草地生态系统是陆地表面分布面积最大的生态系统之一,约占大陆总面积的1/4,具有防风、固沙、保土、调节气候、净化空气、涵养水源等生态功能,对维系生态平衡、地区经济、人文历史具有重要地理价值。草地生态系统提供了人类食用的肉制品和奶制品,对畜牧业的发展起到了至关重要的作用,是食品安全的重要组成部分。此外,由于其广大的分布面积,草地具有巨大的固碳潜力,对平衡全球温室气体浓度,降低陆地温室效应具有重要意义,在全球碳循环评估中发挥着重要作用。随着全球气候变化和人类活动干扰的加剧,草地生态系统结构和功能发生相应变化。研究气候变化影响下的草地生产力时空动态及驱动因素不仅有助于了解全球草地生态系统碳循环的机制,且对评价全球陆地生态系统碳循环和碳源/汇功能具有重要参考意义。本研究首先以典型区—中国、北美、欧洲和澳大利亚的草地生态系统为研究对象,对比分析了 1981-2010年间,4个地区的草地空间分布、草地净初级生产力(Net primary productivity,NPP)、碳储量、土壤呼吸(Rs)、土壤异养呼吸(Rh)及净生态系统生产力(Net ecosystems productivity,NEP)的时空动态,并根据草地NPP与气候因子的相关性来揭示不同草地NPP对气候变化的响应;此外,利用改进的综合顺序分类法(Comprehensive Sequential Classification System,CSCS)模拟了过去百年不同时期全球草地覆盖,并利用基于湿润度指数K的分段模型和单室模型模拟了全球草地NPP和NEP,分析其时空动态及未来不同气候情景下的变化趋势,并分析草地生产力对不同气候因子的敏感性;最后,利用NPP和覆盖度作为草地退化等级划分的指标,对全球草地退化进行遥感监测,并引入3种NPP做为指标,对造成草地退化的气候变化和人类活动两种因素进行定量化和空间化分析。本研究得到的主要进展如下:1.典型区草地生产力时空动态及驱动因素分析以中国、北美、欧洲和澳大利亚的草地生态系统为研究对象,对比分析了 1981-2010年间,4个地区的草地空间分布、草地NPP、碳储量、Rs、Rh及NEP的时空动态,最后分析了不同草地NPP与年平均温度(MAT)和年总降水量(MAP)的相关性来揭示不同草地NPP对气候因子的敏感性。研究表明:(1).在4个地区中,北美草地面积最大,其NPP为4225.30±215.43 Tg DW.yr-1,欧洲草地面积最小,其NPP为928.95±24.68 Tg DW·yr-1。30年间,中国和澳大利亚的草地NPP呈现上升趋势,而欧洲和北美草地NPP整体下降;(2).北美地区草地的碳储量最高,为145.25 Pg C,中国草地碳储量最低,为36.42 Pg C,欧洲和澳大利亚的草地碳储量分别为45.46和52.38 Pg C。草地碳储量的95%以上储存在土壤中;(3).澳大利亚草地的Rs最高,为5.72±0.62 Pg C.yr-1,欧洲草地的Rs最低,为1.39±0.05 Pg C.yr-1,中国和北美草地的Rs分别为2.13±0.07和5.55±0.18 Pg C.yr-1;北美草地的Rh最高,为2.96±0.09 Pg C.yr-1,欧洲草地的Rs最低,为0.73± 0.02 Pg C.yr-1,中国和澳大利亚草地的Rs分别为1.12±0.03和2.92±0.28Pg C.yr-1。30年间,中国、欧洲和澳大利亚的草地Rs和Rh均呈现总体上升的趋势,而北美草地Rs和Rh下降;(4).欧洲草地NEP最高,平均为11.92±9.22 Tg TgC·yr-1,澳大利亚草地NEP最低,平均为-1176.03±61.73 Tg C.yr-1,中国和北美草地NEP分别平均为-22.46±21.45和-682.73±48.90 Tg C.yr-1,即欧洲草地表现为碳汇,其他地区草地均为碳源。1981-2010年间,澳大利亚草地NEP整体呈现上升趋势,而中国、北美和欧洲草地NEP整体下降,即向大气中释放的碳逐渐增多;(5).草地NPP对降水的变化更加敏感,不同草地类型对降水变化的反应不同。2.全球草地面积时空动态及驱动因素分析基于改进的草地综合顺序分类法模拟了过去百年不同时期全球及各大洲草地类组的时空动态及未来演变趋势,并研究了不同草地类组的迁移方向和距离,并分析其变化原因。研究表明:(1).全球草地面积为(5100.21±59.06)× 104km2,在5个草地类组中,热带萨王纳类组的面积最大,为(2010.05±108.32)× 104km2,典型草地类组面积最小,为(414.21±19.00)× 104km2,冻原与高山草地类组、荒漠草地类组和温带湿润草地类组的面积分别为(1442.78± 85.73)、(780.84±13.16)和(452.32±32.26)× 104 km2;(2).在过去的100年中,全球草地面积从5175.73 ×104 km2下降到5102.16 × 104 km2,其中冻原与高山草地类组的面积下降最多,为192.35 × 104km2,荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积分别下降14.31、34.15和70.81 × 104 km2,热带萨王纳类组的面积增加了238.06 × 104 km2;(3).到本世纪末,全球草地面积将会继续下降,其中RCP8.5情景中草地面积将下降最多(516.55×104km2),RCP2.6情景中下降最少(405.84 × 104 10km2),在RCP4.5和6.0情景中,将分别下降503.74和482.02 × 104 km2;(4).在六个大洲中,亚洲的草地分布最广,为(1940.62±48.14)× 104 km2,欧洲的草地面积最小,为(201.52±12.95)× 104 km2,非洲、北美洲、南美洲和大洋洲的草地面积分别为(1007.72±24.14)、(1065.10±53.19)、(397.39±7.19)和(487.85±47.31)× 104km2;(5).在过去的100年中,亚洲、欧洲和北美洲草地面积呈现下降的趋势,非洲、大洋洲和南美洲的草地面积整体上升;在未来的几十年内,亚洲和北美洲草地面积将继续下降,欧洲草地面积在RCP8.5情景中将显著增加,而在其他情景中变化较小,非洲和南美洲草地面积将继续上升,大洋洲的草地面积将逐渐下降;(6).过去的100年中,在北半球,温带湿润草地类组的重心向西北方向移动,其他草地类组的重心均向东北方向移动,其中典型草地类组的迁移距离最长,为633.11km;在南半球,荒漠草地类组和热带萨王纳类组分别向西南和东南方向迁移,其中荒漠草地类组的迁移距离最长,为1289.75km,冻原与高山草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组则向北方迁移。而在未来几十年内,RCP8.5情景中,各草地类组的迁移距离最长,大部分草地类组将向北方移动,其中RCP2.6情景中迁移方向争议较大。3.全球草地净初级生产力时空动态及驱动因素分析利用基于湿润度指数K的分段模型定量评估过去百年不同时期全球草地NPP的时空动态及未来演变趋势,并通过相关性分析研究草地NPP对不同气候因子的响应。研究表明:(1).全球草地NPP为(26.09±0.44)Pg DW·yr-1,在5个草地类组中,热带萨王纳类组的NPP最高,为(14.08±0.86)Pg DW·yr-1,其次为冻原与高山草地类组,其NPP为(5.88±0.36)Pg DW.yr-1,典型草地类组NPP最低,为(1.59±0.06)Pg DW-yr-1,荒漠草地类组和温带湿润草地类组的NPP分别为(2.47±0.02)和(2.07±0.12)Pg DW.yr-1;(2).在过去的 100 年中,全球草地 NPP呈现总体上升的趋势,共增加了 745.32 Tg DW·yr-1。在未来的几十年内,在RCP2.6情景中,草地NPP在2030s之后无显著变化;在RCP4.5情景中,将有微弱的增加;在RCP6.0和RCP8.5情景中,草地NPP在2030s之后将增加。在2070s,草地NPP与1920s相比,在不同情景将分别增加2.88%、4.45%、5.70%和12.35%;(3).冻原与高山草地类组和温带湿润草地类组的NPP在整个研究时间范围内逐渐下降,而荒漠草地类组和典型草地类组NPP波动较大,热带萨王纳类组的NPP在1920s-2070s逐渐上升,其中RCP8.5情景中将增加最多,在RCP2.6情景将增加最少;(4)在六个大洲中,亚洲草地NPP最高,占全球草地NPP的30.73%,其次为非洲草地NPP,占全球草地NPP的27.69%,欧洲草地的NPP最低,占全球草地NPP的4.40%,北美洲、南美洲和大洋洲的草地NPP分别占全球草地NPP的17.26%、10.64%和9.29%;(5).在过去的100年中,亚洲、非洲、大洋洲和南美洲草地NPP呈现总体上升的趋势,而欧洲和北美洲草地NPP下降;在未来的几十年内,亚洲和大洋洲的草地NPP将下降,非洲和南美洲草地NPP则会快速增加,而在欧洲和北美洲草地NPP在多数气候情景中变化较小;(6).降水是影响全球尺度草地NPP最重要的气候因子。4.全球草地净生态系统生产力时空动态及驱动因素分析利用基于湿润度指数K的单室模型定量分析了不同时期全球草地NEP的时空动态,并通过相关性分析研究了NEP对不同气候因子的敏感性。研究表明:(1).全球草地NEP平均为117.66±173.44 Tg C·yr-1,在5个草地类组中,典型草地类组的NEP为-41.94± 32.38 Tg C.yr-1,表现为碳源,冻原与高山草地类组的NEP最高,为(82.38±108.16)TgC·yr1,具有最高的固碳潜力;其次为热带萨王纳类组,其平均NEP为(46.00±39.57)Tg C·yr-1;荒漠草地类组的NEP最低,为(4.61± 7.01)Tg C.yr-1;温带湿润草地类组的平均NEP为(26.61±27.43)Tg C·yr-1;(2).在过去的100年中,全球草地NEP由8.40降低为到-42.91 TgC·yr1,即从吸收碳转化为释放碳。未来的几十年内,在RCP8.5情景中,全球草地NEP将一直下降,到2070s将下降至(-713.50±302.29)Tg C·yr-1;在RCP2.6情景中,草地NEP在2030s之后将有微弱上升,到2070s将达到(-166.63±103.14)Tg C·yr-1;在RCP4.5和6.0情景中,到2070s将分别下降至(424.51±177.63)和(406.43±167.49)Tg C.yr-1;(3).在六个大洲中,亚洲草地固碳潜力最强,最高达到135.37 Tg C·yr-1,在过去的100年中,除南美洲草地接近碳中性外,其他大洲草地均表现为碳汇;到本世纪末,全球各大洲草地均将转化为碳源;(4)在全球尺度,草地NEP更易受温度和降水的综合作用,其中降水的作用更加明显。5.全球草地退化遥感监测及其驱动力分析利用NPP和覆盖度作为草地退化等级划分的指标,研究2000-2013年全球草地退化状况,同时利用潜在NPP(NPPp)、实际NPP(NPPa)及二者差值(即人类活动作用导致NPP的损失,HANPP)定量评估气候变化和人类活动在草地退化中的相对贡献。结果表明:(1).全球发生不同程度退化的草地面积为1401.01 × 104km2,占全球草地面积的23.90%,未发生变化的草地面积为3017.24 × 104km2,占全球草地面积的51.47%;(2).在发生变化的草地中,呈现轻度改善的草地分布面积最大,占16.30%,呈现轻度退化和显著退化的草地面积分别占全球草地面积的15.30%和2.07%;(3).亚洲和北美洲草地呈现轻度改善的面积分别占各自大洲草地面积的17.55%和23.48%,而在其他大洲,呈现轻度退化的面积较大,最大面积的草地退化和草地改善均发生在亚洲;(4).气候变化是全球草地退化的最主要原因,导致了 45.51%的草地退化,而人类活动次之,导致32.53%的草地退化,而人类活动是草地改善的主导因素,占改善草地总面积的45.51%,而气候变化导致了30.6%的草地改善;(5).由于草地退化引起的NPP损失在1.40(北美洲)和13.61 TgC·yr1(大洋洲)之间,而由于草地改善造成的NPP增加在1.59(北美洲)和17.57 Tg C·yr-1(欧洲)之间。气候变化和人类活动对各个大洲草地退化的影响不同。6.精度验证和误差来源本研究的时间横跨过去百年到本世纪末,空间尺度由区域尺度到大洲尺度到全球尺度,从不同时空尺度探讨了气候变化对草地面积及生产力的影响。由于研究时间和空间尺度较大,模拟结果的验证难度较大,为了提高模型模拟精度、降低其不确定性,本论文采用立体取样-交叉验证-综合评判的方法,从样点实测数据、不同模型结果对比和文献结果验证的方法对模型模拟结果进行验证,结果表明模型模拟结果与实测数据及现有研究结果吻合度较高,能够合理的反映气候变化对草地碳循环的影响状况。论文结果的误差来源主要有:首先,在模拟全球草地生产力的研究中,模型中只用到降水和温度两个指标,许多重要的因子(如人类活动、CO2施肥效应、氮沉降、植被生理生态过程等)并没有考虑到模型中。不过模型抓住了影响草地发生与发展的主要气候因子,因此,从长时间序列大空间尺度看结果是合理有效的;其次,输入数据的误差,由于上个世纪初气象观测点很少,根据有限的资料外推到全球尺度会产生很大问题,特别是降水数据,其空间分布的变化很大,而草地生产力对降水敏感性更高,因此会对结果造成误差。最后,由于估算模型和参数方案各不相同,未来气候情景数据中不同GCM所模拟的气候因子的空间分布和强度差别也较大,本论文利用可搜集到的所有GCM模拟结果的平均值来研究未来变化趋势,在一定程度上降低了结果的不确定性。7.论文的主要创新之处在于:(1).目前关于草地生产力的观测和模拟都集中在小尺度的均质样地上,缺乏大尺度草地生产力的模拟。本研究结合草地生理生态特征,以4个典型区—中国、北美、欧洲和澳大利亚的草地为研究对象,对比分析了 1981-2010年间,4区草地空间分布特征、草地NPP、碳储量、Rs、Rh和NEP的时空动态,从区域尺度上研究气候变化对草地生产力和碳源/汇功能的影响;(2).利用改进的CSCS、基于湿润度指数K的分段模型和单室模型,首次从全球尺度对长时间序列全球草地面积、NPP和NEP进行模拟,定量评估不同时期的时空动态及未来演变趋势,不仅为全球草地碳循环和碳格局提供了本底资料,对资料难以获取的地区或时间段的全球变化研究具有重要的指导意义,而且可为IPCC第6次评估报告提供数据支持;(3).目前草地退化的监测多集中在样地尺度或均质斑块,不同研究中监测指标不统一,结果可比性较差,而大尺度草地退化遥感监测的研究较少,同时缺乏草地退化驱动力的定量评估。基于此,本文利用多元遥感数据,以NPP和覆盖度作为草地退化监测指标,选取3种NPP—潜在NPP、实际NPP及二者差值人类占用的NPP作为评价指标,构建了定量评估气候变化和人类活动对草地退化驱动的研究方法。这种方法不仅明确了全球草地退化现状,而且确定了不同区域草地退化的主导驱动因素。这对草地生态恢复措施的合理调整和草地资源的可持续利用具有重要意义,并且研究结论一定程度上可为生态恢复工程的绩效评价提供理论参考。8.总结草地生态系统分布广阔,地形和气候条件复杂,使其生产力分布具有较大的空间异质性。根据IPCC的第5次评估报告,过去的30年是近800年中最热的30年,在这段时间内,中国和澳大利亚草地NPP和Rh均上升,但在中国Rh上升速度更快,导致草地NEP下降,而在澳大利亚,草地NPP上升速度较快,因此草地NEP整体上升;欧洲草地NPP下降而Rh上升,导致NEP下降;北美地区草地NPP和Rh均下降共同导致草地NEP整体下降。与其他植被类型相比,草地更易受气候变化影响。过去百年的气候变化已导致全球草地面积整体下降,尤其是中高纬度草地面积持续下降,热带地区草地分布不断扩张。虽然草地NPP整体呈现上升趋势,但大部分草地NPP下降。到本世纪末,草地面积将继续下降,草地NPP将继续上升,而草地也将由碳汇转变为碳源。降水是影响草地生产力的主要因素。草地退化驱动机制的定量评估表明,在全球范围内,气候变化是草地退化的主要驱动因素,而人类活动主导着草地改善。本研究不仅对了解全球变化与陆地生态系统碳循环研究具有重要意义,有利于了解气候变化与人类活动对草地生态系统碳循环的影响及其反馈,而且为国家和政府从科学角度解决生态环境问题提供理论依据和可行性方案,并为IPCC第6次评估报告提供数据支持。