【摘 要】
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在全球气候变暖的背景下,温度升高一方面加速多年冻土退化,导致大量温室气体释放;另一方面变暖也会促进土壤中营养物质的分解,加快植被生长,进而陆地生态系统会从大气中固定更多的碳;但土壤碳释放和植被碳固定速率尚不清楚,导致多年冻土区的碳源、汇效应尚不明确。本文基于全球各通量网和文献资料,收集了环北极多年冻土区碳通量的站点实测数据,采用曲线拟合、线性回归等方法分析了其时间变化趋势及其与气候因子间的关系;利
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在全球气候变暖的背景下,温度升高一方面加速多年冻土退化,导致大量温室气体释放;另一方面变暖也会促进土壤中营养物质的分解,加快植被生长,进而陆地生态系统会从大气中固定更多的碳;但土壤碳释放和植被碳固定速率尚不清楚,导致多年冻土区的碳源、汇效应尚不明确。本文基于全球各通量网和文献资料,收集了环北极多年冻土区碳通量的站点实测数据,采用曲线拟合、线性回归等方法分析了其时间变化趋势及其与气候因子间的关系;利用随机森林方法构建了描述净生态系统碳交换（Net Ecosystem Exchange,NEE）与其驱动变量（如气候、植被、土壤属性等）间相互作用的数学模型,且以相应的空间数据作为模型的输入数据,将站点尺度的NEE扩展到整个研究区域中,以评估环北极多年冻土区陆地生态系统近二十年来的碳交换状况,并利用第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中的数据来预估其未来变化趋势。主要研究结果包括:1)在2002～2017年期间,多年冻土区不同植被类型的年均NEE分别为-8.2±4.1（森林）＜-4.8±4.1（草地）＜-3.6±3.0（湿地）＜-3.3±2.6（灌木）＜0.02±0.62 g CO2 m-2 d-1（苔原）。整个环北极多年冻土区在不同季节NEE的年际变化率分别为-66.9（春）＜-55.8（夏）＜4.82（冬）g CO2 m-2 yr-2;不同植被类型NEE的年际变化率（p＜0.05）分别为-100（灌木）＜-70.2（湿地）＜-47（草地）＜-17（森林）＜-16（苔原）g CO2 m-2 yr-2,表明环北极多年冻土区的碳汇作用在逐年增强。2)NEE与土壤温度（0～20 cm）间的数量关系在非生长季（10～4月）、生长季（5～9月）分别符合指数方程、负指数方程。环北极多年冻土区生态系统呼吸的土壤温度敏感性系数(Q10)存在显著的季节性差异,Q10在冬季最大（4.9±1.9）,夏季最小（2.2±0.5）。NEE与土壤含水量（0～20 cm）间的数量关系均符合一般线性方程;当土壤含水量每升高1%时,NEE的变化量在非生长季为3.5（湿地）＜8.9（森林）＜20（灌木）＜24 mg C m-2 d-1（草地）。3)根据随机森林模型估算,2002～2017年环北极多年冻土区在非生长季的碳释放总量为1706 Tg C yr-1,其均方根误差（RMSE）为1407.0 Tg C yr-1;而在生长季的碳吸收总量为–2645 Tg C yr-1,其均方根误差为1362.7 Tg C yr-1;则其全年的净碳交换总量为–939 Tg C,表明目前环北极多年冻土区的陆地生态系统为碳汇。在非生长季,土壤温度对NEE的影响最大,而在生长季,除土壤温度外,植被叶面积指数是影响NEE的重要因素。4)在CMIP6中不同共享社会经济路径（Shared Social-economic Pathways,SSPs）下,整个环北极多年冻土区在非生长季的碳释放总量年际变化率在SSP126、SSP245、SSP585路径下分别为6.2、12.2、25.9 Tg C yr-2,其在生长季的碳吸收总量年际变化率分别为-2.0、-3.7、-6.1 Tg C yr-2,表明非生长季的碳释放增加速率要高于生长季的碳吸收增加速率,环北极多年冻土区的碳汇能力将在SSPs路径下逐年减弱。到2057年,环北极多年冻土区的净年碳交换总量在SSP126、SSP245、SSP585路径下分别为-545.2、-413.6、2.9 Tg C yr-1,说明在SSP585路径下该地区很可能转化为碳源。本研究分析了环北极多年冻土区NEE的时空分布特征,探讨了NEE与气候因子间的关系,通过随机森林模型估算了其NEE总量,并预估了在CMIP6中不同SSPs路径下的NEE变化趋势。本研究可以为环北极甚至全球多年冻土区的生态环境保护提供数据支持与科学依据,促进多年冻土碳交换对气候变化响应的认识与进一步探究,减少气候变化预估的不确定性。
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