【摘 要】
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黄土丘陵区是典型的生态脆弱区,该地区植被的恢复和建设是中国北方地区重要的生态恢复工程。沙棘（Hippophae rhamnoides）作为黄土丘陵区最重要的树种之一,了解其碳通量动态在现阶段环境条件和未来气候情景下的稳定性对黄土丘陵区人工林管理和建设具有重要意义。Biome-BGC生态过程模型的发展为区域内生态系统碳循环的研究提供可靠方法。本文以黄土丘陵区沙棘人工林为研究对象,分析沙棘人工林生态系
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（41977425）； 国家重点研发计划项目子课题（2017YFA0604801）；
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黄土丘陵区是典型的生态脆弱区,该地区植被的恢复和建设是中国北方地区重要的生态恢复工程。沙棘（Hippophae rhamnoides）作为黄土丘陵区最重要的树种之一,了解其碳通量动态在现阶段环境条件和未来气候情景下的稳定性对黄土丘陵区人工林管理和建设具有重要意义。Biome-BGC生态过程模型的发展为区域内生态系统碳循环的研究提供可靠方法。本文以黄土丘陵区沙棘人工林为研究对象,分析沙棘人工林生态系统碳通量在2016-2019年的季节变化特征,明确环境因素对碳通量的控制机制,从而明确现阶段该生态系统碳收支对环境因素的响应;同时结合Biome-BGC模型在使用基于模型无关参数估计方法（PEST）对模型各参数进行优化的基础上,利用EFAST敏感性分析方法确定影响沙棘人工林碳通量的生理生态敏感参数,计算各参数的一阶和总敏感性指数,明确影响沙棘人工林碳通量的高、中敏感参数。进而应用优化后的模型分析预测沙棘人工林生态系统碳通量在RCP4.5气候变化情景下的响应,估算沙棘人工林生态系统在该地区的固碳能力,判断其碳源汇功能。主要结论如下:（1）黄土丘陵区沙棘人工林生态系统在2016-2019年均表现为碳汇,四年年尺度净生态系统生产力（NEP）分别为264.79 g C m-2yr-1、205.13 g C m-2yr-1、226.83 g C m-2yr-1、216.29 g C m-2yr-1;四年年尺度总生态系统生产力（GEP）分别为1075.74 g C m-2yr-1、981.16 g C m-2yr-1、1086.29 g C m-2yr-1、1037.57 g C m-2yr-1;四年年尺度生态系统呼吸（RE）分别为811 g C m-2yr-1、774.04 g C m-2yr-1、859.99 g C m-2yr-1、821.28g C m-2yr-1,GEP、RE、NEP年际差异均较小。GEP、RE、NEP具有较为明显的季节性变化规律,呈现出明显的―双峰‖变化特征。在生长季初期和后期,植物光合能力和呼吸强度较弱,而在生长季旺盛时期较强。（2）使用回归分析得出,日尺度和月尺度NEP主要受到空气温度（Ta）和饱和水汽压差（VPD）的影响;日尺度和月尺度GEP主要受到空气温度和光合有效辐射（PAR）的影响;日尺度RE主要受到空气温度和光合有效辐射的影响,而月尺度RE则主要受到空气温度和降水量（PPT）的影响。（3）使用通径分析得出,Ta能够增强VPD的负效应、降低SWC的正效应、降低PAR的正效应从而影响植物GEP和RE,PAR能够增强VPD的负效应从而影响GEP和RE,PPT能够增强VPD的负效应、增强SWC的正效应从而影响GEP和RE。VPD则可以改变植物叶片的气孔开闭来影响GEP和RE,VPD增加气孔关闭,植物的光合作用和呼吸作用减弱。SWC也通过影响叶片气孔的开闭来影响植物GEP和RE。（4）通过EFAST敏感性分析方法得出,细根碳与叶碳分配比例（FRC:LC）对黄土丘陵区沙棘人工林GEP、RE和NEP均为显著的负影响,阴生叶与阳生叶比叶面积比例(SLAshade:sun)为显著的正影响。且FRC:LC对沙棘人工林GEP、RE和NEP的单独影响和交互影响都较强。其中FRC:LC通过间接影响叶片和细根碳氮的相对含量从而影响光合和呼吸作用,而SLAshade:sun则可能通过改变植物叶片对于光照的有效吸收面积和叶片接收到的光强从而影响植物叶片的光合作用,同时,SLAshade:sun也可能通过改变叶片表面温度从而影响呼吸作用。（5）在RCP4.5气候变化情景下（前期（2020-2040年）气温增加0.82℃,降水减少3.27%;中期（2041-2070年）气温增加1.65℃,降水增加5.71%;末期（2071-2100年）气温增加2.35℃,降水增加8.07%;CO2浓度设置为:前期395ppm,中期430ppm,到2100年为538ppm）,沙棘人工林生态系统碳通量表现出增加的趋势,且在末期达到最大值(GEP,RE和NEP分别达到1357.621,1067.907和289.714 g C m-2yr-1),在前、中、末期碳通量均呈波动性增长,增幅较小。综上所述,本研究基于沙棘人工林碳通量,分析预测了在黄土丘陵区,沙棘人工林现阶段及未来气候情景下的固碳能力和碳源汇功能。研究结果表明,环境因素和生理生态参数均可以直接影响碳通量,或者增减其他因素对碳通量的正负效应影响碳通量。随着气候变化,沙棘人工林生态系统表现为较大的碳汇,有利于该地区生态系统的重建和植被恢复的可持续发展。
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