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中国草原碳库储量及温室气体排放量估算

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中国 草原 储量 温室 气体 排放量 估算
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兰州大学博士学位论文中国草原碳库储量及温室气体排放量估算姓名:张峰申请学位级别:博士专业:生态学指导教师:李凤民;齐家国20100501兰州大学博士学位论文摘要草原作为我国第二大陆地生态系统,对维持陆地生态系统稳定至关重要。在全球气候变化背景下,草原生态系统的变化动态对区域乃至于全球都会产生影响。温室气体作为全球气候变化的主要原因之一,如何控制其排放量,是人类当前所面临的重要问题之一。作为一个复杂巨系统,生态系统中温室气体的排放又与土壤碳库息息相关。面对如此复杂的生态系统,在未知的气候变化背景下,对生态系统本身有一个清晰的了解,不仅有利于保护当前的生态系统,维持生态系统功能的稳定,而且有利于我们找到生态系统中的脆弱点,因地制宜,建立合理的优化管理措施。在这种背景下,本研究将我国整个草原生态系统作为一个整体进行研究,通过对生态系统中的碳氮循环和水热平衡过程进行追踪,从而获取了中国草原的碳库储量、温室气体的排放量以及二者自2000年以来的变化动态。研究结果表明,草原巨大的碳储量对我国陆地生态系统的稳定有着重要的作用。我国草原生态系统的植被碳库、土壤有机碳库储量分别为2.1 计14.5 国草原以占世界8%的面积,储存了7.5%的世界植物碳,4.9%的土壤碳和5%的总碳。同时,根据模拟结果显示,草原目前属于碳汇,其碳库年增加量为71士4 .我国草原碳库中,高寒草原区域具有最大的碳储量,其次是温性草原区域。其中,高寒草原区域年总碳沉积量可以达到48.26士9.54 以占总草原39%的面积沉积了总碳沉积量的68%,具有巨大的固碳能力。尽管草原碳储总量在2000至02007年之间增加了,但是在内蒙古西部的温性荒漠草原、新疆北部的温性和温性荒漠草原以及青藏高原西部的高山草原,碳储量有不同程度的降低趋势。温室效应是前农业生产活动是研究表明,中国各草原类型的性草原、高山草原以及热带/亚热带草原的平均排放量分别为O.23 .1 1蚝N 9 中国33.7亿公顷的草原中,年 ,相当于9.71 的温室效应,也即其抵消了约14%的草原碳沉降效果。整个草原区域的年来,中国草原受到人类强烈的扰动,因此未来草原的目前的研究结果来看,尽管草原区域仍然是一个甲烷汇,但是甲烷固定量并不是太大。全国草原甲烷固定量为0.22 Tg 当于1.89 02一C。平均甲烷固定通量约为0.957 一结果远小于2___48.76 此也可以得出,在草原区域,增加碳汇应该主要以增加少未来的草原管理中,大面积推广改良草原是增加草原碳库储量并抵消温室气体效应的有效手段。但是在实施过程中,则要根据草原的实际情况来选择适合的改良手段。特别是施肥或灌溉措施的实施,要注意选择合理的阈值,以防止在草原在改良过程中产生大量的温室气体而抵消碳沉积的效果。关键字:碳沉降,气候变化,模型,温室气体,全球变暖,氧化亚氮,甲烷,草原,草原改良,as is of n of ow to HG)of to a is a HG is to a O is of S to of O we n we aS HG 也of by in he as of an in of he of .I 2.4 %of .5%.9%of %of of he is in a an 1+4 Y~,in is 6±9.54 (68%of 1%of ur a to he of 000 007;|a of in 20 is HG 97 02’S.is 20 in of m .23,O.1l .39蚝N a .37 6.5 20 .7 1 02 4%of 000 007,a 20 a on an of in in on 20 is a is a 26 he is .95士0.77 65 02一C is 02 210.62土48.76 he 20 in ey 20,人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。、}8 7(.识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名: 导师签名.i I≥二;:二::圣尘』多’≯0/兰州大学博士学位论文第一章前言1.1研究背景1.1.1全球气候变化自工业革命以来,人类活动对生物圈的影响范围已由区域扩展到全球,由于人类过量地使用化石燃料、毁灭森林和草原、大幅度改变土地利用方式、开垦和耕种土地等活动,对地球各圈层特别是大气圈与土壤圈之间的物质平衡机制产生了重要影响,造成大气中温室气体浓度的不断上升。大气中007),使人类赖以生存的地球环境发生了急剧而深刻的变化,引发了气候变暖、臭氧层损耗、生物多样性丧失、降水特征改变、植被物候变化,并伴随着蒸散和径流过程的变化,引起海平面升高,生物地带性重新分配,以及其它一系列全球环境问题(et 982,et 996,004,et 005)。特别是温室气体浓度升高导致的全球变化是人类共同关注和焦虑的问题,给世界经济可持续发展和国际社会带来了严峻的挑战。地球系统碳氮循环过程对大气中温室气体浓度的增加有着极其重要的作用,它是连接诸如全球增暖、土地利用变化等重大全球性环境问题的纽带,是在更高层次上推进学科交叉、进行综合集成的切入点。气候异常既可能是气候系统自身振荡形成的不同尺度气候波动的叠加,也可能是气候系统对外部影响的响应。这些外部作用因素主要包括进入地球系统太阳辐射的改变、人类活动和火山喷发引起的气溶胶改变、以及人类活动引起的温室气体增加和臭氧减少等。但是,目前比较确定的研究结果表明:近百年来全球变暖主要是人类排放温室气体引起的,但不排除气候波动在其中也起了一定的作用。对于全球气候呈现变暖趋势这一事实,从1997年在京都召开的旨在限制各国温室气体排放量的联合国气候大会(通过的京都议定书,至1不体现了国际间科学界和政府对近20年来气候剧烈变化的担忧。根据府间气候变化委员会)研究表明,在过去150多年里全球地表平均温度上升了大约0.6。C(000),最近100年兰州大学博士学位论文(1906年.2005年)的温度线性增加趋势为0.74。C。气温的升高在近20年尤为明显,最近12年(1995.2006年)中,有1 1个年份位列最暖的前12个年份中。科学家预测,如果不限制温室气体的排放,至003,007,et 009)。1.1.2陆地生态系统变化陆地生态系统是人类赖以生存和持续发展的生命支持系统,是受人类活动影响最强烈的区域,也是全球碳循环的重要碳库之一(et 982,996,004,et 005)。在1中,约1500另外的1000形式储存于地球土壤中(1012土壤碳库是大气碳库的3.3倍,生物碳库的4.5倍,是全球碳循环的重要组成部分(996,004)。人类活动对陆地生态系统的影响主要通过农业活动、基础设施建设、森林砍伐,开垦和放牧以及其他土地利用变化等方式(et 993,et 998,002),因此,精确估计人类活动对陆地生态系统的影响是当前全球变化的重点研究内容(et 998)。草原是一种分布很广的植被类型,从热带到温带都有分布,是陆地上面积仅次于森林的第二大绿色植被层,覆盖了将近1/5的地面,热带和温带天然草原在对区域的气候变化和全球的碳循环有着非比寻常的意义(et 004)。其生物量约占全球植被生物量的36%,全球草原碳贮量约为266。3陆地生态系统总碳贮量的12.7%,其中,草原土壤有机碳占世界土壤有机碳贮量的15.5%(992)。草原具有庞大的根系,根茎比相对于其他植被类型较大(004),有研究指出其地下部分占其总生物量的80%(et 006),因此其贮存的碳约有90%贮存在土壤中,在生物量中仅为10%(004),碳循环的主要过程也是在土壤中完成的(004,et 004),而且,这些碳的转化速率相对比较慢,因而是潜在的重要碳汇(et 993,et 001),在全球变化、全球碳储存,碳循环以及碳平衡中具有非同寻常的意义兰州大学博士学位论文( 998,ct 002,ct 004,ct 009)。1.1.3人类活动对草原生态系统的影响草原开垦是影响草原生态系统碳储存最重要的人类活动因素之一。草原开垦通常会促进土壤呼吸作用,减少地上生物量中碳素向土壤的输入,加速土壤有机质的分解和释放(et 993),长期以来,由于人类对森林、草原和湿地的大量开垦及不合理的利用造成土地大面积退化,全球土壤有机碳储量在过去100年中一直呈下降趋势(001)。据场开垦60年后可使土壤的碳氮含量降低18%.35%(et 998)。999)研究发现天然草原转变为耕地后,有机碳主要流失的是土壤表层30在30原和农田没有差异,在22年中耕地的土壤有机碳减少999)。美国天然草原开垦成耕地后,在12043%(ct 999)。原变为耕地时,土壤碳库减少59%(002)。据美大平原草原开垦30.50年后,土壤碳、氮含量分别下降了40%和30%(002)。在我国内蒙古地区,草甸草原植被下的黑钙土不同层次有机碳含量因农垦分别损失34%.38%,损失主要发生在0.35艳芬过度放牧被认为是导致草原非持续性利用和土壤碳素损失的另一主要途径(Su et 006)。放牧会改变草原植物群落结构,减少枯枝落叶的积累,增加土壤紧实度,加速土壤呼吸速率,从而影响草原土壤碳库(002)。有关放牧对草原土壤有机碳的影响国内外研究得很多,但因研究方法以及草原类型和管理方式的不同,目前学术界对放牧影响土壤有机碳含量和储量的认识还存在分歧饵997)。澳大利亚东北部的两个半干旱草原的研究结果表明,重度放牧6.8年后土壤有机碳的总储量没有显著变化(997)。在内蒙古草原,放牧强度在短时期内对典型草原植被下的栗钙土有机碳含量没有显著影响(王艳芬内蒙古羊草草原和大针茅草原,轻度放牧也没有明显降低土壤有机碳含量(et 005b)。然而,也有实验结果表明放牧提高了土壤有机碳水平(et 999,et 001);有的结果却发现放牧降低了土壤有机碳水平(et 997)。马秀枝等(2005)研究表明,自由放牧22年后,羊草草3兰州大学博士学位论文原土壤0.100%和12.8%;土壤易分解碳分别下降了22.0%和12.6%。大针茅草原0.55%和12.2%(马秀枝et 005)。王艳芬等(1998)发现,内蒙古冷蒿.小禾草草原重度放牧条件下每年比轻牧多损失161.379C m.2,而重牧条件下碳的输入与轻牧相比并未增加,所以多损失的碳有可能来自土壤有机碳(王艳芬另外割草会使草原生态系统碳氮平均每年减少近1%①984)。人类活动对草原温室气体排放的影响主要通过影响草原的碳氮比,改变草原土壤的物理性质来起作用的。研究表明,放牧、农垦会对草原温室气体通量产生影响(李凌浩1998,王跃思et 001),但目前对影响这一变化过程的主要物理、化学和生物机制以及不同影响过程中的主导因子仍不十分了解(齐玉春et 003)。国际上大量的研究表明,人为对草原进行改良,可以增加草原的固碳量,但同时也会导致温室气体排放量的大幅度增2H(et 004)。最近研究表明,欧洲大陆陆地生态系统温室气体(20)排放量的增加基本上完全抵消了生态系统的碳沉积效应(et 009)。目前,在中国草原区域,仍然缺乏相应的研究来量化草原碳沉降变化量与温室气体变化之间的关系,同时也缺乏合适的手段来评估这一区域人类活动对碳储存量和温室气体排放可能造成的后果。1.2国内外研究现状分析1.2.1碳循环研究现状近半个多世纪以来,由于人口剧增及人类对自然资源需求的快速增长,发生了由人类导致的程度最深范围最广的全球变化,这些变化不仅降低了生物圈的生产力,威胁到人类社会未来经济的发展,同时还破坏了陆地与大气之间相互作用的自然平衡且极大地影响到碳循环、能量平衡和水循环的功能过程(因此,在国际地圈生物圈计划(核心研究计划“全球变化与陆地生态系统(中,碳循环研究被确定为核心内容之一(周广胜本世纪初,三大国际组织重点是回答目前全球碳源、碳汇的时空格局及成因,未来碳循环动态的控制与反馈机制(人为的和自然的),未来全球碳循环的可能动态等科学问题。针对4兰州大学博士学位论文这些科学问题,一些国家先后启动了碳循环科学研究计划。如美国2000年启动的大型“碳循环科学计划’’,重点研究洲际和区域尺度碳源、碳汇的时空变化;日本于2002年启动的“陆地生态系统碳平衡国家战略性研究计划”,以亚洲的亚寒带、温带和热带陆地生态系统为对象开展碳平衡综合研究;欧盟启动的“欧洲碳循环联合项目”,目的是监测陆地生态系统碳储量、碳通量状况;中国国家自然科学基金委员会于1993年12月正式立项“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”,其目地同样是在区域和国家尺度上回答与中国碳循环相关的科学问题。目前,上述研究已经发展到利用过程模型对生态系统碳储量和碳通量进行研究,机理模型在生态系统碳循环研究中得到广泛应用。就模型种类而言,有经验型模型(基于遥感手段的过程模型(植被生长模型(。近几年还出现了许多关于碳循环计量的生物地球化学模型(其中,003)在可对不同iu et 003);另外一个基于过程的生物地球化学模型——i 1992,Li et 003),该模型不仅可以模拟碳循环过程,而且可以模拟氮循环过程,并同时模拟多种温室气体的排放。拿大,英国,德国,意大利等在内的二十多个国家得到广泛的应用和验证。目前,对中国的草原碳库的储量估计,还没有一个较为统一的结果,其往往会由于采用不同的草原分类体系,草原数据,或估计方法产生较大的差别(002,2004,et 008)。即使是同一研究者,在不同的研究中也会根据不同的资料而得出不同的结果(001,2002,2004)。调查数据的缺乏和生态系统的异质性使得当前我国草原生态系统碳储量估算结果仍具有很大不确定性。因此,有必要对更多的区域尺度上的土壤、植被碳储量做进一步深入研究,以减少国家尺度碳储量研究中的不确定性。中国幅员辽阔,温带草原面积占国土总面积的近三分之一,土壤碳储量所占比重较大。储总量约为41个量表明,占世界草原面积6.8%的中国5兰州大学博士学位论文草原可能贮藏着全球草原土壤有机碳总量的9.16%,中国草原土壤碳库在全球及区域尺度对全球碳平衡具有重要影响。上世纪70年代以来,随着人口和需求的增长,在国家刚性政策的推动下,粗放发展模式不利于草原资源的保护,草原生态系统的固碳能力大为降低。例如,在青藏高原东部地区,人们通过开垦草原增加粮食种植面积,同时又大力发展一年生人工料草,导致该区草原土壤有机碳含量的显著降低(Wu 002,Li et 007a,Li et 007b);又如,在内蒙地区进行的短期开垦导致半干旱砂质草原表土有机碳和全氮含量降低了18.38%;相反地,禁牧活动有助于促进植被的恢复和土壤有机质含量的增u et 004)。另有研究表明,放牧活动及其强度显著影响草原植被生产力和土壤呼吸过程,从而影响到土壤碳库储量(杨智明et 004,高英志et 004b,马秀枝et 005)矛忠宽004,高英志et 004a)。禁牧或减轻放牧强度等措施可以有效地恢复植被,并显著提高植被生产力和土壤有机碳含量(et 002,et 005)。除了人类活动的影响,全球变化对草原生态系统碳循环也产生着深刻影响。降水变化显著影响草原植被生产力(et 005),二氧化碳浓度的增加会导致植物叶片生理、生物化学、结构特征(et 006)和形态特征(et 006)的变化,植被生产力对气候变化的反馈则进一步影响到土壤有机碳的平衡并呈现强烈的空间异质性。随着温度的增加和太阳辐射的变化,我国青藏高原植被净初级生产力在1982.1999年期间显著增加(et 006)。据方精云等人的研究,过去的二十多年里,中国的植被活动在增强,西北地区植被覆盖有所改善(方精云003)。从当前国内外碳循环研究的进展来看,如何将已有的研究成果进行归纳,区分人类活动和气候变化对中国草原碳循环影响的相对重要性,是全球变化研究领域面临的严峻挑战之一(作为整个碳循环体系中的一个重要部分,土壤碳库是大气碳库的3.3倍,是生物碳库的4.5倍,土壤有机碳库(含量是土壤获取碳和失去碳的一个动态平衡结果。当土壤中碳储量流失大于获取时,就会导致系统的退化(004)。在全球生态系统中,壤持水量的水平,以及土壤侵蚀和退化的风险,与世界粮食安全问题息息相关,此外更重要的是,土壤碳沉降是一个很有效的缓解当前大气中作为一个大气中的碳汇和碳源,会直接对全球气候变化产生影响Ⅸie et 007)。在中国,草原占国土总面积的40%左右,其中78%的天然草原分布于中国北方(Xu et 003)。草原在区域尺度上对环境有着很大的影响,详细的了解草原生态系统中的我们缓解当前环境变化带来的影响有着极其重要的作用。在这里,我们将使用)模型来获取草原生态系统中的碳储量。已经有一些学者使用此模型来对农业生态系统中的土壤有机碳的动态变化进行了研究,而且取得了较好的成绩(Li et 994,Li et 004a’et 005,et 006,et 006,et 006a,et 008,et 008),但是这些研究者主要专注于农业生态系统或人工草原系统(et 007),对天然草原还缺乏较深入的研究。本项研究正是针对这种挑战,通过模型模拟与地面调查相结合,就中国温带草原生态系统碳循环及其驱动因素(气候变化和人类活动)之间的成因关联进行综合分析,以揭示上述过程之间的复杂耦合机制,为预测未来全球变化背景下人类活动对中国温带草原碳循环的可能影响及其变化趋势提供基础数据,同时也为政府履行“京都协议"并制定相应的社会经济和环境发展战略提供科学依据。1.2.2温室气体研究现状对于草原温室气体的排放,目前研究的较少,本文将对3类主要的温室气体20和据室气体的增加对大气系统的能量平衡产生了严重的影响,是造成全球气候变化的主要原因之一。从全球角度来看,20分别贡献了60%,15%和5%的由人类活动所导致的温室效应(990)。因此,了解详细的温室气体通量,是我们精确评价陆地生态系统对气候变化贡献的基础(Du et 008)。草原,从定义上来讲,是达到气候顶级的一个植物群落( 992,et 000),对全球变化以及区7兰州大学博士学位论文域气候稳定有很重要的意义(998)。但是,目前的研究中,相对于森林系统,人们对草原的关注仍然较少。在中国,随着中国经济的发展,草原也承受着巨大的变化压力,从管理方式到放牧制度,以及近年来开始大力开展的人工草原项目,都可能会对草原未来的发展带来潜在的影响,从而影响草原温室气体的排放量及排放模式。对于草原温室气体的排放,目前国内已经开展了一些研究(董云社et 000,王跃思et 001,王艳芬et 003,李明峰et 004,齐玉春et 005)。但以上研究主要基于位点实验,全国尺度的温室气体研究,目前国内还比较罕见。浓度已经由工业化前的2801995.2005的10年间,大气中辐射效应的增加。通常来讲,土地利用变化和化石燃料的使用是工业化以来,2/3的人类活动产生的/3的来自于土地利用方式的变化(007)。生态系统吸收空气中的将这些物质转化为有机物,这是维持生态系统运行的基本条件,也是降低大气中草原中,碳(根据不同的种群结构或管理措施(如改良草原)直接转化为品质各异的牧草。已有的研究表明,在未扰动的原生草原或天然草原中(通常碳动态倾向于正平衡——草原生态系统通过光合作用固定的碳大于植物呼吸,土壤呼吸,有机质分解等过程中等释放的碳(et 008,et 008)(et 007)。但是假如存在扰动,如人类活动以及一些干旱,疾病等自然因素的影响,都会导致生态系统的碳平衡产生变化(et 002,et 005,et 009),从而影响20是3大主要温室气体之一,由于其在大气中较长的生命周期以及较大的辐射潜力,加剧了温室效应(989,et 000,007)。但是,目前的科学界对其排放量的估算仍然存在较大的不确定。[生(et 000,et 007)。土壤中999,et 007)。通常别是降水,其频率以及强度都会显著的度造成显著影响(et 010)。在现代农业中,由于肥料的大量使用,也造成了理施肥被认为是目前较合理的缓和et 010)。大气中的工业化前浓度的1.18倍,并且在过去20年中仍然以每年0.8据冰芯中的记录,在1 1500年前,大气中业化以来的别是以农业活动为代表的土地利用变化。目前的一般共识是,40%的统的研究中,对于常仅考虑农业活动,对天然草原区域重视不够。例如在《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》中,就未对草原土壤中此对于草原的未来草原的管理以及改良,并且缓和全球气候变化,都有着极大的意义。大气中甲烷气的浓度在2005年大概为1774pp
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