基于CENTURY模型的甘肃草地固碳潜力对气候因子和二氧化碳浓度升高的响应.pdf

国土与自然资源研究2023No.5TERRITORY&NATURALRESOURCESSTUDY+-2013-2014-2015-2016-201770.00占总生物量的百分比数60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00平坡缓坡斜坡陡坡急坡险坡坡度图5森林生物量随坡度的变化18.00占总生物量的百分比数16.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.00平北东东南坡东南坡坡坡坡向图6 森林生物量随坡向的变化作者简介：张弘强（19 8 7-），女，硕士，副研究员，研究方向为遥感与GIS应用。通信作者：佟斌（19 8 0-），男，副研究员，硕士，主要从事植物资源研究。（2 0 2 2-12-2 9 收稿刘晓佳编辑）国土与自然资源研究期刊征稿国土与自然资源研究是由黑龙江省科学院自然与生态研究所主办的综合性学术期刊，创刊于19 7 9 年，原刊名自然资源研究，是国内创刊最早的几份同类期刊之一，19 9 8 年7 月改为现刊名，已经有40 多年的办刊历史，集学术性、实用性、权威性、前瞻性与专业性于一体，面向国内外公开发行，为广大教育、科研工作者提供学术交流平台。国土与自然资源研究读者对象为相关学科的研究人员、院校师生、政府决策人员、自然资源开发利用单位和个人，为国土开发整治、区域发展、人口、经济与环境的可持续发展方面的理论交流提供一个窗口，为自然资源开发利用新技术新方法的应用搭建一座桥梁，为保护黑龙江省的生态环境、发挥黑龙江省的资源优势，富民强省、振兴经济、为我国的国土开发整治和自然资源的开发保护做贡献。该期刊为双月刊，包括区域经济、城乡建设、土地利用、农业可持续发展、环境质量评价、生态安全、旅游资源开发、动植物保护与利用等内容。现面向广大科研工作者常年征稿，欢迎各类大中专院校的教师和学生以及科研院所的专家、学者踊跃投稿。79.文章编号：10 0 3-7 8 53(2 0 2 3)0 5-0 0 7 9-0 5基金项目：甘肃省重点研发计划(2 1YF5WA096);甘肃省自然科学基金项目（16 0 6 RJZA077，130 8 R JZA 2 6 2）；甘肃农业大学青年导师扶持基金(GUO-QDFC-2019-03)。基于CENTURY模型的甘肃草地固碳潜力对气候因子和二氧化碳浓度升高的响应李晓娟，张美玲*，曹瑞红，贾晓楠，朱美婷,罗上学，聂雅梅-20130-201402015-201800m2019西南坡西北城西坡坡（甘肃农业大学理学院，兰州7 30 0 7 0）摘要：气候变化对草地碳循环的影响日益严峻，研究运用本地参数化后的CENTURY模型和19 8 9 2 0 18 年甘肃省7 7 个站点的气象观测数据，选用生产指标净生态系统生产力(NEP)和生态指标土壤有机碳(SOC)为主要研究对象,检验模型适用性、利用统计分析方法和ArcGIS软件分析30 年气候数据时空分布格局和气候变化对草地碳循环的影响机制。同时根据IPCC第五次评估报告对气候变化的预测设计了3种气候情境，预估未来气候变化条件下,NEP和SOC的时空变化特征，并与实际情景进行对比分析。结果表明，过去30 年年际NEP和SOC整体呈现波动下降的趋势，NEP以每年14.2 3gCm-a-1的速度减小，19 8 9 2 0 18 年的NEP均大于零,表现为碳汇;SOC以每年55.41gCm的速度减小，正在逐年流失。温度、降水是影响NEP和SOC的主要因素，NEP与温度显著正相关，与降水有较弱的正相关,SOC与温度显著负相关，与降水有较弱的负相关。在未来气候情景中，气温升高和降水波动增大是导致 NEP和SOC变化的主要原因,且CO2浓度加倍时，单独的气温升高会导致NEP显著增加,SOC显著降低;单独的降水波动增大对NEP和SOC的影响不大。在甘肃北方干早地区，降水成为主要限制因子。关键词：CENTURY模型;NEP;SOC；气候变化；偏相关分析中图分类号：Q948doi:10.16202/ki.tnrs.2023.05.017Response of Grassland Carbon SequestrationPotential to Climate Factors and IncreasedCarbon Dioxide Concentration in GansuProvince Based on CENTURY ModelLi Xiaojuan,Zhang Meiling*,Cao Ruihong,Jia Xiaonan,Zhu Meiting,Luo Shangxue,Nie Yamei(College of science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)Abstract:The impact of climate change on grassland carbon cycleis becoming more and more serious,based on local parameterizedCENTURY model and meteorological observation data from 77station in Gansu Province from 1989 to 2018,net ecosystemproductivity(NEP)and ecological index soil organic carbon(SOC)were selected as the main research object,the applicability of themodel was verified,and the spatial and temporal distribution pattem文献标识码：A80of climate data in 30 years and influence mechanism of climatechange on grassland carbon cycle were analyzed using statisticalanalysis method and ArcGIS software.At the same time,threeclimate scenarios were designed according to the climate changeprediction in the fth assessment report of IPCC,to predict thespatial-temporal variation characteristics of NEP and SOC under thefuture climate change conditions,and to make comparative analysiswith the actual scenarios.The result show that the annual NEP andSOC have fluctuated and decreased in the past 30 years.The NEPdecreases at the rate of 14.23 gC m-2.a-per year,and the NEPfrom 1989 to 2018 is all greater than zero,which represents thecarbon sink;SOC is decreasing at the rate of 55.41 gC m-per yearand is being lost year by year.Temperature and precipitation arethe main factors affecting NEP and SOC,NEP is significantlypositively correlated with temperature and weakly positivelycorrelated with precipitation.SOC is significantly negativelycorrelated with temperature and weakly negatively correlated withprecipitation.In the future climate scenario,the increase oftemperature and precipitation fluctuation are the main reasons forthe change of NEP and SOC,and when the CO2 concentrationdoubles,the increase of temperature along will lead to a significantincrease in NEP and a significant decrease in SOC,while theincrease of precipitation fluctuation along will have little impact onNEP and SOC,precipitation is the main limiting factor in thenorthern arid area of Gansu Province.Key words:CENTURY model;NEP;SOC;0引言作为重要的陆地生态系统之一，草地具有巨大的生态服务功能，在涵养水源、防风固沙、固碳服务以及生物多样性保护等方面有不可替代的作用叫,是人类生存和可持续发展的基础。然而,在全球温度不断升高、降水格局发生改变的双重影响下，甘肃草地的固碳潜力发生改变，主要表现为地上草地植被生产力的改变和地下草地土壤有机碳(SOC)的改变3。净生态系统生产力(NEP)是生态系统碳的净吸收或净排放，定量描述了陆地生态系统碳源汇的能力4。土壤有机碳(SOC)是草食动物排放的碳素，植被掉落物和植物地下残根向土壤输人的有机碳素，是草地生态系统是否健康的重要评价指标，其含量显著影响草地生态系统的生产力。因此,NEP能够很好的代表草地植被生产力的改变,SOC也是甘肃草地固碳潜力的另一个重要指标。甘肃草地是西北地区主要的生态屏障，受过度放牧和气候变化的影响,草地退化日趋严重。CENTURY模型对甘肃草地 NEP和 SOC 变化的研究相对较少,缺乏一套适用于甘肃草地的模型来分析气候因子和二氧化碳浓度升高对草地NEP和SOC的影响。鉴于此,本研究基于本地参数化的CENTURY模型，利用甘肃省气象数据、土壤数据和实测值，估算NEP和SOC的时空分布，设计未来气候变化情景，分析NEP和SOC变化过程，研究未来气候变化对草地有机碳的影响，为减李晓娟等基于CENTURY模型的甘肃草地固碳潜力对气候因子和二氧化碳浓度升高的响应10400E0N0N32ON注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为climate change;partial correlation analysisJS(2016)01-127号的标准地图制作，底图无修改。图1甘肃草地和气象站点分布示意图1.2数据收集与处理甘肃省7 7 个站点的气象数据来自最新的空间分辨率为1km的WORLDCLIM全球气候数据集8-9。NPP和SOC实测数据来源于甘肃省草原总站2 0 14年草原调查数据，选取NPP共2 5个样点，SOC共7 7 个样点。选用IPCC排放情景特别报告中模拟的中国区域2 1世纪的气候变化场景10,以19 8 9 2 0 18 年期间气候变化为基准，模拟2 0 19 一2 0 48 年期间在平均温度增加2，降水量增加12%,CO,浓度加倍的情况下,NEP和SOC对气候因子和CO2浓度变化的响应。土壤类型数据来源于世界土壤数据库（HWSDV1.2),该数据是空间分辨率为1km的网格数据。草地分布示意图和草地类型数据来自于中国生态系统评估与生态安全数据库(http:/ 个参数化文件；其次，运行EVENT100程序，设定作物管理和干扰事件（收割、施肥、火灾、放牧、灌溉等），生成“.SCH”文件；再根据前两步输人的数据和作物管理驱动CENTURY模型，使其达到稳定状态；最后以稳定状态下的参数作为模型的初始条件，运行LIST100输出程序便得到可读的模拟结果。本文有关具体操作过程主要参阅CENTURY模型用户指南和参数化手册14-16。1.3.2模型输出结果在CENTURY模型中，通过输人本地参数可直接输出植被净初级生产力（NPP)值和SOC值，对于植被净生态系统生产力（NEP）,本文借张璐等17 的研究直接定性地进行NEP的估算,NEP的计算公式为：NEP=NPP-RH其中,R为异养生物的呼吸速率，其值可通过气温和降水来计算，计算公式如下：Rr=0.22 Exp(0.0913T)+Ln(0.3145P+1)30 46.5%T为温度();P为降水(mm)。1.3.3未来气候数据情景设计本文根据IPCC第五次评估报告结果，以19 8 9 一2018年的实际气候数据变化作为参照，模拟2 0 19 一2048年平均温度增加2，降水量增加12%以及CO2浓度加倍的情况下，甘肃草地有机碳对气候因子的响应。为区分温度、降水和CO,升高对NEP和SOC的不同影响程度，基于以上实际变化情景（情景A），我们又设置了3种不同的气候情景组合，具体情境设计如表1所示。表1未来气候情景变化气候情景温度()降水(mm)二氧化碳(ppm)情景A不变情景B+2情景C不变情景D+22结果与分析2.1CENTURY模型精度验证NEP和SOC模拟值与实测值的线性回归分析结果（图2）表明，NEP和SOC模拟值与实测值具有较好的相关性，两者拟合效果都符合各站点实际情况，说明可以用CENTURY模型估测甘肃草地NEP和SOC的动态模拟。2.219892018年气候数据年际变化特征分析1989一2 0 18 年甘肃年平均温度和年平均降水量的变化曲线（图3）显示：30 年间研究区的年平均温度在79之间，气温变化呈现波动上升趋势，并且以平均811250;=0.5872+1517.6预测值 Soc(gcm-)R3-0.9639RMSE=147.359850450509.598.576.51988图319 8 9 2 0 18 年甘肃年平均温度和年平均降水量变化曲线每年0.0 1的速度递增（P0.05）,表现出明显的气候变暖趋势。降水量的变化表现为稳定的随机波动，波动范围为2 9.5 45.3mm，年平均值为37.7 mm。在同一时期，与年平均温度相比,该地区的年降水量没有显著的变化。2.319892018年气候因子空间变化格局图4表明甘肃省7 7 个站点30 年平均温度空间变化明显，部分地区温度相差较大。除了西北地区、西部少数地区和甘南地区外,其他地区温度都比较高，尤其在甘肃北部和南部一些地区温度达到14以上,而其他部分地区温度适中,变化幅度较小。甘肃省7 7 个站点30 年平均降水量空间变化差异显著，甘肃北部和部分西北地区以及东北地区降水量偏低，平均降水量仅有1mm左右，属于严重干旱地区；甘肃部分中部地区和东南地区降水量适中，平均降水量约为33.5mm，属于较湿润地区；而甘南地区和甘肃南部地区降水量不变不变不变加倍+12%加倍+12%不变R=-0.5148mRMSE=923.936050305050450850实测值NEP(gCm-2.a-1)图2 NEP和SOC实测值与预测值对比y=0.0229x-37.994R-0.2494年平均温度线性19982008年份充沛，平均降水量高达6 0 mm左右，属于湿润地区。2.4未来气候情景下NEP和SOC的时空变化格局2.4.1各气候情景下NEP和SOC的年际变化图5显示在不同情景下，NEP和SOC整体呈现出30年平均温度（）N高：14.9 6 53低：-10.5336注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为JS(2016)01-127号的标准地图制作，底图无修改。图419 8 9 2 0 18 年甘肃温度和降水量空间变化格局1250年平均做水（mm）5040302020181988高：6 8.18 8 8低：1.0 2 7 6 602505005060一年平均降水线性19982008年份30年平均降水（mm）3050实测值Soc(gC.m)y=0.1371236.99R0.0851NW正60509050201882NEP(gC-m.a)7006005004003002002019202420292034年份情景A*+情量B情景C情景D图5各气候情景下NEP和SOC的年际变化曲线图缓慢下降趋势，且减小趋势存在差异，表明甘肃草地潜在的碳封存能力正在逐年降低。在三个气候变化情景下,NEP的年际变化有不同程度的增加,SOC的年际变化在情景 B中增加,在情景C和情景 D中减小。其中，情景A、情景B和情景C预测的年平均NEP比实际情景分别增加了10 9.2 3gCm-al、33.51g Cma-l和88.89gCm-a,情景A、情景B和情景C预测的年平均SOC比实际情景分别增加了-37 0.0 8 gCmal、146.48 gCma-l和-47 6.0 1 gCmal，表明在 C02浓度加倍的情境下（情景A和情景B）,单独的温度升高使得NEP增加,SOC减小，单独的降水波动增大对NEP和SOC的影响较小。2.4.2各气候情景下NEP和SOC的空间变化格局图6 和图7 分别表示各气候情景下NEP和SOC的空间变化格局。其中a,b,c,d分别代表情景A,情景B,情景C和情景D。与实际情景相比,二氧化碳浓度升高使得研究区NEP和SOC增加(图6 a,图7 a)。具体分析如下：各气候情景下NEP的空间变化格局（图6)显示：与实际情景相比，气候变化和CO,浓度倍增导致甘肃省大部分地区NEP呈现出增加的趋势。30 年最大年NEP(超过9 0 0 gCm-a-)主要出现在甘南地区、甘肃南部少数地区以及东部少数地区，最低NEP主要分布在甘肃中部部分地区。其中,CO2浓度加倍情境下,仅温度上升导致NEP增加的地区占整个研究区的7 1%（图6b）,仅降水波动增大导致NEP增加的地区占整个研究区的12%（图6 c）。C O 2 浓度不变情境下，温度和降水增加导致NEP增加的地区占整个研究区59%（图6 d）。各气候情景下SOC的空间变化格局（图7)显示：与实际情景相比，气候变化和CO2浓度倍增导致各区域SOC显著变化，最大SOC主要分布在甘肃中部部分地区以及甘南地区，最低SOC主要分布在甘肃西北部和东南部部分地区。其中，CO,浓度加倍情境下，仅温度上升导致SOC降低的地区占整个研究区的43%（图7b）,仅降水波动增大导致SOC增加的地区占整个研究区的2 2%（图7 c）。C O 2 浓度不变情境下，温度和降水增加导致SOC减少的地区占整个研究区的6 2%（图7 d）。李晓娟等基于CENTURY模型的甘肃草地固碳潜力对气候因子和二氧化碳浓度升高的响应7000Soc(gCm*)6000500040003000200020392044(a)NEP(gC-m-a-)110.422019 20242029203420392044年份情景A情景B情景C情景D3讨论变暖导致甘肃草地固碳潜力的变化方向和幅度并不一致18。本研究得出温度升高会使研究区NEP增加,SOC减少。大多研究也表明高温会促进草地生态系统光合作用的强度，提高植被生产力，同时温度上升也会刺激土壤中的碳含量向大气流失19,这可能是由于温度升高和CO,浓度加倍对光合作用和土壤呼吸的综合影响2 0,刺激植物生长和土壤呼吸,最终导致植被生产力增强和土壤碳的流失，这与研究中的结论基本一致。本研究得出CO2浓度升高，仅温度增加导致NEP显著增加,SOC减少；仅降水增加，NEP增加量和SOC减少量不显著。吴玉莲等2 1研究发现未来气候变化情况下，CO,浓度倍增和温度、降水同时增加使得长白山阔叶红松林NPP将显著增加，结果与文中研究一致。因此，在本研究基础上，还需更加深人地探索草地固定(b)NEP(gC-m-a-)133.01225.03224.08378.75367.28557.840250500km(c)NEP(gC-me-a-)194.353308.44424.66574.850250500注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为JS(2016)01-127号的标准地图制作，底图无修改。图6 各气候情景下NEP的空间变化格局(a)soc(gC-m*)4335.654854.395465.925970.470.250590km(c)soc(gC-me)3840.224530.515259.44250500注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为JS(2016)01-127号的标准地图制作，底图无修改。图7 各气候情景下SOC的空间变化格局494.330250500km(d)NEP(gC-m-ar)194.46305.9857.3g 250422.26250500/km(b)soc(gc-me)3418.614064.734678.795274.310250500kmN(d)Soc(gC-me)03665.424146.914644.105135.7002250500.km李晓娟等基于CENTURY模型的甘肃草地固碳潜力对气候因子和二氧化碳浓度升高的响应碳源潜力在不同条件下对气候变化和CO2浓度升高的climatology,2017,37(12):4302-4315.响应，以此得出更精确的结论。9张瑶瑶.甘南州草地土壤有机碳、全氮空间分布特征及影响结果的不确定可以分为以下几点：（1)CENTURY因素分析D.兰州:兰州大学,2 0 19.10 Nakicenoyic N,Alcamo J,Davis G,et al.Special report on模型已被广泛应用于草地生态系统有机碳研究且取得Emissions Scenarios:a special report of the Working Group II of the了较好的模拟结果。但由于草地生态系统本身具有Intergovernmental Panel on Climate ChangeM.2000.高度的非线性和复杂性，CENTURY模型需要输人的11 Shi X Z,Yu D S,Wamer E D,et al.Soil Database of 1:参数种类较多2 3,由于缺乏可靠的实测数据，使得模型1,000,000 Digital Soil Survey and Reference System of the Chinese参数很难精确化，最终导致模型模拟结果与实测结果Genetic Soil Classification SystemJ.Soil Survey Horizons,2004,45仍存在一定的误差和不确定性。（2)未来气候情景数(4):129-136.据大多为通过简单的温度和降水按比例增加，CO2倍12陈辰，王靖，潘学标，等.CENTURY模型在内蒙古草地生态增的方式来实现，忽略了气候变化的复杂过程，使得系统的适用性评价J.草地学报,2 0 12,2 0(6)：10 11-10 19.未来情境下的气候数据准确性缺乏理论依据。（3)伴13 Parton B,Ojima D S,Del Grosso S,et al.CENTURY tutorial:随着经济的发展，人类活动对草地固定碳源潜力也存supplement to CENTURY users manualJ.Great Plain SystemResearch Unit Technical Report,2001(4).在着一定的影响。面对日趋严峻的生态问题,研究中15李东，黄耀，吴琴，等.青藏高原高寒草甸生态系统土壤有只考虑了自然因素对草地固定碳源潜力的影响，没有机碳动态模拟研究J.草业学报，2 0 10,19(2)：16 0-16 8.将人为因素考虑在内,在以后的研究中还需要进一步16 Metherell A K,Harding L A,Cole C V,et al.CENTURY soil的探索。organic matter model environment technical documentation4结论(Agro-ecosystem Version4.O;Great Plains System Research Unit,研究结果表明，可用CENTURY模型估测甘肃草Technical Report No.4)R.Fort Collins (Colorado State University):地NEP和SOC的动态模拟。温度、降水空间变化差异United States Department of Agriculture(USDA)-Agricultural显著。NEP和SOC主要受温度影响，降水对NEP和Research Service(ARS),1993.SOC影响较弱，未来气候变化情景下，NEP年际变化17张璐，王静，施润和2 0 0 0-2 0 10 年东北三省碳源汇时空动态遥感研究J.华东师范大学学报（自然科学版）,2 0 15,4（4）：趋势呈现不同程度的增加,SOC 年际变化以实际情景164-173.趋势线为基准上下波动。CO,浓度加倍，单独的温度升18 Crowther T W,Thomas S M,Maynard D S,et al.Biotic高导致NEP增加,SOC减小，单独的降水波动增大对interactions mediate soil microbial feedbacks to climate change J.NEP和SOC的影响较小。温度是影响甘肃大部分地区Proceedings of the national academy of sciences of the united statesNEP 和 SOC 的主要因素,降水主要在西北干旱地区成of America,2015,112(22):7033-7038.为SOC的主要限制因素,CO,浓度倍增有助于NEP的19 Crowther T W,Todd-Brown K E O,Rowe C W,et al.增加，并且会减弱气候因子引起的SOC的流失。Quantifying global soil carbon losses in response to warming J.参考文献：Nature,2016,540(7631):104-108.1 何国兴,柳小妮,张德罡,等.甘肃省草地 NPP 时空变化及对20何航，张勃，侯启.19 8 2-2 0 15年中国北方归一化植被指数气候因子的响应J.草地学报,2 0 2 1,2 9（4)：7 8 9-7 9 7.(NDVI)变化特征及对气候变化的响应J.生态与农村环境学2沈海花,朱言坤,赵霞，等.中国草地资源的现状分析J.科报,2 0 19,35(11):7 0-8 0.学通报，2 0 16,6 1(2)：139-154.21吴玉莲，王襄平，李巧燕，等.长白山阔叶红松林净初级生3孙明,莫伟华，谢敏，等.广西红树林净生态系统碳交换变化产力对气候变化的响应：基于BIOME-BGC模型的分析J.北京特征及影响因子研究J.生态与农村环境学报,2 0 2 1,37（3)：大学学报（自然科学版），2 0 14，50（3）：57 7-58 6.909-916.22 Wang Y W,Yue H B,Peng Q,et al.Recent responses of4常顺利,杨洪晓,葛剑平.净生态系统生产力研究进展与问grassland net primary productivity to climatic and anthropogenic题J.北京师范大学学报（自然科学版）,2 0 0 5,41(5：517-52 1.factors in KyrgyzstanJ.Land Degradation&Development,2020,315王多斌,籍常婷,林慧龙.基于DNDC模型的高寒草甸土壤(16):2490-2506.有机碳含量动态研究J.草业学报，2 0 19,2 8（12）：19 7-2 0 4.23王松.应用CENTURY模型模拟草原地上净初级生产力对6 刘洪来,鲁为华,陈超.草地退化演替过程及诊断研究进展气候变化的响应一一以温带典型草原和高寒草甸为例D.内蒙J.草地学报,2 0 11,19(15):8 6 5-8 7 1.古：中国科学院地理科学与资源研究所，2 0 17.7丁峰.甘肃省草地资源利用存在的问题及解决的途径J.甘作者简介：李晓娟（19 9 5-），女，甘肃定西人，硕士，主要从事生肃农业科技，2 0 0 8(7)：54-56.物统计研究。8 Fick S E,Hijmans R J.WorldClim 2:new 1-km spatial resolution通信作者：张美玲，女，博士，副教授，主要从事生物统计研究。climate surfaces for global land areasJ.Intermational journal of(2022-10-13收稿刘晓佳编辑）83