基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)模擬研究.pdf

1、青藏高原對(duì)氣候變化的敏感性比低海拔地區(qū)的其他記錄更強(qiáng)，具有提前的征兆。觀測(cè)和歷史代用資料分析顯示，1980年以來(lái)我國(guó)開始的新暖期以及1955年以來(lái)10年尺度的溫度波動(dòng)都在青藏高原東南部的林芝、波密等站最先開始出現(xiàn)，然后逐漸向東向北傳播，暖期相比我國(guó)東部地區(qū)要提前4～8年，百年尺度的冷暖變化亦比東部地區(qū)提前10～60年?，F(xiàn)代尺度的氣候觀測(cè)顯示，50年代中期以來(lái)青藏高原主體各臺(tái)站都有暖化的趨勢(shì)，尤其是冬季更為明顯，年平均線性增溫率為0.16

2、℃/10a，冬季平均值為0.32℃/10a，增溫幅度超過(guò)了北半球及同緯度其它地區(qū)。
　　 土壤作為青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，在特定的大氣條件下與動(dòng)植物群落共同構(gòu)成了系統(tǒng)的碳貯存和交換庫(kù)。因此，在生態(tài)系統(tǒng)尺度上研究青藏高原土壤有機(jī)碳數(shù)量、分布、動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)不同系統(tǒng)行為的響應(yīng)，不僅是區(qū)域碳循環(huán)的關(guān)鍵內(nèi)容，而且也對(duì)定量控制某些管理措施，實(shí)現(xiàn)地區(qū)土地資源可持續(xù)利用具有重要意義。
　　 CENTURY模型是研究草地生態(tài)系統(tǒng)C、N等

3、元素循環(huán)而建立起來(lái)的綜合模型，是當(dāng)前應(yīng)用比較廣且較為成熟的土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)模型之一。本研究利用文獻(xiàn)調(diào)研的方法。通過(guò)對(duì)中國(guó)期刊網(wǎng)和維普科技期刊網(wǎng)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，獲得高寒草甸區(qū)植被和土壤資料，結(jié)合地區(qū)氣象站歷年觀測(cè)資料對(duì)CENTURY模型進(jìn)行參數(shù)化后，利用可靠的野外原位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證、分析。在確認(rèn)模型可用的情況下，對(duì)高寒草甸土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量進(jìn)行估測(cè)，并對(duì)氣候變化及人類活動(dòng)影響下土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究。同時(shí)，在模擬和預(yù)

4、測(cè)了氣候變化情景下草地管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳影響的基礎(chǔ)上，分析了人類干預(yù)式退化草地恢復(fù)措施對(duì)提升土壤有機(jī)碳匯功能的意義。旨在為研究寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳對(duì)全球變化的反饋?zhàn)饔眉皡^(qū)域草地資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。
　　 基于通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的模型有效性檢驗(yàn)結(jié)果表明：CENTURY模型模擬結(jié)果能總體反映高寒草甸土壤微生物呼吸CO2通量的實(shí)際變化。模擬值與觀測(cè)值相關(guān)性顯著(R2=0.89，P<0.01)，可以用來(lái)模擬不同氣候情景及草地管理措

5、施下高寒草甸土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)。
　　 土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明，自然狀態(tài)下高寒草甸土壤有機(jī)碳在經(jīng)歷了一個(gè)快速積累過(guò)程后，積累速率逐漸趨于緩和并最終達(dá)到或接近穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)下，0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約為76.0～76.9 t/hm2。其中活性、緩性和惰性土壤有機(jī)碳組分庫(kù)分別為2.1～2.2、44.5～44.9和29.2～29.9 t/hm2，約占高寒草甸土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的2.8％、58.5％和38.7％。包括地下結(jié)構(gòu)庫(kù)和

6、代謝庫(kù)的土壤總碳庫(kù)約為76.9～77.9 t/hm2。
　　 1960～2005研究區(qū)氣溫呈波動(dòng)性緩慢上升趨勢(shì)，降水量則呈穩(wěn)定的隨機(jī)波動(dòng)變化。土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明，過(guò)去45年高寒草甸土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量總體表現(xiàn)為振幅較為穩(wěn)定的波動(dòng)性緩慢上升的趨勢(shì)，但這種變化趨勢(shì)在模擬的后期并不顯著，基本上呈小幅回落的趨勢(shì)。整個(gè)模擬期(1960～2005)，0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量變化范圍在76.7～76.8 t/hm2之間。對(duì)土壤有機(jī)碳與

7、氣候因子(年均溫度和降水量)之間進(jìn)行的相關(guān)分析表明，氣候波動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響主要與溫度變化引起的惰性土壤有機(jī)碳組分的變化有關(guān)，二者具有較為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r=-0.56(P<0.01)。但整個(gè)模擬期由于惰性有機(jī)碳組分庫(kù)的變化量很小，因而土壤有機(jī)碳在總體變化趨勢(shì)上與溫度的相關(guān)性不顯著。降水量的波動(dòng)變化對(duì)土壤有機(jī)碳及各組分庫(kù)的影響均不顯著。
　　 放牧明顯地降低了高寒草甸土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量，且隨著放牧強(qiáng)度的增加土壤有機(jī)碳下

8、降趨勢(shì)明顯。連續(xù)放牧45年后輕度、中度、重度和冬季放牧高寒草甸0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量相比放牧前分別降低8.2％、10.6％、29.6％和7.3％。開墾對(duì)土壤有機(jī)碳的影響就強(qiáng)度而言要高于放牧活動(dòng)。但在合理的管理措施下，其影響程度明顯低于放牧干擾。高寒草句開墾并種植一年生燕麥草地后土壤有機(jī)碳在經(jīng)歷了一個(gè)快速增加又降低的過(guò)程后，其降低速率逐漸趨于緩和并最終接近人工草地群落下土壤有機(jī)碳的新動(dòng)態(tài)平衡。平衡狀態(tài)下，0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量

9、約為64.4±0.57 t/hm2，其中活性、緩性和惰性土壤有機(jī)碳庫(kù)分別為2.3±0.11、32.2±0.67和29.9±0.01 t/hm2，分別占一年生燕麥草地土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的3.5％、49.9％和46.6％。在不考慮農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化的情況下，高寒草甸開墾并種植一年生燕麥草地45年后，0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)相對(duì)開墾初期降低14.0％。
　　 GCM預(yù)估結(jié)果表明，2006～2050研究區(qū)氣溫上升趨勢(shì)明顯，降水量總體變化不

10、明顯。土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明，氣候的進(jìn)一步暖化將極有可能導(dǎo)致自然狀態(tài)下高寒草甸土壤有機(jī)碳的微量減少，土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為一個(gè)極弱的碳排放源。放牧高寒草甸也因氣候變化和放牧活動(dòng)的共同影響，土壤有機(jī)碳呈持續(xù)逐年下降的趨勢(shì)，但其損失量要略低于過(guò)去45年。相對(duì)土壤有機(jī)碳的上述變化趨勢(shì)，高寒一年生燕麥草地土壤有機(jī)碳的變化要相對(duì)較為緩和，土壤有機(jī)碳雖略有降低，但基本處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。兩種排放情景下，0～20cm土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量分別為63.6～62

11、.7和63.6～62.5 t/hm2之間，平均值相對(duì)2005年土壤有機(jī)碳水平降低1.4％和2.0％。
　　 人類干預(yù)式的退化草地恢復(fù)措施能顯著增加土壤的固碳潛力。放牧高寒草甸圍欄封育后土壤有機(jī)碳呈逐年積累的趨勢(shì)，但從中度放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期變化來(lái)看，圍欄封育只能部分地恢復(fù)前期的碳損失，土壤有機(jī)碳不能完全恢復(fù)到放牧前的水平。以重度放牧高寒草甸為例，實(shí)施圍欄封育45年后土壤有機(jī)碳庫(kù)僅增加12.3％。連續(xù)施氮對(duì)土壤有機(jī)碳的積累過(guò)