基于干旱区生态系统模型的中亚地区生态系统有机碳库估算及其对气候变化的响应研究

Significant climate changes in recent decades have profoundly affected ecosystem carbon cycles of the arid and semi-arid Central Asia. However, the ecosystem carbon storage and its responses to climate change were unclear. The main reasons are: 1) lack of geographical, ecological, and climatic data; and 2) the limitation of general ecosystem models in simulating special ecological process in arid ecosystems. Using an independent developed arid ecosystem model (AEM) which was well calibrated and validated in the arid region of Xinjiang, China, we will study the response of ecosystem carbon storage to climate change in Central Asia. Based on the collective investigation data from “Central Asia resources investigation project”, we will first build the driving data sets for AEM 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 AEM to estimate total organic carbon stocks in Central Asia and characterize its tempo-spatial dynamics. Thirdly, based on multi-scenario simulation experiments and sensitivity analysis, we will explore the contribution of individual and collective effect of climate factors variation to regional carbon balance, and propose political suggestions for sustaining development of Central Asian ecosystem. This study will improve our understanding on the interactions between arid ecosystem carbon cycle and global change.

半个世纪以来，亚洲中部干旱区气候变化显著，对区域生态系统碳水循环的影响已引起国际广泛关注。由于无法描述干旱区特殊生态过程，国际常用碳水循环模型在该区域基本不适用，而且相关地理与生态数据的严重不足，致使该领域的研究基础薄弱，尤其是气候变化对区域碳库动态的影响方面。本项目基于自主开发的、已在新疆干旱区充分校验的干旱区生态系统模型(AEM)，充分利用已完成的科技部国际合作项目“中亚资源调查”所收集的数据资料和成果，研究中亚地区近30年尤为显著的气候变化对区域碳库动态的影响。首先基于AEM模型定义的数据格式和时空尺度，构建中亚生态地理GIS数据集；在模型优化、模型校验和驱动数据精度评估的基础上，模拟和分析中亚有机碳储量和时空分布；最后，通过多情景模拟与敏感性分析，量化各气候因子对中亚地区碳源/汇的贡献，在此基础上提出中亚生态系统可持续发展的对策和建议。本项目将推动干旱区碳循环的研究。

半个世纪以来，亚洲中部干旱区气候变化显著，对区域生态系统碳水循环的影响已引起国际广泛关注。由于无法描述干旱区特殊生态过程，国际常用碳水循环模型在该区域基本不适用，而且相关地理与生态数据的严重不足，致使该领域的研究基础薄弱，尤其是气候变化对区域碳库动态的影响方面。鉴于此，本项目首先构建了研究区高时空分辨率的气候、植被、土壤、地形等生态-地理综合数据库。在此基础上，结合基于文献调查与野外采样（353条植被碳和284条土壤有机碳数据）的碳密度清单经验统计方法和校准的AEM生态模型，全面评估亚洲中部干旱区有机碳库格局。最后，模拟和分析近30年亚洲中部干旱区有机碳动态对气候变化的时空响应。主要结论如下：亚洲中部干旱区有机碳总储量为31.34-34.16 Pg，占世界荒漠与干旱灌丛碳库的18-24%，与中东碳库相当、同澳洲碳库可比。其中，植被碳储量为3.04-4.12 Pg；区域总有机碳库的90%以上储存在土壤中，明显高于澳洲等其他干旱区60-70%的比例。荒漠灌木生态系统有65-68%的土壤有机碳分布在1-3 m的深层土壤中，指出前人研究仅考虑0-1 m深度土壤会导致其低估温带荒漠碳储量。此外，该地区温带荒漠的土壤有机碳密度显著高于热带和亚热带荒漠。亚洲中部干旱区有机碳库受到气候变化的严重威胁，在1979-2011年期间共失碳0.46 Pg。区域碳库流失主要受1998-2008年间哈萨克斯坦北部地区长期干旱的影响。本研究发现该干旱与La Nina现象密切相关，导致植被碳库减少8%。哈萨克斯坦北部为主要有机碳库流失区，我国新疆北部的有机碳储量则由于气候的暖湿化显著增加。植被碳库波动是区域总有机碳库动态的主要组成因子；土壤有机碳库由于凋落物输入的减少与土壤呼吸减弱之间的平衡而保持稳定。以降水和CO2为主要碳动态限制因子的区域分别占研究区的69%（水分胁迫的荒漠和干旱草原区）和20%（森林区和水热条件较好的低海拔地区）。本研究成果较为全面地评估了该地区的有机碳储量，揭示了亚洲中部干旱区在全球碳循环研究中的重要地位，为当地生态系统可持续发展提供了科学参考。