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森林作为陆地生态系统的主体,在全球陆地碳循环中起着决定性作用。实测和模型研究均表明北半球的森林是重要的大气CO2汇,在缓解全球碳收支失衡中发挥着关键作用。过去几十年北半球所经历的显著气候变化,已经很大地改变了陆地生态系统的碳平衡状况。随着未来100年气候变化继续增大,对未来气候变化下森林生态系统碳平衡的预测研究就尤为重要。
北京山区森林属于典型的暖温带森林生态系统,前人对本区森林的植被特征、生态系统结构和功能、养分循环以及长期动态变化等都进行了深入的研究。然而长期的人类活动已使本区原生的地带性植被破坏殆尽。因此,对该区域森林生态系统碳平衡的模拟研究可以帮助我们认识其生态系统碳平衡变化特点及未来气候变化对其潜在的影响。
本研究采用LPJ-GUESS植被动态机理模型,利用IPCC于2000年发布的《排放情景特别报告》(SRES)的A2和B2两种情景下不同气候模式对华北地区未来100年温度和降水预测的平均值以及相应大气CO2浓度变化情景进行驱动,模拟北京山区未来100年暖温带森林生态系统的净初级生产力和碳平衡,尽可能真实地反映未来百年的变化趋势。通过比较当前和未来气候情景下北京山区以辽东栎(Quercus liaotungensis)为优势种的落叶阔叶林、以白桦(Betula platyphylla)为主的落叶阔叶林和油松(Pinus tabulaeformis)为主的针阔混交林三种典型暖温带森林生态系统的碳平衡差异,了解未来北京山区这三种暖温带森林生态系统的碳源汇功能,认识气候变化和大气CO2浓度升高对净初级生产力(Netprimary productivity,NPP)、净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange,NEE)、土壤异养呼吸(Heterotmphic respiration,Ph)和碳储量(Carbon biomass,Cbiomass)的影响,以及不同生态系统碳平衡对气候变化响应的异质性。
结果表明,未来100年两种气候情景下三种森林生态系统的NPP和Rh均增加,并且A2情景下增加的程度更大。由于三种生态系统树种组成的不同,未来气候情景下各自NPP和Rh增加的比例不同,导致三者NEE的变化也相异:100年后辽东栎林由碳汇转变为弱碳源,白桦林仍保持为碳汇但功能减弱,油松林成为一个更大的碳汇。三种森林生态系统的碳生物量在未来气候情景下均增大,21世纪末与20世纪末相比:辽东栎林在A2情景下碳生物量增加的比例为27.6％,大于B2情景下的19.3％；白桦林和油松林在B2情景下碳生物量增加的比例分别为34.2％和52.2％,大于A2情景下的30.8％和28.4％。各森林类型碳平衡状况不同,原因除气候因素外,主要是由于树种组成的差异所导致。SRES A2和B2两种气候情景相比,相对较低的排放情景(B2)下,生态系统有更高的碳储量。