青藏高原草地生态系统生产力、碳储量及地上生物量对气候变化与放牧响应的模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 郑磊 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 戚友存 ; 覃章才 |
| 关键词 | 草地生产力 草地碳储量 地上生物量 Biome-BGCMuSo 模型 青藏高原 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 青藏高原具有特殊的高寒环境，生态环境脆弱，是气候变化的敏感区域。高原特有的高寒草甸与高寒草原生态系统分布最为广泛，占据整个青藏高原面积的60%以上。青藏高原草地生态系统不仅面临气候变化的挑战，还面临着强烈的人类活动干扰。研究青藏高原草地碳储量、净初级生产力（Net Primary Productivity， NPP）、地上生物量（Aboveground Biomass，AGB）的变化对于加强生态环境保护、在青藏高原实现“双碳目标”（碳达峰、碳中和）具有重要的科学意义。已有的关于青藏高原草地生态系统碳储量、NPP、AGB的模拟研究采用的生态系统过程模型较少考虑放牧过程，并且没有考虑季节性轮牧制度对该地区生态系统碳循环的影响，导致模型模拟结果存在较大的不确定性。鉴于青藏高原草地生态系统碳循环的重要性和已有研究存在的不足，本研究首先制作完成青藏高原冷暖季牧场分布图和1979–2018年逐年放牧强度空间分布数据集作为模型放牧模块输入数据，然后以Biome-BGCMuSo（BBGCMuSo） 模型为基础，改进模型的放牧模块、构建冷季放牧模块、改进物候模块并对物候模块进行参数优化与验证、对模型植物生理生态参数进行敏感性分析、参数优化与验证；以该模型为工具，模拟分析历史时期（1979–2018年）和未来时期（2019–2100年）青藏高原草地碳储量、NPP、AGB的时空变化特征；通过多情景模拟实验，定量评估历史时期气候变化、CO2浓度升高、放牧对青藏高原草地碳储量、NPP、AGB变化的贡献。取得的主要结论如下： （1）BBGCMuSo原始物候模块及参数在估算青藏高原草地植被物候时存在严重偏差。基于去雪的遥感物候数据，本研究使用粒子群（Particle Swarm Optimization，PSO）优化算法对物候模块进行参数优化，显著降低了模拟物候的偏差，最终选择Alpine meadow prognostic phenological (AMPP) model 模拟的 生长季开始日期和 Heatsum growing season index (HSGSI) model 模拟的生长季结束日期用以后续的研究使用。利用文献中搜集的AGB和土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）观测数据，本研究使用PSO算法优化Sobol’方法筛选出的敏感参数，并对优化结果进行验证。PSO算法优化后，BBGCMuSo模拟的AGB和SOC与观测值比较的R2分别为0.75和0.58；验证结果表明BBGCMuSo模拟的AGB和SOC与观测值比较的R2分别为0.62和0.67。基于随机森林（Random II Forest，RF）方法获取的AGB空间数据集的验证结果表明，放牧状态下的AGB模拟值与RF方法获取值比较的R2为0.63，均方根误差（RMSE）为28.8gC/m2。BBGCMuSo模拟结果与观测结果具有较好的一致性，可以应用于青藏高原草地的碳储量、NPP、AGB的模拟分析。 （2）BBGCMuSo模拟结果表明，1979–2018年青藏高原草地生态系统平均总碳（TOTC）库储量为17.01PgC（1Pg＝1015g），其中植被碳（VEGC）和凋落物碳（LTRC）均为0.13PgC，总土壤有机碳（TOTSOC）为16.75PgC，表层30cm土壤有机碳（SOC30）为8.43PgC。青藏高原草地AGB年均值为0.044PgC，NPP年均值为0.14PgC/a。历史时期（1979–2018年）模拟表明，青藏高原草地表现为碳汇，累积固碳0.34PgC，表层30cm以上累积固碳0.20PgC，占总固碳量的77.5%。青海省和西藏自治区分别固碳0.12PgC和0.16PgC。降水增加是青藏高原草地碳储量、NPP、AGB增加的主要原因。未来时期（2019–2100年）模拟表明，各共享社会经济路径（SSP）情景平均的TOTC、NPP、AGB在未来近期（2021–2040年）差距并不明显，相较于历史参考时段（1995–2014年）分别增加0.51PgC、0.043PgC/a、0.013PgC；各SSP情景平均的TOTC、NPP、AGB在未来中期（2041–2060年）差距并不明显，相较于历史参考时段分别增加0.94PgC、0.081PgC/a、0.023PgC；在未来时期远期（2080–2100年），SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景结果差异明显，不同情景下TOTC将增加1.84～2.53PgC，NPP将增加0.079～0.19PgC/a，AGB将增加0.027～0.058PgC。TOTC、NPP、AGB增长较高的区域主要分布在四川，青海的玉树州、果洛州、海北州、海西州的天峻县，西藏的那曲市、昌都市、林芝市交界区域以及日喀则市的部分区域、昌都市的东部，甘肃的甘南州。 （3）对放牧效应的评估发现，1979–2018年，放牧平均减少SOC30270.1gC/m2、减少VEGC27.8gC/m2、减少LTRC17.0gC/m2。暖季放牧对SOC、LTRC、VEGC的影响要高于冷季放牧，尤其是对于SOC。放牧对各碳库、NPP、AGB的影响随放牧强度增加而显著增加。在放牧强度较高的祁连山区域、三江源区域、青海与四川交界区域、西藏东南部，放牧可减少SOC、VEGC分别达1000gC/m2、130gC/m2以上。主控因子分析表明，降水增加是碳储量、NPP、AGB增加的主要原因，并且降水主导了气候变化效应的空间分布；单独的增温效应将导致大部分区域草地碳储量、NPP、AGB下降，尤其是在青藏高原东部的西藏、青海、四川交界处为中心的广大区域；降水和温度的交互效应在青藏高原普遍增加碳储量、NPP、AGB，表明当增温和降水增加协同发生时，对植物的生长的促进作用超过单独的降水增加；CO2施肥效应普遍增加碳储量、NPP、AGB；放牧强度变化在青海东北部、四川、西藏东部减少了碳储量，而在青海南部部分区域增加了碳储量。主控因子空间格局分析表明，降水是碳储量、NPP、AGB变化最重要的主控因子，其主控区占研究区总面积的67.0%以上，主要分布于西藏北部、青海北部；温度、温度与降水的交互效应依次为后两位重要的主控因子。放牧强度变化并不是碳储量、NPP、AGB变化的最重要的影响因子。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 153 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186942]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郑磊. 青藏高原草地生态系统生产力、碳储量及地上生物量对气候变化与放牧响应的模拟研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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