中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力模擬與分析

中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力模擬與分析

1自然草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中國是全球碳循環(huán)研究的中心領(lǐng)域。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)碳收支的全球意義，不僅具有高度的重要性，而且在與中國國家安全和相關(guān)環(huán)境問題的外交談判中發(fā)揮著重要作用。凈初級生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity,NPP)是指在植物光合作用所固定的光合產(chǎn)物或有機(jī)碳(GrossPrimaryProductivity,GPP)中,扣除植物自身呼吸消耗部分(AutotrophicRespiration,Ra)后,真正用于植物生長和生殖的光合產(chǎn)物量或有機(jī)碳量,也被稱為凈第一性生產(chǎn)力。它反映植被生產(chǎn)力狀況,是生態(tài)系統(tǒng)能量與物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ),在研究區(qū)域乃至全球碳循環(huán)和碳存儲中扮演著重要角色。模型模擬是當(dāng)前在區(qū)域和全球尺度上進(jìn)行陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模擬和碳收支評估的主要研究方法。陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型的發(fā)展為系統(tǒng)分析、定量表達(dá)和預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳循環(huán)對氣候變化和人類活動的響應(yīng)等提供了有力支撐。在過去幾十年中,科學(xué)家相繼開發(fā)了眾多適用于陸地碳循環(huán)的動力學(xué)模型,這些模型主要分為生物地理模型、生物地球化學(xué)模型、陸面生物物理模型、全球動態(tài)植被模型和遙感模型等。中國學(xué)者先后從國外引進(jìn)和改良了CEVSA、CA-SA、GLO-PEM、BEPS等多個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型,同時也自主開發(fā)了適用于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的AVIM2、Agro-C、FORCCHN、DCTEM等模型,對當(dāng)前氣候狀態(tài)下中國自然陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力和碳儲量、未來氣候變化和土地利用變化對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響等問題進(jìn)行了模擬分析。本文收集了不同學(xué)者利用過程模型和遙感模型模擬的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力及其對未來氣候變化的響應(yīng)情況,旨在系統(tǒng)分析中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的變化特征,進(jìn)而為中國的碳收支研究、區(qū)域和全球尺度的碳循環(huán)模型模擬與發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。2年際變化特征自20世紀(jì)90年代末開始,中國學(xué)者利用生態(tài)系統(tǒng)過程模型和遙感模型就中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的估算先后開展了大量研究工作(表1)。由于所應(yīng)用的模型、研究數(shù)據(jù)和研究時段等有所不同,不同研究結(jié)果間存在差異。但NPP的估算結(jié)果主要集中在1.43~3.30PgC·a-1之間,占表1中所有研究結(jié)果總數(shù)量的77.78%。年均NPP在3.30~4.00PgC·a-1和>4.00PgC·a-1的數(shù)值個數(shù)分別只有4個。就不同研究所應(yīng)用的模型來看,模擬結(jié)果的低值區(qū)主要集中在CASA、BIOME-BGC和BEPS等模型。綜合不同研究者的研究結(jié)果可以得到,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP平均為(2.828±0.827)PgC·a-1。表1中加粗標(biāo)記的研究結(jié)果除了樸世龍等缺少1994年的NPP數(shù)據(jù)外,其余均包含1982-1998年完整時間序列的NPP數(shù)據(jù)。因此,將這些加粗標(biāo)記的研究結(jié)果分年度進(jìn)行平均即可進(jìn)行年際變化分析(圖1)。在NPP年際動態(tài)變化特征上,盡管不同研究者估算的研究結(jié)果間存在差異,但總體上呈現(xiàn)在波動中逐年上升的趨勢。1982-1998年,年均NPP從2.542PgC·a-1增加到2.976PgC·a-1,平均每年增長0.027PgC·a-1,增長率為1.07%。在此期間,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP平均為2.736PgC·a-1,略低于表2中的(2.828±0.827)PgC·a-1。在曲線的整體變化中,1990年出現(xiàn)明顯的峰值,1992和1997年出現(xiàn)明顯的谷值。對比分析20世紀(jì)80年代和90年代的年均NPP變化趨勢,可以發(fā)現(xiàn)前者的數(shù)值增長較后者平緩,且波動較小。有研究表明,1982-1999年,由溫度、水分和光照等相互作用引起的氣候變化可以解釋NPP總增長的48.1%,且NPP的年際變化與大氣CO2年增長率呈正相關(guān)。Ren等通過敏感性試驗(yàn)表明,氣候變化是控制森林NPP時空變化的主導(dǎo)因素。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,驅(qū)動NPP數(shù)值變化的主要因素是降水,但溫度可以起到輔助作用,如在濕潤年份,溫度的增加有利于NPP的增長,反之在干旱年份,則導(dǎo)致NPP減少。但在不同地理位置和季節(jié),NPP對氣候變化的響應(yīng)是不同的。也有研究者持不同的觀點(diǎn),如Fang等認(rèn)為單一因素?zé)o法解釋NPP變化,它可能是氣候、資源(如CO2)和土地管理措施綜合作用的結(jié)果。朱文泉等研究表明:在大氣CO2增速加快的情況下,人為因素(如植樹造林、土地利用變化等)引起的植被變化有利于NPP增加,而因氣候變化導(dǎo)致的植被變化則與CO2增長率無直接關(guān)聯(lián)。Tian等研究指出,N沉降以及對農(nóng)作物施加N肥兩者可以共同解釋1961-2005年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈碳增長的61%,同時大氣CO2增加和土地利用對碳儲存起促進(jìn)作用;但臭氧污染和氣候變化降低了這一時期的碳匯儲量。3中國森林植被類型及其單位面積npp總量由于采用的植被類型圖和模型等存在差異,不同學(xué)者利用過程模型和遙感模型對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)同一植被類型單位面積NPP的估算結(jié)果差別較大。本文對收集到的相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行了匯總分析(圖2)。結(jié)果顯示,常綠闊葉林單位面積NPP為745.12gC·m-2·a-1,顯著高于其他植被類型,但不同研究結(jié)果間變化范圍很大,介于417.9~1086gC·m-2·a-1之間。落葉針葉林、常綠針葉林和落葉闊葉林相差較小,變化在415.62~513.67gC·m-2·a-1之間。不同學(xué)者估算的農(nóng)作物單位面積NPP差別很大,最低值不足最高值的1/4,其均值為458.25gC·m-2·a-1,低于闊葉林,但高于針葉林。灌叢與落葉針葉林較為接近,前者為365.08gC·m-2·a-1,后者為415.62gC·m-2·a-1。草地和荒漠均位于低值區(qū),但前者顯著高于后者,分別為217.90gC·m-2·a-1和16.52gC·m-2·a-1。森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP隨林齡的變化而變化。Wang等研究表明,落葉針葉林、常綠闊葉林、熱帶和亞熱帶常綠針葉林和落葉闊葉林單位面積NPP分別在54、40、13和122林齡時達(dá)到最大值,數(shù)值分別為462gC·m-2·a-1、889gC·m-2·a-1、620gC·m-2·a-1和625gC·m-2·a-1。由此可見,中國森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力具有較大的增長潛力。由于不同研究者在進(jìn)行模型模擬時所用的植被類型圖不同,因此相同植被類型所占面積存在差異。本文統(tǒng)一采用中國1:100萬植被類型圖中不同植被類型的面積數(shù)據(jù)(表2),用于計算各植被類型的NPP總量(圖3)。其大小分布與單位面積NPP截然不同。農(nóng)作物和草地位居前兩位,分別為0.962PgC·a-1和0.606PgC·a-1,兩者之和高達(dá)總NPP的58.34%。除灌叢和常綠針葉林外,其余植被類型NPP總量均不足總NPP的10%。其中,以荒漠和混交林為最小,NPP總量分別為0.021PgC·a-1和0.022PgC·a-1。各森林類型NPP總量之和為0.779PgC·a-1,僅占總NPP的29%。將不同植被類型NPP總量累加,結(jié)果為2.687PgC·a-1,低于表2中的(2.828±0.827)PgC·a-1。此外,Ren等應(yīng)用DLEM模型研究表明,如果綜合考慮O3、氣候、CO2和土地利用的影響,1961-2000年中國草地NPP僅增加了0.0003PgC,但是去除O3的影響后,NPP則增加0.0143PgC。同時,Ren等指出,要想更全面地了解森林生態(tài)系統(tǒng)碳固持能力的變化及其應(yīng)對氣候變化和空氣污染的能力,在未來研究中應(yīng)考慮對流層O3濃度。4自然植被對pgeb、agro-c和草地的影響IPCC研究報告指出,如果溫室氣體以當(dāng)前或高于當(dāng)前的速率排放,21世紀(jì)全球?qū)⑦M(jìn)一步變暖,并會誘發(fā)全球氣候系統(tǒng)的許多變化。明確陸地生態(tài)系統(tǒng)對未來氣候變化的響應(yīng)將會為有關(guān)政策的制定以及全球和區(qū)域尺度的碳循環(huán)研究提供重要依據(jù)。目前,針對未來氣候變化如何影響中國陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力已進(jìn)行了許多研究,但研究結(jié)果間存在差異。已有研究表明,在B2情景下,未來100年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP總量將由20世紀(jì)末的2.94PgC·a-1增加到21世紀(jì)末的3.99PgC·a-1;這與趙東升等的研究結(jié)果有所不同,其應(yīng)用LPJ模型模擬得出1961-2080年中國自然植被NPP呈現(xiàn)在波動中下降速度逐漸加大的趨勢;Wu等應(yīng)用AVIM2模型同樣模擬得到,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP可能呈現(xiàn)下降趨勢。陳泮勤等研究表明,2000-2050年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP在A1B和B1情景下均呈現(xiàn)在波動中升高的趨勢,前者升高幅度強(qiáng)于后者。Tao、Zhang模擬了8種氣候情景下中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP到本世紀(jì)末的變化情況,結(jié)果顯示,NPP將先增加,到2090年左右達(dá)到最大值,此后開始下降,其可能的原因是由于干旱的壓力。不同植被類型對未來氣候變化的響應(yīng)存在差異。Ju等應(yīng)用InTEC模型預(yù)測了中國森林NPP在A2和B2情景下的變化,結(jié)果表明,2001-2100年如果綜合考慮氣候和CO2的影響,NPP平均為1.4324PgC·a-1和1.323PgC·a-1,因CO2施肥效應(yīng)增加的NPP值分別為0.3496PgC·a-1和0.2417PgC·a-1,其中,前50年分別增加了0.1991PgC·a-1和0.1266PgC·a-1,后50年分別增加了0.1505PgC·a-1和0.1151PgC·a-1。陳泮勤等應(yīng)用FORCCHN模型模擬了2001-2050年中國森林在A1B和B1情景下的NPP分別為1.278PgC·a-1和1.238PgC·a-1。以上4種情景模擬預(yù)測的森林NPP均高于本文中綜合分析的結(jié)果,說明在未來情景下森林NPP有增加的趨勢。陳泮勤等還分別應(yīng)用Agro-C和草地生態(tài)系統(tǒng)模型模擬了2001-2050年中國農(nóng)田和草地NPP在A1B情景下分別為0.873PgC·a-1和0.713PgC·a-1,在B1情景下分別為0.857PgC·a-1和0.722PgC·a-1。Zhang等應(yīng)用Crop-C模型預(yù)測了2000-2050年中國農(nóng)田NPP在A1B情景下將以0.0006PgC·a-1的速度增長。5模型求解的意義綜合分析表明,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP平均為(2.828±0.827)PgC·a-1,但不同研究者的估算結(jié)果差異較大,主要集中在1.43~3.30PgC·a-1之間。其中,CASA、BIOME-BGC和BEPS模型的模擬結(jié)果偏低。1982-1998年,NPP總體上呈現(xiàn)在波動中不斷上升的趨勢,從2.542PgC·a-1增加到2.976PgC·a-1,平均每年增加0.027PgC·a-1,增長率為1.07%。其中,80年代NPP的變化趨勢較之90年代平緩。由于各植被類型所占面積不同,其單位面積NPP和NPP總量的大小分布存在顯著差異。單位面積NPP表現(xiàn)為常綠闊葉林顯著高于其他植被類型,但其估算結(jié)果的變化范圍較大,平均為745.12gC·m-2·a-1。落葉針葉林、常綠針葉林和落葉闊葉林相差較小,變化在415.62~513.67gC·m-2·a-1之間。不同學(xué)者對農(nóng)作物單位面積NPP估算結(jié)果的最低值不足最高值的1/4,其均值高于針葉林,但低于闊葉林。灌叢與落葉針葉林的數(shù)值較為接近。草地和荒漠則均位于低值區(qū),但前者顯著高于后者,分別為217.90gC·m-2·a-1和16.52gC·m-2·a-1?；?:100萬中國植被圖計算得到的不同植被類型NPP總量表現(xiàn)為農(nóng)作物和草地居于前兩位,兩者之和高達(dá)總NPP的58.34%。其他植被類型中除灌叢和常綠針葉林外均不足總量的10%,其中,以荒漠和混交林的數(shù)值為最低。各森林類型NPP總量之和為0.779PgC·a-1,占總NPP的29%。在未來氣候情景下,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP總體上可能呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,但不同研究結(jié)果間差異很大,甚至是完合相悖的結(jié)果。不同植被類型對未來氣候變化的響應(yīng)同樣存在差異。盡管過程模型和遙感模型在模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力方面具有諸多優(yōu)勢,如:適用于區(qū)域和全球尺度的時空連續(xù)分析、有利于對未來氣候情景的模擬預(yù)測等,但在模型應(yīng)用中還存在著一定的不足,如:(1)模型的不確定性分析模型的構(gòu)建是基于對現(xiàn)實(shí)過程的簡化,在此過程中眾多的假設(shè)和主觀判斷給模型帶來了很多隱藏的誤差。并且,模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的不確定性同樣影響著模型模擬結(jié)果的精度。但是,這些誤差因素在傳統(tǒng)的不確定性研究中往往被忽略。盡管人們已經(jīng)認(rèn)識到對模型模擬結(jié)果進(jìn)行不確定性分析的重要性,但是在目前的碳收支研究中,定量分析其模擬結(jié)果的不確定性仍然是一個亟待解決的問題。如表1中不同模型對NPP的估算結(jié)果差別較大,主要原因可能是模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的不同,但由此引起的NPP差異卻可能掩蓋真實(shí)NPP的大小,因此,對模型模擬結(jié)果的不確定性分析對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。(2)模型過程機(jī)理的深入刻畫雖然目前的過程模型可以模擬出不同環(huán)境條件下植被冠層生理生態(tài)過程的動態(tài)變化,但是對這些變化的認(rèn)識多停留在經(jīng)驗(yàn)水平,并且我們對一些生態(tài)系統(tǒng)的過程機(jī)理還不是很清楚。如現(xiàn)有模型對生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水循環(huán)的耦合關(guān)系還沒有較深入的描述,這需要建立在對這一關(guān)系的現(xiàn)實(shí)機(jī)理有較充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上;對生態(tài)系統(tǒng)呼吸的模型