长江源区沼泽与高寒草甸生态系统变化及其碳平衡对全球气候变化的响应

论文摘要

青藏高原作为全球气候变化响应的敏感区和生态系统脆弱区,极易受到人类活动的干扰和全球气候变暖的影响。随着全球气候变暖和人类活动的加剧,目前青藏高原高寒生态系统,尤其是草地生态系统,正遭受着前所未有的退化、鼠害、人为破坏和近地表气温升高等一系列影响生态系统平衡等因素的干扰。作为国家自然基金重大研究计划项目“长江黄河源区高寒生态系统对全球气候变化的响应及其水文效应”研究的重要组成部分,在青藏高原风火山地区,选择具有典型性和代表性的沼泽草甸和高寒草甸两类高寒生态系统作为重点研究对象。论文重点对以下5个方面进行了详细的调查和研究:①研究区域的植被状况、不同状况下的生物量、土壤类型和气候状况等;②高寒生态系统退化对土壤理化性质和生态系统碳通量的影响;③气温升高对近地表CO2浓度的影响及其与环境因子之间的耦合关系;④高寒生态系统净CO2交换通量对气温升高的响应及其与环境因子之间的耦合关系;⑤气温升高对高寒生态系统碳平衡的影响。（一）、研究退化对高寒生态系统的影响,结果发现:1.不同退化程度沼泽草甸与高寒草甸下垫面土壤性质具有显著差异（方差分析,F＞7.47,P＜0.05）。未退化土壤有机质、铵氮和硝态氮氮含量均比中度退化和严重退化的大,随着退化程度的加剧,土壤养分流失严重。沼泽草甸和高寒草甸不同退化程度之间生物量也存在显著差异（方差分析,F＞4.63,P＜0.05）。在整个生长期内,其地上、地下生物量均表现为不断增加的趋势;但在同一生态系统不同退化程度之间,随着退化程度的加剧,其生物量又呈下降趋势。2.退化对高寒生态系统CO2和CH4通量影响显著。对于沼泽草甸,未退化CO2排放通量分别是中度退化和严重退化的1.08—1.69倍和1.41—4.43倍;CH4排放通量分别是中度退化和严重退化的1.09—3.5倍和2.5—11.27倍。退化越严重,CH4和CO2排放强度越低。对于高寒草甸,严重退化相对于未退化和中度退化表现出较高的CO2排放和较强的甲烷吸收。CO2排放通量分别是未退化和中度退化的1.05—78.5倍和1.04—6.28倍,对CH4的吸收通量分别是未退化和中度退化的6.6—21倍和1.1—5.25倍。退化越严重,CO2排放强度越大,甲烷吸收越强。3.气温、土壤含水量和土壤温度是调控沼泽草甸和高寒草甸生态系统碳通量的主要环境因子。（二）、研究气温升高对高寒生态系统近地表CO2的影响,结果表明:对于沼泽草甸生态系统:1.近地表气温升高3—5℃和1—2℃的情况下,5cm土壤温度分别比自然状态下高出3.67℃和1.65℃;而5cm土壤水分比自然状态下分别降低2.1%和7.9%。同时,近地表气温越高,冻土的初期融化速度越快。2.整个观测期间,气温升高3—5℃和1—2℃的样点区近地表CO2浓度平均比自然状态下分别提高29.3ppm和9.8ppm。3.空气温度、5cm土壤温度和水分含量是影响近地表CO2浓度变化的主要环境因子。敏感性分析表明,CO2浓度变化对5cm土壤温度和水分含量最为敏感。对于高寒草甸生态系统:1.近地表气温平均升高4.76℃和2.00℃的情况下,5cm土壤温度平均比自然状态下分别提高2.44℃和1.36℃;而5cm土壤水分平均分别下降6.97%和2.68%。2.整个观测期间,气温平均升高4.76℃和2.00℃的样点区近地表CO2浓度平均比自然状态下分别提高34.78ppm和21.89ppm。3.空气温度、5cm土壤温度和含水量是影响高寒草甸近地表CO2浓度的主要环境因子。敏感性分析表明,5cm土壤温度是CO2浓度变化最敏感因子。（三）、研究气温升高对高寒生态系统NEE及其碳平衡的影响,结果表明:对于沼泽草甸生态系统:1.近地表气温升高对沼泽草甸净生态系统CO2交换通量的影响显著。在植被生长季节,随着增温梯度的提高,生态系统净碳交换通量也逐渐增大。2.在实施增温措施的样点区,沼泽草甸生态系统每月的日平均净CO2交换通量变化均呈单峰型曲线,碳交换通量在7月底至8月初达到最低值。6月初至8月中旬,增温梯度在3-5℃的样点区和自然状态样点区沼泽草甸均表现为CO2吸收特征;而增温梯度在1-2℃的样点区在整个生长期均表现为CO2排放特征。3.在不同增温梯度处理样点和自然状态样点区,沼泽草甸净CO2交换通量均与5cm地温显著相关,相关系数均大于0.58。4.风火山地区沼泽草甸生态系统是土壤碳汇。在气温升高梯度分别为3-5℃、1-2℃和自然状态样点区,沼泽草甸的年固碳率分别达到5044.77±4.02g·m-2·a-1、3242.4±1.70g·m-2·a-1和1836.6±4.02g·m-2·a-1。近地表气温升高提高了生态系统的净初级生产力,对沼泽草甸生态系统碳平衡起到正反馈作用;而且近地表气温越高,碳汇效应越强。对于高寒草甸生态系统:1.近地表气温升高对高寒草甸净生态系统CO2交换通量也产生显著影响。在植被生长季节,随着增温梯度的提高,生态系统净碳交换通量也逐渐增大。2.在实施增温措施的样点区,高寒草甸生态系统净CO2交换通量变化曲线的斜率随着增温梯度的提高而增大,说明近地表气温越高,生态系统呼吸强度也越大,高寒草甸土壤碳库中碳流失速度加快。3.在不同增温梯度处理样点和自然状态样点区,高寒草甸净CO2交换通量也均与5cm地温显著相关,相关系数均大于0.53。4.风火山地区高寒草甸生态系统是土壤碳弱汇。在气温升高梯度分别为3-5℃、1-2℃和自然状态样点区,其年固碳率分别达到898.67±2.38g·m-2·a-1、765.24±2.21g·m-2·a-1和543.80±1.99g·m-2·a-1。气温升高有助于提高生态系统的净初级生产力,使碳汇效应略有增强,对高寒草甸生态系统碳平衡起到正反馈作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状与进展及未来主要发展趋势
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.2.3 碳通量的测定方法与技术
• 1.2.4 未来主要发展趋势
• 1.3 论文研究的问题、主要内容及其特色和创新点
• 1.3.1 论文研究的问题
• 1.3.2 论文研究的主要内容和方法
• 1.3.3 论文特色及创新点
• 1.4 论文主要内容和结构
• 第二章 研究区域概况及试验研究思路和方法
• 2.1 研究区域概况
• 2.1.1 地质、地貌
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 植被
• 2.1.4 土壤
• 2.2 课题来源、研究思路与方法
• 2.2.1 课题来源
• 2.2.2 主要研究思路和方法
• 2.3 有关碳平衡的概念及其影响因素
• 2.3.1 碳通量
• 2.3.2 影响陆地表面碳通量的因素
• 2.4 试验设计与观测
• 2.5 数据处理及分析
• 第三章 青藏高原高寒草地退化对土壤碳通量的影响
• 3.1 概述
• 3.2 不同退化程度草地样点的选取
• 3.3 气体样品的采集、测定与通量计算
• 3.3.1 方法介绍
• 3.3.2 样品采集
• 3.3.3 通量计算
• 3.4 退化对沼泽草甸碳通量的影响
• 3.5 退化对高寒草甸碳通量的影响
• 3.6 影响碳通量的因素分析
• 3.6.1 温度
• 3.6.2 土壤含水量
• 3.6.3 土壤理化性质
• 3.6.4 气温
• 3.6.5 植被类型及生物量
• 小结
• 2浓度的影响'>第四章 气温升高对青藏高原高寒草地近地表CO₂浓度的影响
• 4.1 概述
• 4.2 试验设计思想
• 4.3 温室构造与数据采集
• 4.3.1 温室的搭建
• 4.3.2 数据采集
• 4.3.3 统计分析方法
• 2浓度的影响'>4.4 气温升高对沼泽草甸近地表CO₂浓度的影响
• 4.4.1 环境因子的变化
• 2浓度的变化'>4.4.2 气温升高不同幅度条件下CO₂浓度的变化
• 2浓度对环境因子变化的敏感性'>4.4.3 CO₂浓度对环境因子变化的敏感性
• 4.4.4 讨论
• 4.4.5 结论
• 2浓度的影响'>4.5 气温升高对高寒草甸近地表CO₂浓度的影响
• 4.5.1 环境因子的变化
• 2浓度的变化'>4.5.2 气温升高不同幅度条件下CO₂浓度的变化
• 2浓度对环境因子变化的敏感性'>4.5.3 CO₂浓度对环境因子变化的敏感性
• 4.5.4 讨论
• 4.5.5 结论
• 第五章 气温升高对青藏高原高寒草地生态系统净碳交换（NEE）及碳平衡的影响
• 5.1 概述
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 升高气温的方法与措施
• 5.2.2 环境因子变化观测
• 5.2.3 气体样品的采集、测定与通量计算
• 5.2.4 统计分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 气温升高对沼泽草甸NEE的影响
• 5.3.2 气温升高对高寒草甸NEE的影响
• 5.4 结论
• 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 有关问题的讨论
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士期间参加的科研项目和发表的学术论文
• 致谢