較高,能夠表征鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量狀況。

2.2 不同氣候情景下荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量特征

鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的枯落物碳和植被碳在4種氣候情景下普遍偏低,其碳儲(chǔ)量主要來(lái)自于土壤碳(表3),4種氣候情景下土壤碳儲(chǔ)量平均占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的94.03%,枯落物碳儲(chǔ)量占4.03%,植被碳儲(chǔ)量只占到了1.94%。對(duì)比未發(fā)生氣候變化的基準(zhǔn)情景(情景D)和真實(shí)氣候變化情景(情景A)下的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量,可以看出氣候變化導(dǎo)致近60 a鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)年總碳儲(chǔ)量平均增加了0.0412 kg/m2,其中植被碳、枯落物碳和土壤碳儲(chǔ)量各增加了0.0093、0.0188和0.0131 kg/m2,增幅分別為22.63%、22.04%和0.60%。這可能是由于氣候變化引起區(qū)域植被活動(dòng)增強(qiáng)[27],植被蓋度增高,生產(chǎn)力增強(qiáng),導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)植被和枯落物碳儲(chǔ)量明顯增加、氣候變暖也增加了土壤呼吸作用[28],加速了土壤碳排放,因此土壤碳儲(chǔ)量的增幅微弱、此外,由于荒漠草原植被稀疏,植被和枯落物碳儲(chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的比例較低,故整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總碳儲(chǔ)量只增加了1.77%。對(duì)比氣溫增溫情景(情景C)、降水波動(dòng)增強(qiáng)情景(情景B)和基準(zhǔn)情景(情景D)可以看出,單獨(dú)的氣溫增溫會(huì)導(dǎo)致植被碳儲(chǔ)量略微增加,但會(huì)導(dǎo)致枯落物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量略微降低,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量降低。單獨(dú)的降水波動(dòng)增強(qiáng)會(huì)明顯導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的增加,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量增加。由此可見(jiàn),降水變化是導(dǎo)致荒漠草原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)變化的主要因素。

表3 不同氣候情景下近60年鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)年平均碳儲(chǔ)量

2.3 年際碳儲(chǔ)量變化規(guī)律

圖3 不同氣候情景下的年際碳儲(chǔ)量變化Fig.3 Interannual carbon storage fluctuation in different climate scenarios

從4種氣候情景下鹽池荒漠草原1958—2017年生態(tài)系統(tǒng)植被碳、枯落物碳、土壤碳和總碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,植被碳儲(chǔ)量存在較強(qiáng)的年際間的波動(dòng)特征,且與同期降雨量的波動(dòng)特征一致(圖3),這是因?yàn)榛哪菰貐^(qū)的植被生長(zhǎng)和碳積累主要受制于降水量,降水豐沛的年份植被生長(zhǎng)豐茂,植被碳儲(chǔ)量增加,干旱年分植被生長(zhǎng)稀疏,植被碳儲(chǔ)量降低?？萋湮锾純?chǔ)量的波動(dòng)特征與植被碳儲(chǔ)量相似,但變化較為緩慢,這可能與枯落物碳儲(chǔ)量有一定的蓄積和延遲效應(yīng)有關(guān)(圖3)?？萋湮锾純?chǔ)量在1980年前后表現(xiàn)出一個(gè)明顯的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折,以基準(zhǔn)情景(情景D)為例,1958—1980年間存在著-0.0011 kg m-2a-1的下降趨勢(shì)(P<0.01)、而在1980年以后則表現(xiàn)出0.0007 kg m-2a-1的上升趨勢(shì)(P<0.01),但波動(dòng)性更強(qiáng)。土壤碳儲(chǔ)量有明顯的累積效應(yīng),基準(zhǔn)氣候情景(情景D)下,近60 a以每年0.0020 kg/m2的速度累積(圖3)。生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為植被、枯落物與土壤碳儲(chǔ)量的總和,故總碳儲(chǔ)量在60 a中呈波動(dòng)性上升(圖3)。以上結(jié)果可知,荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的地上生物量較少,植被與枯落物碳儲(chǔ)量較低,且受降水波動(dòng)的影響較大?；哪菰鷳B(tài)系統(tǒng)的大部分碳儲(chǔ)存于土壤之中,而土壤碳儲(chǔ)量受降水波動(dòng)的影響較小。從不同氣候情景來(lái)看,真實(shí)氣候變化情景(情景A)與降水波動(dòng)增強(qiáng)情景(情景B)下的4種碳儲(chǔ)量較為相近,氣溫增溫情景(情景C)與基準(zhǔn)情景(情景D)下的4種碳儲(chǔ)量較為相近,4種氣候情景下各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的年際波動(dòng)形態(tài)較為一致。但不同氣候情景下碳儲(chǔ)量隨時(shí)間的累積效應(yīng)存在差異,對(duì)比情景A和情景D可以得出,植被碳儲(chǔ)量不存在隨氣候變化而累積的效應(yīng),但枯落物碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量和總碳儲(chǔ)隨氣候變化而累積的效應(yīng)非常明顯,即氣候變化導(dǎo)致鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量逐漸升高,且隨著時(shí)間的推移累積效應(yīng)逐漸增大(圖3)。

2.4 年內(nèi)碳儲(chǔ)量變化規(guī)律

不同類(lèi)型碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化差異較大,植被碳儲(chǔ)量在冬季非常低,從春季(3月)開(kāi)始逐漸增加,在秋季(9—10月)達(dá)到最大值,之后開(kāi)始迅速降低,植被碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化與鹽池荒漠草原的物候節(jié)律非常一致(圖4)?？萋湮锾純?chǔ)量在8月底最低,隨著生長(zhǎng)季的結(jié)束,地上植物組織開(kāi)始自然死亡和凋落,枯落物碳儲(chǔ)量開(kāi)始增加,到冬季12月底達(dá)到最大值、隨著枯落物的逐漸分解,其碳儲(chǔ)量從1月份開(kāi)始逐漸下降,直至夏末秋初(圖4)?？萋湮锏睦鄯e受植物生命周期操控,一般在植物生命末期激增[29],故導(dǎo)致枯落物碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化規(guī)律與植被碳儲(chǔ)量呈相反態(tài)勢(shì)。土壤碳儲(chǔ)量在4月到10月期間降低,而11月到次年3月期間逐漸增高(圖4),其年內(nèi)變化過(guò)程不僅與枯落物分解后的碳?xì)w還有關(guān),還與氣溫的季節(jié)變化有關(guān)。土壤碳儲(chǔ)量主要輸入源為枯落物,枯落物通過(guò)物理淋溶、生物化學(xué)分解和破碎等過(guò)程,將2/3左右的碳以可溶解性碳或碎屑形式輸入土壤[30],因此在冬春季枯落物量大的時(shí)候,土壤的碳儲(chǔ)量也開(kāi)始增加。然而,4月份以后,隨著氣溫的升高,降雨的增多,可能是由于土壤呼吸作用開(kāi)始加大[31],土壤向大氣排出的CO2增多,導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量下降。由于荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳儲(chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的絕大部分,故生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化與土壤碳儲(chǔ)量變化相似(圖4)。從不同氣候情景間的差異來(lái)看,各類(lèi)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)線形態(tài)一致,但數(shù)值存在大小差異,即氣候變化不會(huì)影響各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化趨勢(shì),但對(duì)年內(nèi)碳儲(chǔ)量的數(shù)值大小有一定影響。真實(shí)氣候變化情景(情景A)與降水波動(dòng)增強(qiáng)情景(情景B)下的4種碳儲(chǔ)量近乎一樣,氣溫增溫情景(情景C)與基準(zhǔn)情景(情景D)下的4種碳儲(chǔ)量較為相近,由此得出,降水波動(dòng)性增強(qiáng)過(guò)程一定程度增加了荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量(圖4)。

圖4 不同類(lèi)型碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化Fig.4 Various kinds of carbon storage fluctuation during a year

2.5 不同氣候變化對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響

前述已得出氣候變化對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)各類(lèi)型碳儲(chǔ)量及總碳儲(chǔ)量在年際尺度上都應(yīng)影響,但不同情景的氣候變化對(duì)碳儲(chǔ)量影響的強(qiáng)弱存在差異,且每種氣候情景如何影響各類(lèi)型碳儲(chǔ)量尚不明確。本節(jié)以未發(fā)生氣候變化的基準(zhǔn)情景(情景D)為基準(zhǔn),對(duì)比其與真實(shí)氣候變化情景(情景A)、降水波動(dòng)增強(qiáng)情景(情景B)和氣溫增溫情景(情景C)等3種不同氣候情景下,植被、枯落物、土壤以及總碳儲(chǔ)量的變化。結(jié)果可以看出,不同類(lèi)型的氣候變化過(guò)程對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的影響存在差異,降水波動(dòng)增強(qiáng)普遍增強(qiáng)了荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的各類(lèi)型碳儲(chǔ)量,但氣溫增溫對(duì)各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的影響微弱。真實(shí)氣候變化情景導(dǎo)致植被碳儲(chǔ)量在低值部分增強(qiáng)明顯,但在高值部分增強(qiáng)較弱、降水波動(dòng)增強(qiáng)情景引起的植被碳儲(chǔ)量變化規(guī)律與真實(shí)氣候變化情景相同、氣溫增溫情景下的植被碳儲(chǔ)量與基準(zhǔn)情景的碳儲(chǔ)量散點(diǎn)靠近1∶1線,即單獨(dú)的氣溫增溫對(duì)植被碳儲(chǔ)量的影響不大(圖5)。真實(shí)氣候變化情景和降水波動(dòng)增強(qiáng)情景均促進(jìn)了枯落物碳儲(chǔ)量的增強(qiáng),但氣溫增溫情景卻略微降低了枯落物的碳儲(chǔ)量(圖5)。土壤碳儲(chǔ)量與植被碳儲(chǔ)量的結(jié)果相反,真實(shí)氣候變化情景導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量在低值部分略有降低,但導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量高值部分增強(qiáng)明顯(圖5)。對(duì)于荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)總碳來(lái)言,真實(shí)氣候變化情景和降水波動(dòng)增強(qiáng)情景均明顯增強(qiáng)了其儲(chǔ)量(圖5)。以上結(jié)果可得出,在不考慮降水因素的作用下,氣溫升高會(huì)導(dǎo)致各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的略微降低、在不考慮氣溫因素的作用下,降水波動(dòng)增加會(huì)導(dǎo)致各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的明顯增高、而寧夏鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)近60 a經(jīng)歷了氣溫增溫和降水波動(dòng)增加的復(fù)雜過(guò)程,降水與氣溫變化的綜合作用導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的各種碳儲(chǔ)量的明顯增高。同時(shí),研究也發(fā)現(xiàn),在各類(lèi)型碳儲(chǔ)量中,枯落物碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)最敏感,其次是植被碳儲(chǔ)量,土壤碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感度最低。

圖5 氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的關(guān)系Fig.5 The correlation of various carbon storages between climate change scenarios and benchmark scenario

3 討論

氣候情景設(shè)置與模擬是本研究的基礎(chǔ),我國(guó)氣候模擬總體分為兩類(lèi),一種是未來(lái)氣候變化的預(yù)測(cè)模擬[32],一種是關(guān)于缺失觀測(cè)數(shù)據(jù)的古氣候重建[33],而本研究的氣候情景設(shè)計(jì)則是基于過(guò)去60 a的觀測(cè)資料,模擬不發(fā)生氣候變化或發(fā)生不同的氣候變化過(guò)程,對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。目前有關(guān)這類(lèi)型的氣候情景模擬大多為通過(guò)簡(jiǎn)單的氣溫線性抬升或降水按比例增加來(lái)實(shí)現(xiàn)[34],但氣候變化過(guò)程復(fù)雜,氣溫升高或降水增多往往并非線性過(guò)程,因此要扣除氣候變化的影響,需要做非線性的剝離。為此,本研究通過(guò)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法,分離出寧夏鹽池縣過(guò)去60 a間因氣候變化引起的氣溫與降水量的殘余趨勢(shì),對(duì)其剝離后重組不同的氣候情景,使重建的氣候情景更逼近事實(shí)。相對(duì)于IPCC的未來(lái)氣候情景模式[35]和RegCM3等其他復(fù)雜的氣候模式[36],本研究所采用的模擬方法降低了氣候情景重建的復(fù)雜性,又比其他復(fù)雜模型易于實(shí)現(xiàn),這為今后不同氣候變化情景模擬相關(guān)研究提供了思路。

本研究模擬得出,鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)在4種氣候情景下的年均總碳儲(chǔ)量在2.3208—2.3652 kg/m2,土壤碳儲(chǔ)量在2.1956—2.2108 kg/m2,植被碳儲(chǔ)量在0.0411—0.0504 kg/m2,枯落物碳儲(chǔ)量在0.0835—0.1048 kg/m2。其中植被碳儲(chǔ)量接近于馬文紅等[37]計(jì)算的中國(guó)北方草地地上生物碳儲(chǔ)量,其平均值為0.0490 kg/m2。植被和枯落物碳儲(chǔ)量合計(jì)稍高于實(shí)測(cè)值,程積民等[25]實(shí)測(cè)的荒漠草原草地植被(含枯落物)年均碳儲(chǔ)量為0.0477—0.0707 kg/m2。土壤碳儲(chǔ)量接近與CENTURY模型模擬的近30 a內(nèi)蒙古草地表層平均土壤碳儲(chǔ)量(1.99 kg/m2)[38]。尚二萍等[39]用InVEST模型模擬的新疆伊犁河谷草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量在0.8450—1.2260 kg/m2,其中地上部分(不含死亡枯落物)在0.0450—0.0900 kg/m2,與本研究植被碳儲(chǔ)量較為一致。Han等[24]模擬的新疆干旱區(qū)草原的植被碳儲(chǔ)量在0.0411—0.1548 kg/m2,接近于本研究結(jié)果,但土壤碳儲(chǔ)量在5.0826—15.5237 kg/m2,高于本研究結(jié)果、其研究區(qū)涵蓋新疆的典型草原、草甸草原和荒漠草原,同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了放牧調(diào)整,這可能是導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量偏高的原因。

Biome-BGC是一種被廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過(guò)程模擬的模型[40],但關(guān)于荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的生理生態(tài)參數(shù)鮮有報(bào)道,因此,本研究的大部分生理生態(tài)參數(shù)只能采用模型中C3類(lèi)型草地的缺省值,這可能對(duì)模擬結(jié)果的數(shù)值有一定影響,但對(duì)不同氣候情景下的差異影響較小。同時(shí),本研究模擬的是不同氣候情景下未受干擾的理想荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)過(guò)程,未考慮放牧、封育禁牧、防沙治沙等干擾因素,而荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程會(huì)明顯受到人為干擾影響[25]。因此,今后應(yīng)在模型生理生態(tài)參數(shù)本地化和考慮人為干擾方面開(kāi)展深入研究,而卡爾曼濾波算法、模擬退火算法[41]等模型同化技術(shù)也為今后的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模擬提供了思路。

4 結(jié)論

本文利用基于EEMD方法重建的4組氣候數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)Biome-BGC模型模擬了寧夏鹽池荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)1958—2017年間的植被、枯落物、土壤及總碳儲(chǔ)量的變化,分析了氣候變化對(duì)各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的影響以及碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng),得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)4種氣候情景下年均總碳儲(chǔ)量在2.3208—2.3652 kg/m2,其中土壤碳儲(chǔ)量平均占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的94.03%,枯落物與植被碳儲(chǔ)量之和占比不到10%,分別占4.03%和1.94%。(2)在近60 a間,植被碳儲(chǔ)量的年際波動(dòng)與同期降雨量的波動(dòng)一致,枯落物碳儲(chǔ)量存在著先降低后增加的趨勢(shì),在基準(zhǔn)氣候情景下土壤碳儲(chǔ)量以每年0.0020 kg/m2的速度累積,總碳儲(chǔ)量呈波動(dòng)性上升。(3)植被、枯落物碳儲(chǔ)量的年內(nèi)變化與荒漠草原植物的生長(zhǎng)和枯落過(guò)程息息相關(guān),而土壤碳儲(chǔ)量年內(nèi)變化不僅與枯落物碳的輸入有關(guān),還與氣溫的季節(jié)變化有關(guān),隨著氣溫升高和降水增多,土壤呼吸作用增強(qiáng),會(huì)消耗土壤碳儲(chǔ)量。(4)單獨(dú)的氣溫升高會(huì)導(dǎo)致各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的略微降低,而單獨(dú)降水波動(dòng)增加會(huì)導(dǎo)致各類(lèi)型碳儲(chǔ)量的明顯增高、在各類(lèi)型碳儲(chǔ)量中,枯落物碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)最敏感,其次是植被碳儲(chǔ)量,土壤碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感度最低。