气候变化和放牧对中亚草地生态系统碳源/汇的影响研究

Significant climate changes in recent decades have profoundly affected ecosystem carbon cycles of the arid and semi-arid grassland in Central Asia. In addition, as the most common land use pattern for Central Asia, the influence of grazing on grassland ecosystem cannot be ignored. However, due to the lack of systematic data accumulation and appropriate research methods, how climate change and grazing influence the structure and function of grassland ecosystem in Central Asia, especially on the carbon cycle is unclear. Ecosystem models are widely used for analyzing impacts of climate change and human activities on regional carbon dynamics. Therefore, using an independent developed arid ecosystem grazing model (Biome-BGC grazing), we will study the response of grassland ecosystem carbon storage to climate change and grazing in Central Asia. Based on the collective investigation data from “Central Asia resources investigation project”, we will first build the driving data sets for Biome-BGC grazing calibration, validation and regional simulation according to data format and tempo-spatial resolution of the model. Secondly, after parameter optimization, model calibration and validation, and driving data sets evaluation, we will use Biome-BGC grazing to estimate the characteristics of carbon source/sink in Central Asia and estimate its uncertainty. Thirdly, based on multi-scenario simulation experiments and sensitivity analysis, we will explore the contribution of individual and collective effect of climate factors variation and grazing to regional carbon balance, and propose political suggestions for sustaining development of Central Asian grassland ecosystem.

20世纪以来，尤其是过去30年中亚气候变化显著，放牧作为中亚最普遍的土地利用方式日益增强。但由于缺少系统的数据积累和合适的研究手段，这些因素如何改变着中亚草地生态系统的结构与功能，尤其是对碳循环的影响还不清楚。生态系统模型是开展陆地生态系统对气候变异和人类活动响应的主流研究手段。因此，本项目拟利用前期构建的生态系统放牧模型Biome-BGC grazing，分析近30年气候变化和放牧对中亚草地生态系统碳源/汇特征的影响，并探讨其不确定性。首先利用中科院新疆生态与地理研究所构建的中亚生态数据库、科技部中亚资源调查获取的数据集和文献资料，按照Biome-BGC grazing模型的数据格式和时空尺度，构建中亚草地生态地理数据集；然后利用校验的放牧模型，分析中亚草地生态系统碳源/汇特征及其不确定性；最后基于敏感性试验与多情景设置，分析各气候因子和放牧对碳源/汇的贡献并提出可持续发展的对策和建议。

亚洲中部干旱区碳循环对全球变化（气候变化以及人类活动）非常敏感，尤其是干旱区草地生态系统又受到不断加剧的人类活动影响，所以正确评估其碳动态对区域乃至全球尺度碳循环研究都具有重要意义。在不断加剧的气候变化和人类活动背景下，过去30年中亚草地生态系统表现为碳源还是碳汇？气候变化和放牧对该碳源/汇特征的贡献是多少？基于以上问题，本项目拟利用改进的Biome-BGC grazing模型，分析近30年气候变化和放牧对中亚草地生态系统碳源/汇特征的影响，并分析其不确定性。结果表明：1)适度放牧将增加受水分胁迫的山地干旱草原地上净初级生产力；2）1979-2014年，中亚草地生态系统作为碳源释放了0.827 Pg CO2，其中哈萨克斯坦是中亚最大的碳源，释放了0.64Pg C，占整个中亚区域的77%；3）放牧抑制了中亚草地生态系统生产力，这一因素导致中亚草地在过去30年释放了0.931 Pg CO2；4）根据统计分析，当平均放牧率小于0.23 head/ha时，放牧能够促进草地生产力的增加，因此控制放牧率在0.23head/ha的水平，可以有效防止中亚草地生态系统的退化；5）本文利用的三套高精度再分析数据，即CFSR (Climate Forecast System Reanalysis)再分析数据集、ERA-Interim （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Reanalysis）和MERRA（Modern Era Retrospective-Analysis），3套再分析数据与观测资料都显著相关，但对中亚地区降水均有高估。相对而言，MERRA模拟效果最好，CFSR最差。三套气象数据模拟的NPP（Net Primary Productivity）和NEE（Net Ecosystem Exchange）具有显著性差异（P<0.05）。自前苏联解体后，中亚五国在生态与环境变化的观测和研究方面基础薄弱，生态、土壤、气象等基础数据匮乏，本项目获取的综合数据集不但是本项目坚实数据保障，还可为其他相关主题的研究提供必要的数据支撑。研究结果也为保护和管理脆弱的亚洲中部干旱生态系统，制定科学的经济发展模式和生态保护策略提供科技支撑。