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森林生态系统作为地球陆地上最大的生态系统,是陆地碳汇的重要组成部分,同时也是土地利用变化及森林(LULUCF)中受到热切关注的碳汇管理措施的对象。如何更加有效理解气候变化、大气氮沉降和人为活动对森林生态系统碳氮水循环的影响,是目前全球变化研究领域的前沿议题之一。
1980年代以来,中国南方地区的植树造林对对于中国陆地生态系统新增碳汇能力具有重要作用。鄱阳湖流域是一个相对独立的水系,位于江西境内面积约占总流域面积96.85%。植树造林不仅对于鄱阳湖流域水土保持发挥了重要作用,而且使得区内国土面积森林覆盖率达到60%以上并固定了大量大气CO2,对于改善生态环境和减缓温室效应发挥了巨大的贡献。因此详细分析该流域森林生态系统对土地利用变化(LUC)、气候变化及氮沉降的响应模式对深入理解该流域亚热带森林碳氮水循环过程和碳收支时空格局具有重要意义,同时也有助于阐明中国影响南方森林生态系统固碳能力的主要环境影响因子,为准确估算中国南方森林的碳汇潜力提供有价值的数据和参考,也为中国在气候变化国际谈判中提供科学支撑。
本研究使用经过改进和校正的PnET-CN模型,综合利用气象数据、DEM、通量数据、植被类型分布数据以及长时间尺度大气CO2浓度和氮沉降变化数据,设置四种模拟情景,对1980~2008年鄱阳湖流域森林生态系统碳氮水循环时空格局及环境影响因子进行了全面分析,主要结论如下:
1.校正后的PnET-CN模型无论在变异性还是数量上均可比较准确的模拟亚热带针叶林生态系统,同时其模拟结果在年际尺度上较月尺度更加准确可信;月尺度上PnET-CN模型模拟亚热带阔叶林生态系统生产力变异性时具有较好的预测能力,但对亚热带阔叶林生态系统净生态系统生产力(NEP)具有低估的倾向。
2.1980~2008年,综合考虑长时间尺度上土地利用变化、大气CO2浓度和氮沉降变化的情景下,鄱阳湖流域森林生态系统共固碳948.1TgC,年均31.6TgCyr-1。植树造林对碳汇量的增加最为显著,其次为大气CO2浓度的增加,年均增加3.8TgCyr-1;除去1997和2002年,氮沉降在29年间共增加碳汇约31.0TgC,年均为1.1TgCyr-1。除去土地利用变化,影响碳汇长期变异趋势的主要环境因子是温度、降水和PAR。
3.1980~2008年,综合考虑长时间尺度上土地利用变化、大气CO2浓度和氮沉降变化的情景下,鄱阳湖流域森林生态系统年均NEP为353.2gCm-2yr-1,CO2浓度增加使得NEP年均增加37.9gCm-2yr-1,氮沉降则使年均NEP增加10.6gCm-2yr-1。降水是时间序列上限制鄱阳湖流域森林生态系统NEP增加的最重要环境因子,而温度是限制NEP空间分布的主要环境因子。
4.1980~2008年,综合考虑长时间尺度上土地利用变化、大气CO2浓度和氮沉降变化的情景下,鄱阳湖流域森林生态系统氮净矿化速率年均值为10.3gNm-2yr-1,净硝化速率年均值为10.4gNm-2yr-1,氮淋溶速率年均为0.9gNm-2yr-1。氮沉降情景下,氮净矿化速率成降低趋势,而同期净硝化速率和淋溶速率呈上升趋势。时间序列上,温度和降水是影响鄱阳湖流域森林生态系统氮净矿化速率的主要环境因子,其中温度升高会降低氮净矿化速率,而降水增多会提高净矿化速率。氮净矿化速率空间分布主要受到温度分布的影响。
5.1980~2008年,不同情景下森林生态系统蒸散(ET)变化不大。综合考虑长时间尺度上土地利用变化、大气CO2浓度和氮沉降变化的情景下,ET最大值为1255.0mm,最小值为750.0mm,年均值为991.6mm。同期年均降水量为1710.0mm,ET/Prec比值为58.0%。降水是控制鄱阳湖流域森林生态系统ET时间序列变异的主要环境因子。降水和温度是决定鄱阳湖流域森林生态系统空间分布的主要环境因子,但二者作用相反,降水增加促进了蒸散,而温度升高则限制了蒸散。