1982-2013年欧亚大陆草原地上净初级生产力的空间格局和动态变化研究

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草地是地球上广泛分布的生态系统之一,约占陆地表面的20%,年均碳汇值约为0.5PgC,约占全球陆地生态系统当前碳汇量的18%,在调节温室气体浓度变化的过程中具有重要的作用。地上净初级生产力(Aboveground net primary productivity, ANPP)是表征生态系统碳/源汇功能的重要基础通量之一,其动态变化代表了生态系统对气候变化的响应。欧亚大陆草原(The Eurasiansteppe region,EASR)是世界上面积最大、连续分布的草原,且同时受到季风气候、温带大陆性气候和地中海气候的共同影响,是全球变化的敏感区域。但是,目前的研究尚未以EASR整个区域为分析对象,关于EASR的ANPP空间分布规律,整个区域的ANPP总量(Total abovegroundnet primary productivity,TANPP)在全球草地生态系统中所占的比例,及其对气候变化的响应还属于一个知识空白领域。  本研究将ANPP的地面调查数据和美国国家航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration,NA SA)全球监测与模型研究组(Global inventory monitoring and modeling studies,GIMMS)发布的长时间序列的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据相结合,综合考虑研究区域的空间异质性、NDVI的合成时相等因素,分别在总体统一模式下和分区综合模式下构建了ANPP的估算模型。通过模型精度的比较,运用EASR的区域ANPP最优估算模型(Integrated ANPPNDVI Model)估算了EASR及其3个亚区:黑海—哈萨克斯坦草原亚区(The Black Sea-Kazakhstan steppe subregion,BKSSR)、蒙古高原草原亚区(The MongolianPlateau steppe subregion,MPSSR)和青藏高原高寒草原亚区(The Tibetan Plateau alpine steppesubregion,TPSSR)的ANPP和TANPP(ANPP区域总量)在1982-2013年期间的大小,分析了其空间格局、动态变化规律和对气候变化的响应。主要的结果如下:  (1)NDVI能够较好地表征EASR的ANPP时空变异特征,且在分区综合模式下构建的ANPP估算模型较在总体统一模式下构建的模型精度高。表征ANPP变化的最优NDVI合成时相会因区域的环境差异而有所不同,因此,在运用NDVI数据反演ANPP时,应该根据区域的气候和植被等条件选择相应的NDVI合成时相。根据本研究的结论,对于半湿润区域、半干旱区域和荒漠植被,我们建议分别选用生长季早—中期的平均NDVI、生长季中—后期的平均NDVI和年NDVI最大值。  (2) EASR的区域平均ANPP为43.78±22.77g C m-2yr-1,低于全球草地生态系统的平均值,也低于北美洲和南美洲等世界上主要草地生态系统的平均水平。从EASR的3个亚区之间ANPP的差异特征来看,BKSSR的区域平均ANPP最小,值为37.70±16.60 g C m-2yr-1; MPSSR的区域平均ANPP最大,值为52.86±24.78 g C m-2yr-1; TPSSR区域平均ANPP的大小介于BKSSR和MPSSR两个亚区之间,值为46.98±28.94 g C m-2yr-1。  (3) EASR的ANPP呈现出明显的空间分布规律。BKSSR和MPSSR的ANPP都是自亚区中心向边缘区域逐渐升高,TPSSR的ANPP则表现为自西北——东南方向逐渐增大的空间分异规律。从EASR整体来看,ANPP的空间变异主要受到年总降水(MAP)的影响,ANPP与MAP的空间变异呈线性正相关关系。BKSSR和MPSSR的ANPP空间变异影响因素与整个EASR相一致。TPSSR的ANPP空间变异影响因素则与整个EASR不同,主要受到年总辐射(MAR)的影响,与MAR呈负相关关系。  (4) EASR的TANPP为378.97 Tg Cyr-1,占到全球草地生态系统TANPP的8.18%-36.03%。EASR的TANPP高于北美洲、南美洲、非洲、澳洲和新西兰等世界上其他主要草地生态系统的TANPP。对于BKSSR、MPSSR和TPSSR3个亚区,BKSSR的TANPP最大,值为173.08Tg Cyr-1。MPSSR和TPSSR的TANPP分别为133.31Tg Cyr-1和72.58 Tg Cyr-1。  (5) EASR的TANPP在1982-2013年期间内呈波动式增加趋势,增加速率低于全球草地生态系统的平均水平。与世界其他主要草地生态系统相比,EASR的TANPP增加速率高于同期北美洲和南美洲草地生态系统,而低于非洲草地生态系统。1995年和2007年是TANPP随时间动态变化趋势发生显著变化的两个拐点年份。EASR的TANPP在1982-1995年和2008-2013年期间呈增加的变化趋势,在1996-2007年期间则显著减小。这主要是因为在1996-2007年期间MPSSR和TPSSR的TANPP显著减小,显著不同于前后两个时期显著增加的变化趋势造成的。  (6)从EA SR整体来看,ANPP的年际变异主要受到降水的影响,重要降水时期(CriticalPrecipitation Period,CPP)为1-8月份。对于3个亚区来说,BKSSR和MPSSR的ANPP年际变异的气候影响因素与EASR整体类似,都是受到降水的影响,但是CPP有差异:分别为1-9月和5-7月。在TPSSR,ANPP年际变异则是主要受到温度的影响,重要温度时期(CriticalTemperature Period,CTP)为6-7月。EASR的TANPP在1995-2007年期间显著降低,主要是因为在该时期MPSSR的5-7月累积降水量明显减少和TPSSR的6-7月平均温度显著降低引起的。  (7) EASR的ANPP对气候变化的响应机制为:夏季北极涛动、春末夏初的北大西洋涛动和中国南海夏季风分别通过调控BKSSR的1-9月的降水、MPSSR的5-7月的降水和TPSSR的6-7月的温度来影响各个亚区ANPP的年际变异。另外,强的ENSO事件通过直接影响降水或者通过调控中国南海夏季风的强度进一步影响温度,进而影响各个亚区ANPP的年际变异。
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