草地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化

草地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化

草地是世界上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。草地植物通過(guò)光合作用吸收空氣中的b2，并固定在土壤和植被中。草地對(duì)緩解氣候變化、防止風(fēng)和沙、保護(hù)水源、保護(hù)土壤、凈化空氣和保護(hù)生物多樣性起到了重要作用。我國(guó)是世界上第二草原大國(guó),草地面積4億hm2,約占我國(guó)國(guó)土面積的41%,主要分布在具有溫帶大陸性干旱氣候特征的北溫帶地區(qū)和海拔較高的青藏高原地區(qū),在暖溫帶、亞熱帶和熱帶地區(qū)草地面積較少,是我國(guó)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),其碳蓄積在空間格局上具有明顯的分異特征,碳循環(huán)也具有獨(dú)特的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程和作用,對(duì)區(qū)域氣候變化的響應(yīng)和全球的碳循環(huán)有著非同尋常的意義。人類活動(dòng)對(duì)草原碳循環(huán)的影響,主要通過(guò)對(duì)溫室氣體排放影響草原的碳氮比,改變草原土壤的物理性質(zhì)來(lái)起作用。研究表明,放牧、農(nóng)墾會(huì)對(duì)草原溫室氣體通量產(chǎn)生影響,但目前對(duì)影響這一變化過(guò)程的主要物理、化學(xué)和生物機(jī)制以及不同影響過(guò)程中的主導(dǎo)因子仍不十分了解。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外碳循環(huán)研究的進(jìn)展,如何將己有的研究成果進(jìn)行歸納,區(qū)分人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)中國(guó)草原碳循環(huán)影響的相對(duì)重要性,也是全球變化領(lǐng)域研究的重要課題。在此基礎(chǔ)上,估算我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量和系統(tǒng)分析碳源匯特征對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)草地植被在全球變化中的生態(tài)價(jià)值和貢獻(xiàn),研究陸地碳循環(huán)機(jī)制和全球碳收支平衡都具有重要意義,這也是目前國(guó)際地圈-生物圈研究計(jì)劃(IGBP)中碳循環(huán)研究的重要組成部分。1氣候變化研究近百年來(lái)的全球氣候變暖已經(jīng)是一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí),并日益深刻地影響著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。氣候變化引起氣象界和政府越來(lái)越多的關(guān)注,各國(guó)學(xué)者從不同角度對(duì)這一問(wèn)題作了研究,獲得了許多有意義的結(jié)果。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的類型之一,在全球氣候變化中具有調(diào)節(jié)大氣CO2濃度、涵養(yǎng)水源、減少大氣粉塵、凈化空氣等特殊的作用。1.1對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響IPCC第3次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出,在過(guò)去的100多年里,大氣中CO2濃度明顯增大,使得過(guò)去140年中全球平均氣溫升高了0.4~0.8℃,達(dá)到了1000年以來(lái)的最高值。由于人類活動(dòng),目前大氣CO2濃度大約以每年2.36~3.54mg/m3速度增加,據(jù)預(yù)測(cè),21世紀(jì)末可能為1200~1300mg/m3,這樣對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡將產(chǎn)生巨大的影響。在草地生態(tài)系統(tǒng)中,綠色植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的CO2,植物枯死后其中一部分凋落物經(jīng)腐殖化作用,形成土壤有機(jī)碳固定在土壤中,這部分有機(jī)碳經(jīng)土壤動(dòng)物和土壤微生物的礦化作用,部分分解產(chǎn)物被植物再次利用,構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部碳的生物循環(huán)。此外,植物光合作用固定的有機(jī)碳還有一部分通過(guò)植物自身的呼吸作用(自養(yǎng)呼吸)、凋落物層的異養(yǎng)呼吸作用以及土壤的呼吸代謝作用將碳重新釋放到大氣中,構(gòu)成了系統(tǒng)與大氣間的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。總的來(lái)說(shuō),草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)類型,對(duì)大氣CO2濃度、全球碳平衡和碳收支具有一定的調(diào)節(jié)作用。Grünzweig和Kōrner的研究表明,CO2濃度增加改變了草本植物原有的生物量,導(dǎo)致物種組分的變化,生態(tài)系統(tǒng)重新裝配。據(jù)南京大學(xué)全球變化研究小組多年的研究,CO2濃度增加對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)及碳平衡具有重大的影響。CO2濃度增加通過(guò)影響生態(tài)層次發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化,引起個(gè)體物種或基因型的生理生化反應(yīng)。CO2濃度增加,加速了光合作用,降低了葉片氣孔導(dǎo)度和羧化酶的濃度,影響到生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡和養(yǎng)分循環(huán)。1.2森林系統(tǒng)的大氣co匯作用碳源,《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)》將碳源定義為向大氣中釋放碳的過(guò)程或活動(dòng)。碳匯,一般是指從空氣中清除二氧化碳的過(guò)程、活動(dòng)和機(jī)制。在20世紀(jì)70年代以前,人們一直認(rèn)為森林作為地球陸地上最大的光合作用系統(tǒng),如同巨大的海綿體,吸收著大氣中的CO2,起著凈化大氣、減緩因人為釋放CO2而導(dǎo)致大氣CO2濃度快速增加的作用。換言之,森林起著大氣CO2匯的作用。然而,這一常識(shí)在20世紀(jì)70年代后期遭到了質(zhì)疑。一些科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),全球森林,尤其是熱帶森林的破壞正導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣凈排放CO2,成為大氣CO2濃度升高的罪魁禍?zhǔn)字?。這一結(jié)果讓科學(xué)界感到震驚,同時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題:如果森林生態(tài)系統(tǒng)不能起到CO2匯的作用,那么這部分的碳匯又該在何處呢?從20世紀(jì)80年代起,尋找陸地碳匯便成為生態(tài)學(xué)、生物地球化學(xué)、氣候變化等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2其他生物化學(xué)循環(huán)陸地生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng),是受人類活動(dòng)影響最強(qiáng)烈的區(qū)域,也是全球碳循環(huán)的重要碳庫(kù)之一。它的動(dòng)態(tài)變化依賴于各種生物化學(xué)循環(huán)之間的相互作用,能建立許多CO2、CH4和N2O的源和匯,因而會(huì)影響全球?qū)θ藶榛顒?dòng)釋放溫室氣體的響應(yīng)。其中,草地生態(tài)系統(tǒng)作為覆蓋范圍廣、生態(tài)作用強(qiáng)、生境類型多的一類生態(tài)系統(tǒng),在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、碳蓄積中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。2.1檢擴(kuò)劑對(duì)陸相碳循環(huán)的影響在過(guò)去的200年中由于化石燃料燃燒、水泥產(chǎn)品和森林的土地利用及其變化,有(405±30)PgC的CO2釋放到大氣中,導(dǎo)致大氣CO2濃度顯著增加。大氣CO2濃度的上升占這些人為釋放CO2的40%,剩下的由海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的凈碳通量是由光合作用吸收量和返回過(guò)程釋放量之間的不平衡決定的,植物、土壤微生物、生物化學(xué)過(guò)程、動(dòng)物和其他自然因素的干擾對(duì)后者有一定的貢獻(xiàn)。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳以植物為軸心,在大氣圈-生物圈-土壤圈中進(jìn)行著往復(fù)循環(huán)。植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的CO2,將碳儲(chǔ)存植物體內(nèi),固定為有機(jī)化合物。其中,一部分有機(jī)物通過(guò)植物自身的呼吸作用(自養(yǎng)呼吸)和土壤及枯枝落葉層中有機(jī)質(zhì)的腐爛(異養(yǎng)呼吸)返回大氣,這樣就形成了大氣-陸地植被-土壤-大氣整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基本過(guò)程。這過(guò)程是在不同時(shí)間和空間尺度上發(fā)生的,包括從瞬時(shí)的總初級(jí)生產(chǎn)量(GPP)反應(yīng)到生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期的碳平衡以及從個(gè)體、生態(tài)系統(tǒng)到景觀或更大尺度上的生物群系。影響不同尺度碳循環(huán)過(guò)程的環(huán)境要素也都各不相同,例如,GPP主要受CO2濃度升高的影響,而凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)要受CO2濃度升高、溫度、降水、氮素供應(yīng)等多個(gè)因子的影響。而且,由于陸地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性,植被、土壤和氣候均存在空間和時(shí)間上的極大差異,各種不同生態(tài)系統(tǒng)類型的反應(yīng)速度、分解速度和碳蓄積能力也存在較大差異,這些都增加了陸地碳循環(huán)研究的不確定性。隨著CO2濃度的不斷升高,陸地生態(tài)系統(tǒng)將是人類活動(dòng)引起的碳排放的一個(gè)潛在碳匯,但不同類型植被對(duì)CO2升高的響應(yīng)機(jī)制也各不相同:對(duì)C3植物來(lái)說(shuō),隨著CO2濃度升高,光合作用和發(fā)育也加快;而對(duì)C4植物來(lái)說(shuō),其光合速率在目前濃度條件下已趨于飽和。因此,陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力將會(huì)由強(qiáng)變?nèi)?。從長(zhǎng)期來(lái)看,所有NPP都將成為死生物量(殘屑)并通過(guò)異養(yǎng)呼吸或自然及人為造成的火災(zāi)等擾動(dòng)返回到大氣碳庫(kù)中。已有一些試驗(yàn)結(jié)果表明,由于營(yíng)養(yǎng)限制,NPP在現(xiàn)有水平上再增長(zhǎng)10%~20%后將有可能趨于穩(wěn)定,相應(yīng)的大氣CO2濃度約為1200mg/m3。而且,由于呼吸作用的滯后響應(yīng),在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,溫度的升高將可能使微生物的異養(yǎng)呼吸增強(qiáng)從而抵消甚至超過(guò)NPP的增量。2.2碳積累的能力草地作為世界上最廣布的植被類型,其碳素行為很活躍,具有相當(dāng)大的碳蓄積能力,這些潛在碳匯在全球碳循環(huán)中具有很大的作用。因此,對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)主要過(guò)程及其影響因素的研究是認(rèn)識(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)的關(guān)鍵之一。2.2.1草地生態(tài)系統(tǒng)碳的來(lái)源在草地生態(tài)系統(tǒng)中,植物、凋落物、土壤腐殖質(zhì)構(gòu)成了系統(tǒng)的三大碳庫(kù)。對(duì)于各碳庫(kù)碳貯量以及碳庫(kù)間碳流量大小及其變化的研究是整個(gè)草地碳循環(huán)研究的核心。關(guān)于碳素循環(huán)的過(guò)程包括:碳的固定、碳的儲(chǔ)存和碳的釋放。綠色植物通過(guò)光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碳,是草地生態(tài)系統(tǒng)碳的主要來(lái)源,這一過(guò)程稱為碳的固定過(guò)程。把固定的碳以各種形式儲(chǔ)存在生態(tài)系統(tǒng)中,稱為碳的儲(chǔ)存。草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的特征明顯區(qū)別于森林等其他陸地生態(tài)系統(tǒng),不具有明顯的地上碳庫(kù),其碳素貯量絕大部分集中在土壤中,在草地生態(tài)系統(tǒng)中,進(jìn)入土壤中的碳主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在。草地生態(tài)系統(tǒng)碳素的釋放包括植物自身的自養(yǎng)呼吸、凋落物層的異養(yǎng)呼吸以及土壤的呼吸代謝,其中草地土壤呼吸是草地生態(tài)系統(tǒng)釋放CO2的重要途徑。全球土壤呼吸作用的碳估計(jì)量為68~100Gt/a,僅次于全球陸地總初級(jí)生產(chǎn)力的估算值100~120Gt/a,而高于凈初級(jí)生產(chǎn)力的量值50~60Gt/a,土壤呼吸作用向大氣釋放的CO2約占全球交換量的25%。2.2.2放牧和開(kāi)放系統(tǒng)對(duì)草地呼吸的影響草地群落中碳的輸入量大小主要取決于群落初級(jí)生產(chǎn)力水平,而初級(jí)生產(chǎn)力主要受草地植物組成、水分、溫度、生長(zhǎng)季長(zhǎng)短等因素的限制,此外,草地利用方式和強(qiáng)度對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力有較大影響。對(duì)于草地群落而言,初級(jí)生產(chǎn)力的形成是碳素向群落內(nèi)輸入的主要途徑。總的來(lái)說(shuō),降水量、溫度、土壤水分等環(huán)境因子和放牧、農(nóng)墾等人類活動(dòng)是影響草地生態(tài)系統(tǒng)植被固碳的主要因素,通過(guò)影響草地群落的種群組成、結(jié)構(gòu)特征及其生理生態(tài)特性等間接對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的植物固碳產(chǎn)生重要影響。放牧和開(kāi)墾對(duì)草地覆蓋狀況、植物生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分流動(dòng)有不同程度的干擾和影響,進(jìn)而對(duì)草地植物固碳產(chǎn)生直接影響。長(zhǎng)期過(guò)度放牧?xí)?dǎo)致植物與群落的初級(jí)生產(chǎn)力顯著降低。因此,確定合理的放牧強(qiáng)度和放牧制度對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)中植物固碳能力的提高具有重要影響。不同土壤類型和同一土壤類型的不同剖面層次,土壤有機(jī)碳也有明顯的差異。溫度、水分、土壤質(zhì)地、植被類型、微生物和動(dòng)物及各因素的相互作用,人類活動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳含量也有較大影響。影響土壤呼吸的環(huán)境因子主要包括氣溫、土壤溫度、土壤水分、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物的數(shù)量和土壤初級(jí)生產(chǎn)力等。放牧和農(nóng)墾對(duì)于草地土壤呼吸作用的影響程度,目前的研究還基本上處在對(duì)觀測(cè)結(jié)果的簡(jiǎn)單數(shù)值分析上。關(guān)于草地碳循環(huán)區(qū)域分異方面的研究,李明峰等利用靜態(tài)暗箱法對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域草甸草原及其開(kāi)墾后的農(nóng)田和休耕地的CO2通量進(jìn)行了野外實(shí)地觀測(cè),從CO2排放量的平均值來(lái)看,農(nóng)田>草甸>休耕地,其中草甸開(kāi)墾為農(nóng)田使CO2的排放增加了81%。自由放牧地、輪牧地、圍欄禁牧地等區(qū)域上,土壤與大氣間原有的CO2氣體通量的源/匯方向沒(méi)有改變,也沒(méi)有改變土壤呼吸的季節(jié)變化形式。對(duì)單個(gè)類型草地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),與草地地上部相比,草地地下生物量在總生物量占有較大比例,土壤有機(jī)碳約占生態(tài)系統(tǒng)碳總量的90%,它的來(lái)源主要是植物殘根,凋落物層的分解也向土壤輸入一部分有機(jī)碳。草原中土壤碳主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在,而且主要集中于0~20cm的表層土壤中。3我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和分布格局草地是我國(guó)陸地最大的生態(tài)系統(tǒng),其面積約為我國(guó)耕地面積的4倍,森林面積的3.6倍。3.1對(duì)中國(guó)草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的估算我國(guó)草地85%以上的有機(jī)碳分布于高寒和溫帶地區(qū),草原和草甸類型草地蓄積了全國(guó)草地有機(jī)碳的2/3。不同的研究報(bào)道的中國(guó)草地生物量碳庫(kù)的大小有著較大的差異[27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37],估算范圍在0.56~4.67PgC(1Pg=1×1015g)。造成估算結(jié)果的差異,可能由草地分類系統(tǒng)、資料來(lái)源和估算方法的不同、地下生物量數(shù)據(jù)缺乏造成根冠比準(zhǔn)確性下降等因素引起。同樣,對(duì)整個(gè)中國(guó)草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的估算結(jié)果相差也較大。Xie等基于第2次全國(guó)土壤普查資料估算的中國(guó)草地土壤碳庫(kù)大小為37.7PgC;Li等通過(guò)CEVSA模型估算的中國(guó)草地土壤碳庫(kù)大小為16.7PgC;而Ni通過(guò)全球土壤數(shù)據(jù)庫(kù)估算的我國(guó)草地土壤碳庫(kù)大小為41.0PgC。分析引起差異的原因,大概由數(shù)據(jù)來(lái)源與估算方法、土壤礫石含量、土壤容重等參數(shù)、估算中使用的草地面積等參數(shù)信息不同引起的。3.2草地單位面積地上生物量的總體分布我國(guó)擁有極為豐富的草地資源,分布自東北平原,越過(guò)大興安嶺,經(jīng)遼闊的內(nèi)蒙古高原,而后經(jīng)鄂爾多斯高原、黃土高原,直達(dá)青藏高原南緣,綿延約4500km,南北跨越23個(gè)緯度。我國(guó)草地單位面積地上生物量總體分布是,東南地區(qū)高,西北地區(qū)低。這可能與水熱條件、土壤以及草地類型的分布有關(guān)。地下總生物量方面,西部地區(qū)高,而東部的地區(qū)低。在南北走向上,呈現(xiàn)出南方地下生物量低而北方高的趨勢(shì),這與占60%以上面積的草地分布在我國(guó)北方干旱地區(qū)和青藏高原有關(guān)。4植被生態(tài)系統(tǒng)模型的建立和完善在當(dāng)今全球變化背景下,我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積和碳循環(huán)過(guò)程以及源匯特征的研究還處于起步階段,大量的研究主要集中在草原初級(jí)生產(chǎn)力、生物量動(dòng)態(tài)、土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)等方面,對(duì)于碳元素固定、蓄積和釋放的各個(gè)環(huán)節(jié)缺乏整個(gè)系統(tǒng)的綜合研究。4.1存在的問(wèn)題由于起步較晚,前期科研力量不足,國(guó)家針對(duì)性政策出臺(tái)較晚,與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較為明顯。我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積、碳循環(huán)及源匯關(guān)系研究開(kāi)展過(guò)程尚存在以下問(wèn)題。4.1.1試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的局限性及模型模擬的不確定性如觀測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)在特定環(huán)境中,加之植被類型和地域的不同,不能代表區(qū)域的普遍性;試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)僅局限于碳循環(huán)的部分過(guò)程,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)整體的響應(yīng)很難基于簡(jiǎn)單的試驗(yàn)完成;另外,缺乏長(zhǎng)期的定位觀測(cè)數(shù)據(jù)。目前,在利用模型模擬碳循環(huán)、碳蓄積及源匯關(guān)系時(shí),大多數(shù)研究是通過(guò)對(duì)影響過(guò)程簡(jiǎn)單地設(shè)定參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于植物的年齡結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)情況也往往看作是靜態(tài)的,這都將極大的影響了模型模擬的準(zhǔn)確性。此外,在森林、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)中相對(duì)成熟的模型較多,而在草地中吻合度高的模型還有待出臺(tái)。4.1.2國(guó)家層面開(kāi)展的普查較少在森林資源普查上,國(guó)家層面已經(jīng)開(kāi)展了6次。在土壤清查資料和土壤數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方面,1978年以來(lái)我國(guó)開(kāi)展了第2次土壤普查,加強(qiáng)了土壤分類、成分的研究。我國(guó)從1979年開(kāi)始分3個(gè)階段開(kāi)展了全國(guó)草地資源的統(tǒng)一調(diào)查,調(diào)查范圍覆蓋了全國(guó)2000多個(gè)縣。這次全國(guó)范圍的調(diào)查為進(jìn)一步開(kāi)展我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)的研究提供了良好的基礎(chǔ),但由于土地利用和草地退化等原因造成的地上覆被改變,舊的普查資料亟需更新,第2次全國(guó)范圍的草地調(diào)查迫切等待開(kāi)展。4.1.3影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用因素考慮的不足EUROFLUX計(jì)劃在1996-1998年對(duì)歐洲14類森林的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用(植物呼吸+土壤呼吸)在系統(tǒng)的碳平衡中起著支配作用。目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用的估算公式僅考慮了環(huán)境因子(如溫度、濕度或?qū)嶋H蒸散等)的影響作用,對(duì)于草地植物或草食動(dòng)物本身生物