准格尔旗荒漠草原ANPP和SOC对气候变化响应的模型模拟研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mavylin
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以全球变暖为主的气候变化对荒漠草原生态系统产生着强烈的冲击,荒漠草地生态系统因其自身的敏感性在探讨全球气候变化、碳元素生物地球化学循环及分析全球碳收支平衡等领域占据重要地位,明确荒漠草地生态系统与气候变化之间的相互作用关系,对于了解草地生态系统结构、功能,评估草地生态安全具有重要意义。本文选取内蒙古准格尔旗温带荒漠草原作为研究地点,使用CENTURY模型分析过去二十多年准格尔旗温带荒漠草原草地地上部净初级生产力(Aboveground Net Primary Productivity,ANPP)和土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的动态变化及其对气候变化的响应,模拟未来气候情景条件下不同时段大气CO2浓度变化对荒漠草原ANPP和SOC的影响。主要结论如下:(1)对CENTURY模型进行模型校准与适用性检验,结果表明CENTURY模型对ANPP和SOC在准格尔旗荒漠草原具有良好的适用性,可准确模拟该地区荒漠草原生物量和土壤碳库的动态变化情况。对ANPP模型模拟值与实测值进行回归分析,相关系数为0.881,均方根误差RMSE为8.440。SOC模型模拟值在3418.830-3457.449 g/m~2范围内变动,与历史数据相符。(2)2000-2019年,准格尔旗荒漠草原年平均温度、生长季平均温度、年平均降水量、生长季平均降水量均呈现不同程度的上升趋势(上升速率分别为0.048℃/a、0.006℃/a和9.136 mm/a、4.065 mm/a),其中年平均降水量增加显著(P<0.05)。在模型适用性校准基础上,利用CENTURY模型模拟结果表明,近20年准格尔旗荒漠草原ANPP呈波动性增加趋势,增速为1.419 g/m~2,a,但未达统计学差异显著水平。SOC整体呈现一定的波动性,总SOC、活性SOC和缓性SOC上升速率分别为1.481 g/m~2,a、0.831 g/m~2,a、0.823 g/m~2,a,其中总SOC和活性SOC增加显著。惰性SOC呈下降趋势,但未达统计学差异显著水平。SOC年际波动情况为活性SOC>缓性SOC>总SOC>惰性SOC。(3)近20年准格尔旗荒漠草原ANPP和SOC与气象因子的偏相关分析结果表明,准格尔旗荒漠草原ANPP与生长季降水和年平均降水表现出极显著的正相关关系(P<0.01),与温度无显著相关。SOC与气候因子的分析结果表明,总SOC与年平均降水的Pearson相关系数为0.553,呈显著的正相关关系(P<0.05),与其他气候因子无显著相关性。活性SOC与生长季降水和年平均降水的Pearson相关系数分别为0.707和0.778,均呈极显著的正相关关系(P<0.01),与年低温极值的Pearson相关系数为0.489,呈显著的正相关关系(P<0.05),与其他气候因子无显著相关性。而缓性SOC和惰性SOC与温度降水等相关气候因子均无显著相关性。ANPP与总SOC和活性SOC呈显著的正相关关系(P<0.05),Pearson相关系数为分别为0.459和0.647,与缓性SOC和惰性SOC无显著相关性。(4)未来SSP1-2.6和SSP2-4.5两种气候情景模式温度降水均有不同程度的增加。不考虑大气CO2浓度升高影响,准格尔旗荒漠草原ANPP平均值在未来SSP1-2.6情景下2040-2060年时段(2050s)、2060-2080年时段(2070s)基本保持不变,而在2020-2040年时段(2030s)下降3.9%。在SSP2-4.5情景下未来2030s、2050s、2070s三个时段分别增加2.6%、3.1%、6.1%。准格尔旗荒漠草原SOC平均值在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下未来2030s、2050s、2070s三个时段分别增加0.5%、1.2%、1.6%和0.87%、2.2%、2.4%。与SSP1-2.6情景相比,SSP2-4.5模式同时段ANPP和SOC增加幅度更大。考虑大气CO2浓度升高的影响,准格尔旗荒漠草原ANPP平均值在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下未来2030s、2050s、2070s三个时段分别增加1.8%、4.6%、6.7%和4.4%、5.4%、13.1%。准格尔旗荒漠草原SOC平均值在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下未来2030s、2050s、2070s三个时段分别增加0.73%、1.6%、2.3%和1.9%、3.9%、5.3%。与SSP1-2.6情景相比,SSP2-4.5模式同时段ANPP和SOC增加幅度更大。(5)在未来SSP1-2.6气候情景模式,并考虑CO2浓度升高的情况下(相对于当前大气CO2浓度)荒漠草原ANPP在未来2030s、2050s、2070s三个时段均显著性增加(P<0.05),而SOC在未来三个时段虽均呈增加趋势,但未表现出显著性;在未来SSP2-4.5气候情景模式,并考虑CO2浓度升高的情况下,荒漠草原ANPP和SOC在2030s、2050s没有表现出显著性,而在2070s荒漠草原ANPP和SOC显著性增加(P<0.05)。综上所述,CENTURY模型对准格尔旗荒漠草原ANPP和SOC的模型模拟均具有良好的适用性。在长时间序列上,准格尔旗荒漠草原ANPP和SOC均与降水表现出显著正相关关系(P<0.05),与温度关系不大。大气CO2浓度升高会促进准格尔旗荒漠草原ANPP和SOC的增加,表现出一定的滞后性。按照SSP2-4.5情景发展下去,未来准格尔旗荒漠草原会朝“暖湿化”方向发展。
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