全 文 ：兴安落叶松林碳平衡和全球变化影响研究*
蒋延玲* * 周广胜 (中国科学院植物研究所植被数量生态学开放研究实验室,北京 100093)
=摘要> 利用 CENTURY模型模拟兴安落叶松林的C循环并探讨全球变化对其 C循环的影响. 结果表明,兴安
落叶松林是一个 C汇, 年净吸收 C 2. 65t# hm- 2 .气候变化和大气 CO2 浓度增加将对北方森林的生长有利, 使其
净吸收 C的能力增强. 温度上升 2 e 时,兴安落叶松林的植物总生物量和生产力均增加, 而土壤 C含量降低. 降
水减少 20%比降水增加 20%时其植物总生物量、生产力和土壤 C含量变化的幅度大,说明温度是大兴安岭地
区森林生长的主要限制因子.
关键词 兴安落叶松林 C循环 全球变化
文章编号 1001- 9332(2001) 04- 0481- 04 中图分类号 P595, S718. 5 文献标识码 A
Carbon equilibr ium in La rix gmelinii for est and impact of global change on it. JIANG Yanling, ZHOU Guangsheng
( Labora tory of Quantita tive Vegetation Ecology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093) .
2Chin. J . Appl . Ecol . , 2001, 12( 4) : 481~ 484.
In order to provide a methodological demonstration for the study of C cycle in forest, the CENTURY model was ap2
plied to simulate the C cycle in Lar ix gmelinii forest and to approach the impact of global change on it . T he results
showed that the Lar ix gmelinii forest served as a C sink, with an annual net absorption of 2. 65t# hm- 2 . Cimate
change and increased atmospheric CO2 concentr at ion benefited for the net primary production ( CNPP) and net C ab2
sorpt ion capacit y of forests in North China. When the atmospheric t emperatur e was increased by 2e , the gross
biomass and NPP of Lar ix gmelinii forest increased, while soil C content decr eased, and the variation of these three
indices was bigger when the precipitation was decreased by 20% than increased by 20% , indicating that the limiting
factor for the forest growth in this area is atmospher ic temperature, while pr ecipitation is abundant or even too much.
Key words Lar ix gmelinii forest, Carbon cycle, Global change.
* 国家重点基础研究发展规划项目( G1999043407)、中国科学院知识
创新工程项目( KSCX221207)和国家自然科学基金重点项目( 39370110和
49835001)及国家自然科学基金资助项目( 49905005, 30070642) .
* * 通讯联系人.
2000- 12- 01收稿, 2001- 02- 13接受.
1 引 言
因地球大气中 CO2 等温室气体浓度的剧增而导
致的全球气候变化以及由此产生的一系列生态环境问
题已成为生态系统研究的焦点. 而森林作为陆地生态
系统的主体,在全球环境变化中起着举足轻重的作用.
无论从其面积、生物量, 还是 C储量上来看,森林都是
地球生物圈的重要组成成分, 是陆地生态系统的主体,
在整个陆地生态系统的结构和功能中居于重要地
位[1, 2, 4, 6, 7, 21] .
兴安落叶松林是我国东北寒温带针叶林区北段的
地带性植被,也是世界环球北方森林即所谓泰加林的
一部分,历来为森林生态系统研究的重点.我国有兴安
落叶松林约 15. 6 @106hm2,每年可提供价值约 417 @
109美元的生态系统公益[15] .同时, 兴安落叶松林地区
也是我国对全球变化反应最为剧烈的地区. 据张新时
等[19, 20]预测, 在气温增加 2 e 或 4 e , 年降水量增加
20%的情况下, 兴安落叶松林将有可能全部北移出境.
因而兴安落叶松林又将成为人们研究全球变化的一个
重点地区.
目前世界上应用于森林生长动态模拟的模型主要
有两类.一类是以单木为基础,反映森林生长和演替动
态的 Gap 模型, 如 NEWCOPE、ZELIG、KOPIDE
等[17, 18] .另一类是模拟生态系统生物地球化学循环的
生物地球化学循环模型, 如 BIOME2BGC 模型[13]、
TEM模型[8]和 CENTURY 模型[10~ 12]等, 主要用于
模拟植被、枯枝落叶和土壤有机质各库之间以及库内
部的 C和养分循环.在这 3个生物地球化学循环模型
中,只有 CENTURY 模型考虑了植物的生理生态过
程,能够模拟全球变化对森林生态系统的影响[5, 9, 14] .
本文以 CENTURY模型为研究工具,以兴安落叶松林
为研究对象,试图通过模拟研究来揭示大兴安岭地区兴
安落叶松林的C平衡,预测全球变化对该森林C循环的
影响,并为森林 C循环的模拟研究提供一个方法范例.
2 研究区域与研究方法
211 研究区概况
兴安落叶松林主要分布于我国大、小兴安岭地区 ( 43b~ 53b
应 用 生 态 学 报 2001 年 8 月 第 12 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug. 2001, 12( 4)B481~ 484
7cN, 118b~ 132b5cE) . 该地区属于寒温带季风气候区, 冬季 (候
平均气温< 10e )长达 9 个月, 夏季(候平均气温 \ 22e )最长
不超过 1 个月, 绝大部分地区几乎无夏. 年均气温 - 4. 7 ~
514 e ,无霜期长达 90~ 180d, 年均降雨量 300~ 600mm. 日温
持续 \ 10e 的时期(生长季)自 5 月上旬开始, 到 8 月末结束,
长 70~ 100d. 土壤为漂灰土, 土层较浅薄,一般厚 20~ 40cm. 这
一地区分布最广、面积最大的植被类型是杜鹃2兴安落叶松林.
其乔木层多为兴安落叶松纯林, 少数混生有白桦和樟子松, 郁
闭度 0. 4~ 0. 9;灌木层主要由兴安杜鹃组成, 盖度可达 50% 以
上[ 3, 16, 22] .
212 研究方法
在模型验证的基础上, 利用 CENTURY 模型探讨了兴安
落叶松林的 C源/汇问题, 并根据全球变化的情景预测,模拟了
图 1 兴安落叶松林 C循环模拟技术路线图
Fig. 1 Flow chart for simulat ing Larix gmel ini i forest carbon cycle.
CO2 浓度倍增和气候变化 (温度升高 2e , 降水分别增加 20%
和减少 20% )情景下兴安落叶松林的土壤 C含量、植物总生物
量、生产力以及 C源/汇的变化情况(图 1) .
CENTURY 模型是用于模拟植被2土壤系统的 C、N、P、S
的长期动态的一种生物地球化学模型, 最初是从草原生态系统
发展起来的,现已广泛应用于农田、森林、Savanna 等生态系统
生物量和生产力动态的模拟.运行模型所需的主要输入参数包
括: 1)月平均最高、最低气温, 2)月降雨量, 3)植物的木质素含
量, 4)植物的 N、P、S 含量, 5)土壤质地, 6)大气和土壤中的 N
素输入, 7)土壤的初始 C、N、P、S水平等.输出变量包括植物的
生物量、生产力、土壤有机质含量、土壤水分等[ 11] .
3 结果与分析
311 模型验证
为了验证 CENTURY 模型在北方森林生态系统
碳循环模拟上的适用性, 首先将基本参数输入模型,将
模型从裸地开始运行 500a,令其土壤有机质达到稳定
(成熟林阶段) , 然后比较模型的输出变量(生物量、土
壤 C含量)与实际观测值来验证此模型.
验证结果表明, 运用 CENTURY模型来模拟的兴
安落叶松林生态系统植物体各器官的生物量值均与实
际观测值符合得较好, 相对误差均< 0. 11(表 1、图
2a) , 其土壤 C含量的模拟值( 5539. 7g#m - 2)也在该生
态系统实际观测的土壤 C含量 ( 5382. 4~ 9419. 2g#
m- 2)变化范围内 (图 2b) . 上述验证结果证明, CEN2
TURY 模型能够准确地模拟兴安落叶松林生态系统
的C循环过程,因而可利用该模型来模拟兴安落叶松
林的 C循环以及全球变化的影响.
表 1 CENTURY模型验证结果
Table 1 Test r esult of CENTURY model
项目
Item
粗根
Coarse
root
细根
Fin e
root
细枝
Fine
branch
粗枝干
Large
wood
叶
Leaf
合计
Total
模拟值 2605. 88 49. 06 490. 09 8003. 94 97. 72 11246. 69
Simulation
观测值 2605. 05 48. 15 489. 15 7980. 30 88. 20 11210. 85
Observat ion
相对误差 0. 0003 0. 0188 0. 0019 0. 0030 0. 1079 0. 0032
Relat ive error
图 2 CENTURY 模型输出变量与实测值比较
Fig. 2 Comparison of CENTURY model output variable and the observa2
t ions.
1)合计 T otal, 2)粗根 Coarse root , 3)细根 Fine root , 4)细枝 Fine branch ,
5)粗枝干 Large wood, 6)叶 Leaves.
312 兴安落叶松林 C源/汇模拟
由于人类活动的影响,导致大气中 CO2 浓度的迅
速增加,已由工业革命前( 1750~ 1800 年)的 285ppm
增加到了 1991年的 355ppm.而且 CO2 浓度的增长速
度也一直在增加, 年增加率已由 20 世纪 60 年代的
018ppm# a- 1增加到了 80 年代的 1. 5ppm# a- 1 (约合
31. 8@108t C#a- 1) .按照此速率, 到2050年, 大气 CO2
482 应 用 生 态 学 报 12卷
浓度将达到现在的 2倍,即 710ppm左右. CO2 排放的
剧增将引起全球性的气候变化, 并将由此带来一系列
问题. 这已成为全人类共同关注的一个热点. 根据
GCTE综合的结果, 在全球范围内,从大气吸收C的速
率将很难保持现有水平, 陆地生物圈将很可能最终成
为一个 C源. 世界各国在致力于减少工业 CO2 排放的
同时, 也开始考虑陆地生态系统如何减缓大气 CO2 浓
度的增加. 由于森林巨大的 C储量及其在全球 C循环
中的重要地位, 弄清森林是 C的源或汇对于全球 C预
测具有重要意义.而森林在调节大气 CO2 浓度中究竟
是 C的源( source)还是汇( sink) ? 目前对这一问题的
研究尚无定论.
CENTURY模型模拟结果表明,兴安落叶松林生
态系统每年通过植物的光合作用可从大气中吸收 C
4. 03t#hm- 2 (其中已减去植物呼吸作用所释放的部
分) , 而每年通过土壤呼吸及凋落物的分解过程可向大
气中释放 C 1. 38t#hm- 2.因此,兴安落叶松林生态系
统每年可净吸收 C 2. 65t#hm- 2,是一个重要的 C汇.
313 大气 CO2 浓度倍增和气候变化对兴安落叶松林
的影响
31311大气 CO2 浓度倍增对兴安落叶松林 C源/汇的
影响 大气 CO2 浓度倍增将使兴安落叶松林的生产
力增加 9. 8% .考虑土壤呼吸和凋落物分解的 C排放,
兴安落叶松林仍是一个 C汇, 且年净吸收 C 2. 69t#
hm- 2,比当前水平( 2. 65t#hm- 2)增加了 1. 5% .
31312气候变化对兴安落叶松林生态系统的影响 由
图3 可见, 在温度上升 2 e 的情况下, 无论降水增加
20%还是减少 20% ,兴安落叶松林的土壤 C含量均下
降,而其植物总生物量和净初级生产力均增加.该生态
系统仍是 C汇,且净吸收 C能力增加. 到 2050年( 50a
后) , 兴安落叶松林生态系统的各项指标与气候不变情
况下相比,当温度上升 2 e 时,降水增加 20%和降水减
少 20%情况下,兴安落叶松林土壤 C含量分别降低了
4. 4%和 3. 2% , 植物总生物量分别增加了 0. 6%和
1. 4% ,净初级生产力分别增加 8. 3%和 10% ,净吸收
C能力分别增加了 9. 5%和 11. 4% .
图 3 气候变化对兴安落叶松林的影响
Fig. 3 Impact of climate change on Larix gmel ini i forest.
Ñ1t , p, Ò1 t+ 2, p- 20% , Ó1 t+ 2, p+ 20% .
4 结 论
411 模型验证结果表明, CENTURY 模型能够准确
地模拟兴安落叶松林的 C循环.
412 兴安落叶松林是一个 C汇, 每年净吸收 C 2. 65t
#hm- 2. 全球变化(CO2 浓度倍增, 气温升高)后,兴安
落叶松林仍是一个 C汇,净吸收 C能力均有所增加.
413 温度上升 2 e 后, 无论降水增加 20%还是减少
20% ,兴安落叶松林的土壤 C 含量均下降. 50a 后
( 2050年) , 降水增加 20% 和减少 20%分别使土壤 C
含量比温度、降水不变情况下降低 4. 4%和 3. 2% .
414 温度上升 2 e 后,兴安落叶松林的植物总生物量
增加. 50年后,降水增加 20%和减少 20%情况下的植
物总生物量分别比气候不变情况下的总生物量水平增
加 0. 6%和 1. 4%.
415 温度上升 2 e 后,兴安落叶松林的净初级生产力
增加. 50年后,降水增加 20%和减少 20%情况下的森
林净初级生产力分别比气候不变情况下的生产力水平
增加 8. 3%和 10%.
416 温度上升 2 e 情况下, 降水减少 20%比降水增加
20%时兴安落叶松林植物总生物量和生产力增加的幅
度大,说明温度是兴安落叶松林生长的主要限制因子,
4834 期 蒋延玲等:兴安落叶松林碳平衡和全球变化影响研究
而水分对森林生长来说是充足的, 甚至是过多的.
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作者简介 蒋延玲,女, 1973 年生, 博士研究生, 主要从事森林
生产力生理生态学模型研究, 发表文章 11 篇. E2mail: yljiang@
ns. ibcas. ac. cn or yljiangli@chinar en. com
484 应 用 生 态 学 报 12卷