Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 气候变化背景下放牧对中亚草地生态系统碳动态的影响 | |
| 其他题名 | Effects of Grazing on Drygrassland Carbon Cycling under Climate Change in Central Asia |
| 韩其飞 | |
| 出版年 | 2014 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 罗格平 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 在全球变化科学研究中，生态系统碳循环与全球变化是被最为关注的研究问题之一。亚洲中部干旱区碳循环对全球变化（气候变化以及人类活动）非常敏感，尤其是干旱区草地生态系统又受到不断加剧的人类活动影响，所以正确评估其碳动态对区域乃至全球尺度碳循环研究都具有重要意义。另外，放牧是干旱区草地生态系统中主要的人类活动，尽管放牧通常被认为对植物生长是不利的，但一些研究也表明适度放牧可能促进草地的生长，即表现出补偿机制。关于这个问题，目前学术界还有许多争论，放牧对草地碳平衡与碳动态的影响还具有很大的不确定性。 因此，本研究计划选择亚洲中部干旱区草地生态系统为研究对象，针对其独特的生理生态机制和以放牧为主的人类活动干扰，完善已有的生态系统过程模型Biome-BGC。通过情景模拟综合评价亚洲中部干旱区草地生态系统碳循环的动态。具体方法步骤包括：1）由于Biome-BGC模型未考虑放牧效应，本研究为了模拟放牧对草地生态系统碳循环的影响，发展了Biome-BGC grazing模型；2）为了验证改进后模型的有效性和精度，我们基于野外采样、试验与观测，在围栏、放牧、刈割等情形下，分析天山北坡主要草地生态系统生理生态指标、结构与功能特征，并以此对Biome-BGC Grazing模型进行参数化和验证；3）将改进并校正参数后的模型进行空间化，收集中亚生态数据集，包括气象数据、土壤数据、放牧数据等，最后，分析1979-2011年中亚草地碳动态的时空差异；4）基于Biome-BGC Grazing模型的多情景模拟分析，揭示干旱草地生态系统碳动态与放牧、气候变化和CO2浓度升高之间的关系，并提出合理的干旱区草地放牧制度，促进草地生态系统的可持续发展。 结果表明： 1) 在站点尺度，适度放牧将增加受水分胁迫的山地干旱草原地上净初级生产力，在气象条件不变的情景下，各草地生态系统地上净初级生产力随放牧强度的增加逐渐降低，且与放牧强度表现出较强的负相关性。 2) 中亚总碳储量约为16.86Pg C，其中哈萨克斯坦和新疆分别占60%，25%。1979-2011年，中亚草地生态系统做为一个碳源释放了0.827 Pg CO2，其中哈萨克斯坦是中亚最大的碳源，释放了0.64Pg C，占整个中亚区域的77%。 3) 分别对1979-2011年中亚草地生态系统碳动态距平与气温和降水距平做相关分析。结果表明，碳动态和降水的相关性较强。 4) 不同的情景模拟模拟结果显示，中亚草地在不受到放牧干扰和CO2浓度增加影响的的情景下（CLIM），处于碳平衡状态，既不吸收也不释放碳。）CO2浓度增加（CLIMCO2）对中亚草地生态系统的具有施肥效应，促进了中亚草地生态系统生产力的增加。 5) 放牧抑制了中亚草地生态系统生产力，这一因素导致中亚草地在过去30年释放了0.931 Pg CO2。过去的33年，除去放牧效应（CLIMCO2），中亚草地可以固定0.104Pg CO2。然而，增加放牧效应后（OVERALL），中亚草地生态系统成为一个碳源释放了0.827 Pg CO2。 6) 根据统计分析，当平均放牧率小于0.23 head/ha时，放牧能够促进草地生产力的增加，因此控制放牧率在0.23head/ha的水平，可以有效防止中亚草地生态系统的退化。 本研究实现了Biome-BGC模型在中亚五国及新疆区域尺度的应用，突破了由于区域试验站点有限、草地类型多样而无法实现空间动态评估与预估的瓶颈。研究结果将有助于理解气候变化及放牧对干旱区草地生态系统碳动态变化的驱动机理，对探明干旱区草原生态系统的‘源/汇’特征及其在全球变化中的作用具有重要意义。 但是，论文还存在几方面的问题：1）放牧模型中对放牧过程进行了简化，许多关于放牧过程理想条件的假设可能与实际情况不符。例如在放牧模型中，我们未对植被物种的可食性进行区分、未考虑放牧对物种多样性变化等影响；2）模型中涉及群落的一些生理生态参数的精确参数化较难，相应实验研究也比较少；3）气象数据的空间分辨率较大，相对于站点水平的研究还不能一一对应，导致模拟结果存在不确定性；4）我们对天山北坡受水分胁迫的地区的草地生产力进行模拟，已经获得“促进作用”的初步结论，但是由于研究区有限，该结论还不能推广到整个干旱区。鉴于最后一个问题，我们又在天山北坡选择典型的荒漠草原进行了为期两年的刈割代替放牧实验，以验证刈割是否对草地生产力有促进作用，我们在是试验地设置了9个2m×1m的围栏，又将该围栏划分为两个1m*1m的小围栏，分别进行不处理和刈割处理。结果表明，刈割后的生物量显著大于不处理的样方。所以这丰富了我们的结论，即在受水分胁迫的地区，刈割代替放牧可以促进草地生产力的增加。 鉴于以上问题，该研究未来的工作重心可以放在以下几个方面：（1）改进模型增加植物演替模块，使其更加全面的反映放牧活动对水循环、物质分配等影响的研究；（2）更多的搜集中亚植被的生理生态参数，加强野外实验，建立长期定位观测站，为进一步研究提供坚实的数据支撑；（3）可以考虑运用多种气候模式对中亚草地生态系统进行模拟，以减小单一气象数据带来的不确定性（4）关于放牧对草地NPP的影响研究，除了刈割代替放牧的实验，还可以利用已有的草地围栏和新设置的可移动笼，采用传统的移动笼法和称重—口罩法，测量牲畜的食性和采食量。 |
| 英文摘要 | Understanding of the underlying mechanisms of dryland dynamics and the coupling effects of grazing and changing climate is of utmost importance for the mitigation of and adaptation to this climate change the drylands’ response to predicted changes. Most of Central Asia has a semiarid or arid climate which is very sensitive to the global change. Grazing can lead to rapid ecosystem state changes that alter carbon stocks. Primarily, grazing reduced above-ground carbon stocks. However, in some very limited instances, low levels of herbivory may directly benefit plants by stimulating regrowth that produces greater amounts of biomass than initially removed by herbivores. In all, Consumption of vegetation by herbivores influences terrestrial carbon cycling, yet an unresolved question is whether the influences of herbivory on carbon cycling lead to significant changes in carbon stocks relative to other factors commonly considered in the global carbon cycle, such as climate change or CO2 fertilization. Using the modified Biome-BGC grazing model, we modeled carbon dynamics in Central Asia for grasslands that varied in grazing intensity from 1979 to 2011. The regional simulation estimated that the grassland ecosystems in Central Asia acted as a net carbon source, with a value of 0.827Pg C for the last 33 years (1 Pg = 1015g). However, after eliminating the grazing effect, grassland in Central Asia is a week carbon sink of 0.104Pg over 33 years. Therefore, grazing result in the carbon loss of 0.931 Pg C of grassland in Central Asia over the past 33 years. From 1979 to 2011, climate change alone resulted in a release of CO2 of 0.007PgC for Central Asia. Climate change decreased the capacity of carbon storage in Central Asia. The reason for the reduction in carbon storage induced by climate change alone is the decreasing precipitation. CO2 fertilization sequestrated 0.198 PgC for Central Asia in the last 33 years. In addition, we also find a significant interactions effects between grazing, climate change and CO2 fertilization. Our research explored the possible implications of temperature, precipitation, and CO2 changes for grazing management of the grasslands in Central Asia. Grazing may eventually be assembled into a set of biophysical tools for climate adaptation and mitigation. |
| 中文关键词 | 中亚草地生态系统 ; 放牧 ; 气候变化 ; 碳动态 ; Biome-BGC |
| 英文关键词 | Drygrassland Central Asia Climate change Grazing Carbon dynamics Biome-BGC |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 地图学与地理信息系统 |
| 来源机构 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287438 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 韩其飞. 气候变化背景下放牧对中亚草地生态系统碳动态的影响[D]. 中国科学院大学,2014. |
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