气候变化情景下黑龙江省森林碳循环模拟

发布时间：2017-08-09 09:01

  本文关键词：气候变化情景下黑龙江省森林碳循环模拟

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【摘要】：黑龙江省森林生态系统在东北森林碳预算中扮演着重要的角色,受全球气候变暖的影响黑龙江省的气候也发生了明显变化,气候的变化不可避免的对森林生态系统产生一定的影响。在区域尺度上,由于测定困难、研究手段的缺乏等因素的影响,目前对黑龙江省森林碳氮循环及其固碳功能还存在许多认识不足之处。本研究以黑龙江省森林生态系统作为研究对象,将IBIS模型进行了进一步改造用来模拟SRESAIB情境下1961～2100年黑龙江省森林碳循环的时空动态,以揭示未来气候变化对黑龙江省森林生态系统碳循环的影响。探讨森林碳循环与气候变化的响应与反馈机制对区域生态环境的管理与决策具有重要的现实意义。将IBIS模型在模型的模拟尺度、模型代码、模型算法等方面进行改造,并根据黑龙江省森林生态系统的特征对IBIS模型的部分参数进行了修订,优化了数据存储格式。开发了操作简便的IBIS模型界面化运行系统。并采用模型模拟结果与样地实测值和与其它模型模拟结果对比两种方式验证改造后的IBIS模型的可信性和适用性。基准期(1980s)黑龙江省森林土壤呼吸年平均值为541 gCm2·a-1。年际间土壤呼吸年均值波动较大,总体上呈现缓慢上升趋势。研究区土壤呼吸年均值基本上呈现块状分布：北部的低值区(450 gCm2·a-1)、中部中值区(450～700 gCm2·a-1)、南部高值区(700gCm2·a-1)。未来三个时期(2020s、2050s、2080s)森林土壤呼吸年均值分别为：583gCm2·a-1、648 gCm2·a-1、753 gCm2·a-1。自1980s开始黑龙江省森林土壤呼吸的年均值不断的呈现快速增加的趋势,其中1980s-2020s时段土壤呼吸年平均增加幅度最小,增长率为15 gCm-2/10a;而2050s-2080s时段增加幅度最大,增长率为35.1 gCm-2/10a。未来三个时期森林土壤呼吸年均值呈现由东南向西北方向逐渐递减的空间分布趋势。四个时间段内,研究区中土壤呼吸年均值最高地区分布在哈尔滨西部和绥化南部地区狭长带状地区,而大兴安岭北部的漠河、塔河地区是森林土壤呼吸年均值最低区域。基准期黑龙江省森林NPP平均值为667 gCm2·a-1,年际间略有波动。随着纬度的增加,NPP年均值由南向北逐渐递减,具有明显的地带性特征。未来三个时期森林NPP年均值分别为：554 gCm2·a-1、608 gCm2·a-1、621 gCm2·a-1。从1980s开始至2020s时期NPP年均值显著减少,速率为21.4 gCm2·a-1,2020s以后NPP年均值又分别以平均值为16.8gCm2·a-1和13.8 gCm2·a-1的速率增加。未来三个时期的空间分布特征与基准期相似,均呈现南部地区高北部地区低,东部地区高西部地区低的分布格局。1961-2100年,黑龙江省森林NEP年平均值为222 gCm2·a-1,变化范围为-63～361 gCm-2·a-1。研究时段内黑龙江省森林生态系统是一个碳汇,但是碳汇有减弱的趋势。NEP年平均值基本上呈现南高北低,东高西低的空间分布特征。黑龙江南部张广才岭地区的森林在四个时期均表现出稳定的碳汇；黑龙江中部的小兴安岭地区和黑龙江北部的大兴安岭地区是NEP年均值变化剧烈的区域。SRESAIB情境下,1961～2100年黑龙江省年均温和平均降水量都发生了显著地变化。未来三个时期的年均温具有升高的趋势,从1980s至2080s平均升温为5.5℃。黑龙江省年际间降水波动剧烈,平均降水量呈现出先减少再逐渐增多的变化趋势。四个时间段内气温和降水均具有从南向北、从东到西逐渐减少的空间分布趋势。1961～2100年黑龙江省气温的变异系数在0.1%～6.5%范围内波动,降水的变异系数在2.2%～14.5%范围内波动,在年际尺度上来说温度的区域变异性相对降水变异性小一些。土壤呼吸和NEP与温度的变异相关性不强,与降水量的变异呈正相关关系；NPP与气温和降水的变异都显著相关。在年际尺度上来说,降水是导致的土壤呼吸和NEP年际间的变异增大的关键因素,而温度是影响NPP年际间变异的主要气象因子。当年均气温增加2℃,年均降水减少20%时,黑龙江省森林年平均土壤呼吸、NPP和NEP分别减少了4.43%、5.69%、15.89%,黑龙江省森林碳汇能力减弱。年平均NPP、NEP和土壤呼吸空间格局变化主要是受到降水量的增减影响,气温对其影响较小。年平均气温增加3℃,年均降水不变时,黑龙江省森林年平均土壤呼吸和NPP分别增加了4.07%和1.49%,此时NEP减少了6.2%,黑龙江省森林碳汇能力减弱。气温和降水量的增减影响NPP、NEP和土壤呼吸空间格局分布,寒冷干旱或者高温多雨的地区,气温对其影响要高于降水；在温暖湿润地区,降水是主要影响因子。年平均气温增加4℃,年均降水增加20%时,黑龙江省森林年平均土壤呼吸、NPP和NEP分别增加了6.83%、7.64%、2.32%。NEP变化率为正值,黑龙江省森林碳汇能力增强。年平均NPP、NEP和土壤呼吸空间格局变化主要是受到降水变化影响,但是在气温增温过高同时降水也增加过多的地区,年平均NPP、NEP和土壤呼吸显著降低。
【关键词】：IBIS模型 土壤呼吸 净初级生产力 净生态系统生产力 气候变化
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S718.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 1 绪论15-27
• 1.1 引言15
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-24
• 1.2.1 森林生态系统碳循环研究现状15-18
• 1.2.2 森林生态系统碳循环研究方法综述18-24
• 1.3 研究目的和意义24-25
• 1.4 研究内容及技术路线25-27
• 1.4.1 研究内容25
• 1.4.2 技术路线25-27
• 2 IBIS模型原理及改进27-40
• 2.1 IBIS模型结构及原理27-31
• 2.1.1 地表过程模块27-28
• 2.1.2 植被生理模块28-30
• 2.1.3 植被物候模块30-31
• 2.1.4 植被动态模块31
• 2.1.5 陆地的碳平衡模块31
• 2.2 IBIS模型的不足31-32
• 2.3 IBIS模型改进32-35
• 2.3.1 模型代码的改造32
• 2.3.2 模拟尺度的改造32
• 2.3.3 模型算法的改造32-34
• 2.3.4 模型输入参数的改造34-35
• 2.4 IBIS界面操作系统建立35-39
• 2.5 本章小结39-40
• 3 研究区概况及IBIS模型参数预处理40-47
• 3.1 研究区概况40-43
• 3.1.1 自然概况40-41
• 3.1.2 植被概况41-43
• 3.2 IBIS模型参数数据处理43-46
• 3.2.1 地形数据43-44
• 3.2.2 植被及土壤数据44-45
• 3.2.3 气候数据预处理45-46
• 3.3 本章小结46-47
• 4 IBIS运行步骤及模型验证47-56
• 4.1 IBIS运行流程47-51
• 4.2 IBIS模型验证51-54
• 4.2.1 基于样地实测数据的验证分析51-52
• 4.2.2 基于IBIS模型的模拟结果验证分析52-53
• 4.2.3 其它模型的模拟结果对比验证53-54
• 4.3 本章小结54-56
• 5 黑龙江省森林土壤呼吸模拟56-62
• 5.1 基准期黑龙江省森林土壤呼吸时空动态56-58
• 5.1.1 基准期森林土壤呼吸的年际变化特征56-57
• 5.1.2 基准期森林土壤呼吸的空间分布格局57-58
• 5.2 未来三个时期黑龙江省森林土壤呼吸时空动态58-60
• 5.2.1 未来三个时期森林土壤呼吸的年际变化特征58-59
• 5.2.2 未来三个时期森林土壤呼吸的空间分布格局59-60
• 5.3 黑龙江省森林土壤呼吸年代间变化趋势60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 黑龙江省森林NPP和NEP模拟62-72
• 6.1 基准期黑龙江省森林NPP时空动态62-63
• 6.1.1 基准期森林NPP的年际变化特征62-63
• 6.1.2 基准期森林NPP的空间分布格局63
• 6.2 未来三个时期黑龙江省森林NPP时空动态63-66
• 6.2.1 未来三个时期森林NPP的年际变化特征63-64
• 6.2.2 未来三个时期森林NPP的空间分布格局64-66
• 6.3 黑龙江省森林NPP年代间变化趋势66-67
• 6.4 黑龙江省森林NEP空间格局及其变化趋势67-70
• 6.4.1 森林NEP的年际变化特征67-68
• 6.4.2 未来气候情景下森林NEP的空间分布及变化特征68-70
• 6.5 本章小结70-72
• 7 气候变化对黑龙江省碳循环影响分析72-87
• 7.1 黑龙江省气候变化模拟72-76
• 7.1.1 黑龙江省气温的时空变化特征72-74
• 7.1.2 黑龙江省降水的时空变化特征74-76
• 7.2 气温和降水对黑龙江省森林碳循环的影响76-80
• 7.2.1 气温和降水变异对土壤呼吸的影响76-78
• 7.2.2 气温和降水变异对NPP的影响78-79
• 7.2.3 气温和降水变异对NEP的影响79-80
• 7.3 气候变化对黑龙江省森林碳循环影响80-85
• 7.3.1 未来气候变化情景选取80-81
• 7.3.2 三种气候变化情景下森林碳循环预测81-85
• 7.4 本章小结85-87
• 8 结论87-91
• 参考文献91-103
• 攻读学位期间发表的学术论文103-104
• 致谢104-105

【参考文献】

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本文编号：644435