第四纪以来的全球气候变化剧烈,以多次出现的冰期-间冰期气候旋回和当前的全球变暖为主要特征。在距我们最近的极寒冷时期末次冰盛期（～21 ka）,海平面降低,冰盖扩张,气候寒冷。而到了全新世中期（～6 ka）,全球进入一个大暖期,在非洲的表现为夏季风增强,降雨量显著增加,形成了非洲湿润气候时期。而工业革命以后随着二氧化碳（CO₂）等温室气体浓度的升高,气候开始快速变暖。气候变化与陆地生态系统有着十分紧密的联系。晚第四纪的气候变化对陆地植被和地表过程有着显著影响。气候的变化必然引起生态环境的变化,目前,我国的生态环境问题日益突出,如何改善生态与环境是事关经济社会可持续发展和人民生活质量提高的重大科学问题。作为陆地生态系统最重要的一环,植被在防风固沙、保持水土、调节气候等方面发挥着巨大作用。因此,揭开气候变化与植被的耦合关系十分重要。一方面,这有利于理解过去的植被分布和生产力对气候变化的响应;另一方面,这将是预测和应对未来气候变化影响的科学依据。然而,目前的研究往往只关注某一时期或者单一因素对地表植被的影响。这制约了我们更好地理解生态环境对过去短期和长期的气候变化的响应。本文选取了三个典型时期末次冰盛期、全新世中期和现代,期望通过气象站点的现代观测资料、遥感反演的地表参数资料、古气候重建资料和地表过程模型等多种数据资料和分析手段,来探究CO₂浓度、气候、火和土壤性质等多种因子对陆地植被分布和生产力的影响。主要研究内容包括:（1）对末次冰盛期和全新世中期的植被分布进行的模型模拟重建研究,以及（2）对气候变化影响中国现代植被生产力的分析研究。主要获得了以下四点结论:1.重建了末次冰盛期和工业革命前时期的全球植被的分布,揭示了CO₂浓度、气候变化和火灾对全球植被分布的影响机理。利用ORCHIDEE-MICT动态植被模型,设计了12个敏感性实验,用于区分CO₂、气候指标（气温降水等）和火灾对末次冰盛期和工业革命之前全球植被变化的影响。研究结果表明,在低纬度地区,CO₂的变化对热带树木、温带树木和C4草分布的影响大于气候;而在高纬度地区,气候主导了北方树木和C3草的覆盖变化。CO₂升高导致的热带树木总初级生产力（GPP）的增加比温带和北方树木的增加更大,这强调了高纬和低纬树木对CO₂变化的不同敏感性。CO₂的变化也改变了植被覆盖度和降雨量的关系。随着CO₂升高,热带树木覆盖度达到饱和所需的降雨量显著降低。这意味着如果不考虑人类活动和其他限制因素,未来在半湿润和半干旱地区的树木覆盖率有望随着CO₂升高而增加。此外,由于草的减少会带来火灾的降低,因此可以进一步扩大树木的覆盖率。2.重建了全新世中期北非植被的分布,并对降雨量和地表碳库进行了估算,发现土壤反馈作用对植被覆盖的重要影响。借助于具有较好土壤过程的动态植被模型ORCHIDEE-MICT,研究了维持全新世中期撒哈拉的植被覆盖度所需要的降水量。通过逐步向模型加入一些土壤作用,来探讨这些过程对植被动态变化和陆地水循环的影响,这些过程包括土壤有机碳持水效应、土壤水导率的影响和土壤蒸发的影响等。结果表明考虑所有土壤对植被的反馈作用之后,该模型需要400 mm/yr的降水量就能重现孢粉所推断的全新世中期撒哈拉植被覆盖。从全新世中期到工业革命之前,我们推测由于“绿色撒哈拉”的消失,大量土壤、凋落物和植被中的有机物被移除。由此,撒哈拉陆地碳储量减少了约58 Pg C,部分碳被释放到大气中,可能对气候产生影响。3.湖北省极端气候变化事件发生的频率呈现出增加的趋势,发现极端气候变化事件影响着植被生产力的年际变化。利用湖北省及周边52个气象站点1961-2015年的日分辨率气温和降雨观测数据,计算出气候变化检测、监测和指标专家组所定义和推荐的21个气温和降水指数。对这些气候指标和三个植被指数进行了趋势分析,以及与厄尔尼诺等海温和大气环流异常指数的相关分析。另外利用了一种多元线性回归的方法量化了植被对不同气候指数的敏感性。结果发现,所有暖相的气温指标均呈显著上升趋势,例如湖北省夏季日数过去30年增加了约20天。在空间上,极端降水量在东部地区呈上升趋势而在西部地区呈现下降趋势。通过对比各个指标在1982-2015年和1961-2015年两个时间段的趋势,发现有18个指标的趋势出现了增加,表明气候变化正在加剧。相关性分析表明大西洋多年代际振荡指数的暖相会导致研究区极端高温和极端降水。逐步多元线性回归分析表明夏季日数和平均降雨强度对湖北省植被年际变化有正面影响,而霜冻日数、高温持续日数、暴雨日数和持续干旱日数存在一定负面影响。4.利用一种创新的三维数据分析方法,通过分析对比TRENDY模型和Yao-GPP模型的数据,发现中国东北和华北地区的植被受极端干旱事件的影响较大,中国南方植被更容易受到寒冷和热浪的影响。本研究将一种创新的三维数据分析方法应用于中国的总初级生产力负异常事件中。利用13套GPP数据对1982-2015年间中国植被生产力的负极端事件的时空特征和驱动因素进行了探究。结果显示,模型的GPP数据和基于观测反演的GPP数据都表明东北和华北的植被最易受极端事件的影响,特别是在山区。对这12套TRENDY模型和Yao-GPP数据的分析发现,过去三十年分别有45%和68%的GPP亏损发生在夏天。九个气候因子当中,降水量负异常是中国极端事件的主要驱动因素。幂律分布分析进一步验证了干旱的重要影响。通过敏感性分析发现植被生产力对干旱的敏感性是对洪涝灾害的敏感性的两倍。然而,中国南方植被更容易受到寒冷和热浪的影响,这较少被前人报道。综上所述,本文利用动态植被模型重建了末次冰盛期全球植被分布以及全新世中期北非植被分布,并揭示了在不同时间尺度下,不同因素对陆地植被的重要影响。同时,本文也强调了地表过程对气候变化的潜在影响。研究结果对现在和未来的变化趋势有一定的指示意义。如果不考虑人类活动和其他限制条件,未来在半湿润和半干旱地区的树木覆盖率有望随着CO₂浓度的升高而增加。未来CO₂浓度和气候变化以及火灾的耦合效应可能引起干旱热带地区树木覆盖率的显著变化。近50年湖北省极端气候呈现加剧的趋势,极端事件强烈影响着植被生产力的年际变化。近30年东北和华北地区的植被受极端事件影响较大,南北方极端事件分别以干旱和极端气温为主。因此,建议应该有针对性地制定管理方案来应对未来的全球变化。本研究对于揭示气候变化、植被和地表过程的密切关系,对于理解过去气候变化的影响和应对未来气候变化具有重要意义。