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森林是陆地生态系统重要的组成部分,在全球物质和能量循环中起着重要的作用,特别是在调节全球碳平衡、涵养水源、减少水土流失、防风固沙以及维护全球气候稳定等方面具有不可替代的作用。但自工业革命以来,化石燃料的燃烧及土地利用变化等人类活动造成了大气温室气体剧烈增加,同时也造成了全球气候变暖。如此显著的气候变化对森林生态系统结构和功能会产生怎样的影响?而森林植被覆盖的变化又是否会引起森林一系列功能的变化,特别是碳汇功能的变化?森林生态系统结构和功能对全球变化影响的机制是怎样的?全球变化各因子如气候变化、大气CO2浓度上升等,谁是主导因子?未来的气候变化情景下森林生态系统又会发生怎样的变化?这些科学问题不仅是生态学研究的重点之一,也是当前全球变化研究的核心内容之一。 为了回答这些科学问题,本论文首先利用AVHRR NDVI数据和气候数据,研究了近30年东亚森林覆盖和生长的时空变化及其与气候的关系:其次,基于MODIS数据估算了东亚森林生物量的时空变化:然后,基于生态系统过程模型的方法探讨了东亚森林NPP近30年的时空变化及其机制,综合利用生态系统过程模型和大气反演方法评估了近30年东亚森林的碳汇功能及其时空变化的原因;最后结合IPCC预测的未来三种气候变化情景,探讨了未来东亚森林可能的变化。主要结论如下: 1.东亚森林年平均NDVI在1982-2009年间呈显著上升趋势,与年均温显著正相关。与年降水没有显著关系;春季和秋季NDVI显著上升,而夏季和冬季NDVI变化不明显;春季温度上升促进了东亚森林物候提前和生长,秋季温度上升推迟了物候结束期使秋季森林植被活动增强。NDVI的变化趋势及其与气候的关系在空间上存在很大的异质性;不同森林类型NDVI的变化趋势不同,对气候变化的响应也不同。 2.基于MODIS反照率和省级水平的森林清查数据建立方程反演东亚地区1km×1km高分辨的森林生物量分布图。基于MODIS反演的森林生物量估算的东亚森林生物量由2001-2005年的8.1±0.5PgC增加到2006-2010年的8.8±0.9PgC,共增加了0.7±0.7PgC。近10年东亚森林生物量碳汇大小为121.7TgCyr-1,但碳汇的不确定性很大(±125.6TgCyr-1)。其中,中国人工林总生物量碳汇为61TgCyr-1,相当于中国总森林生物量碳汇(111.5TgCyr-1)的55％。 3.1980-2009年间,东亚大部分森林(83％)年NPP呈增加趋势,中国西南和华东地区、日本、和朝鲜半岛森林年NPP增加趋势超过2gCm-2-yr-2;而中国内蒙古东部和华北地区等半干旱地区的森林年NPP呈减少趋势(-3gCm-2yr-2左右),这主要是由于近30年这些地区降水减少加剧了干旱所导致的。基于10个生态系统过程模型模拟东亚森林总NPP变化趋势的平均值为2.1±1.0TgCyr-2(范围为1.2-4.0TgCyr-2),相当于每年增长O.2％yr-1(0.1-0.5％yr-1)。其中气候变化导致近30年东亚森林年NPP减小速率为-0.7±1.9TgCyr-2(范围为-3.0-2.5TgCyr-2);大气CO2浓度上升导致近30年东亚森林年NPP增加2.7±1.0TgCyr-2(范围为1.2-4.6TgCyr-2)。东亚森林年NPP的年际波动是由温度和降水的年际波动导致的。 4.基于自下而上(Bottom-up)的1O个生态系统过程模型,估算出1980-2009年东亚森林碳汇为110±109TgCyr-1。基于自上而下(Top-down)的大气反演模型,估算出的东亚森林碳汇为100±78TgCyr-1。基于森林清查数据估算的东亚森林碳汇大小为94±33TgCyr-1,三种方法相比较,估算的结果比较吻合。 5.总体上,1980-2009年间东亚森林NPP的增加趋势大于异养呼吸HR的增加趋势,因而东亚森林NEP呈现增加趋势(0.4±1.3TgCyr-2)。但自2001年之后,10个生态系统过程模型和7个大气反演模型的结果都表明东亚森林碳汇能力逐渐减弱。近30年,气候变化单独导致东亚森林NEP的变化趋势为-0.7±1.5TgCyr-2;大气CO2浓度升高促进近30年东亚森林NEP每年增加0.9±0.8TgCyr-2;气候变化和大气CO2浓度上升共同导致近30年东亚森林NEP每年增加0.44±1.3TgCyr-2。气候变化和大气CO2浓度上升之间的相互作用也促进了近30年东亚森林NEP每年增加0.2TgCyr-2左右。 6.未来在A2、A1B和B1三种情景下:2090s东亚森林总NPP比2010s分别增加了31％,36％和16％;2010-2100年东亚森林总年NeP增加趋势分别为5.4TgCyr-2,4.5TgCyr-2和2.8TgCyr-2,相当于年NPP平均每年增加0.4％yr-1,0.3％yr-1和0.2％yr-1。气候变化在三种情景下对未来东亚森林NPP增加的贡献几乎为0;大气CO2浓度上升的施肥效应在A2情景中最大(35％),其次是A1B情景(28％),B1情景最小(16％),这与A2、A1B和B1情景的大气CO2浓度上升速率有关。B1情景自2070年大气CO2浓度基本不变导致大气CO2施肥效应不再增加。 7.未来在A2、A1B和B1情景下,2010-2100年整体上东亚森林NEP都呈现先增加后不变或减小的变化趋势。在A2和A1B情景下,2090s东亚森林总NEP比2010s的增加了27TgCyr-1和6TgCyr-1,相当于增加了24％和6％;而在B1情景下。2090s东亚森林总NEP比2010s减少了39TgCyr-1,相当于减少了38％。与2010s相比,2050s东亚森林NEP普遍增加。与2050s相比,2090s东亚森林NEP在A2和A1B情景下基本不变,但是在B1情景下普遍减小。气候交化使未来东亚森林年NEP减少;而大气CO2浓度上升使未来东亚森林年NEP增加,但是大气CO2施肥效应随着大气CO2浓度的饱和和上升速率变慢而逐渐不变或减小。