气候变化背景下1980s以来天山垂直植被带变迁和土壤碳储量研究
自从1980s以来全球经历了更加显著的变暖趋势（0.18℃decade-1），其增温幅度是1880年至上个世纪70年代末（0.08℃decade-1）的两倍。显著变暖加速了全球海洋和陆地表面的蒸发，进一步增加了大气的水汽含量，同时增强了海洋向陆地的水汽输送以及区域水汽输送异常。显著变暖和大气环流异常导致全球和区域尺度出现更加频繁的极端气温和降水事件，同时也导致干旱的地区更加干旱，湿润的地区更加湿润；雨季拥有更多的降水，旱季则获得更少的降水。值得注意的是，全球干旱区山地和高纬度地区对当前气候变化的响应更加强烈，其植被、土壤和水生态系统对气候变化更加敏感。此外，这些敏感生态系统的变化又对当前气候趋势可能产生一个正反馈。研究表明：气候变暖已经导致北方森林向高海拔转移，并且增加了森林和草甸过渡带的植被生产力，进而增强了其土壤碳汇；然而，变暖也导致北极和高山冻土加速融化，释放了更多的土壤碳，进一步增强了对气候变暖的正反馈。此外，极端干旱明显降低了干旱区的植被覆盖，同时降低了植被和土壤的碳储量。总的来说，高纬度和干旱区被视为气候变化的敏感区域。 亚洲中部干旱区既是全球最大的非地带性干旱区，也是气候变化显著地区。相关研究已经报道了自从1980s以来，亚洲中部干旱区整体呈现变暖和变湿的趋势，并且明显变湿的区域主要位于中亚北部和山地。其中、天山是亚洲中部干旱区最大的山系，拥有丰富的生物多样性，并且发育了相对完整的垂直植被带，这导致天山成为亚洲中部干旱区最重要的生态屏障。基于这样的气候和地理背景，天山范围内的暖湿趋势是否存在空间异质性？气候变化导致不同垂直植被带的变化是否一致？气候和植被变化对土壤碳汇的影响程度如何？这些问题还没有明确的结论。为了解决这些问题，本文利用再分析气候数据分析了1981–2020年天山气温和降水趋势的时空差异，并且尝试分析了当前气候趋势的驱动因子。然后，利用1990–2020年Landsat影像分析了典型区域垂直植被带的垂直移动和面积变化。最后，选择不同植被带的13个土壤剖面，采集样品，分析了气候和植被变化对土壤碳储量的影响。具体结论如下： （1）天山整体表现为显著变暖趋势，但变湿的只是少数区域。天山变暖的趋势很显著（plt;0.05），平均变暖速率为0.36℃decade-1。变暖趋势随着海拔上升呈现线性减少趋势，并且气温趋势和海拔显著负相关（plt;0.01；r=?0.96）。平均降水趋势为?5.48 mm decade-1，并且只有23.77%的区域表现为变湿趋势，主要集中在中西部。显著变湿（p lt; 0.05）的区域集中在中部和西南部的高海拔地区，占降水增加面积的 13.91%。值得注意的是，极端干旱和干旱区的降水都表现为减少趋势。然而，半干旱区、半湿润区和湿润区降水增加的面积均超过了49%。在变湿区域，变湿趋势在高海拔地区被放大，并且变湿趋势和海拔显著正相关（plt;0.01；r=0.87）。西部的异常气旋环流和蒸发的增加促进了中西部的变湿趋势。 （2）在天山的东中西三段，山地垂直带对气候变化的响应是不同的。在北坡东段样区，只有冰雪带的面积显著减少（plt;0.05），其减少速率为0.09 km2 yr-1。在北坡中段样区，只有山地针叶林带表现为显著的向下移动趋势（p lt; 0.05；0.64 m yr-1）；相反，冰雪带表现为明显的向上移动趋势（plt;0.05;1.61 m yr-1）。此外，山地针叶林和冰雪带的分布范围显著减少（p lt; 0.05），减少速率分别为0.74和0.32 km2 yr-1。在北坡西段样区，只有山地针叶林带的向下移动速率通过了显著性水平0.05，向下移动速率为0.25 m yr-1。总体来看，气温是冰雪带和山地针叶林带变化的主要驱动因子。 （3）不同植被带土壤有机碳含量随深度变化有明显的差异。在荒漠和山地草原带，所有海拔梯度的土壤有机碳含量随着深度逐步降低。然而，其他植被带土壤有机碳含量随深度没有一致的变化规律。总体来看，在整个垂直植被带，不同深度的土壤有机碳含量随着海拔都呈现单峰曲线分布，峰值位于山地针叶林带的中部（2072 masl）。此外，土壤有机碳密度的海拔分布特征和有机碳含量类似。上层（0–20 cm）土壤有机碳含量的变化受到植被碳输入和气候的共同影响，然而，下层（20–50 cm）土壤有机碳含量主要受到气候的影响。在0–50 cm的深度，土壤有机碳含量和密度的大小为：山地针叶林带 gt; 高山垫状植被带 gt; 高山草甸带 gt; 山地草原带 gt; 荒漠草原带。 （4）天山3个研究样区垂直植被带的土壤碳储量年际变化的方向和大小有明显差异。基于垂直植被带的面积变化趋势表明：天山北坡东段样区总体为一个弱的碳源（?3.40 kg C yr-1），然而，北坡中段和西段样区为一个弱的碳汇，碳汇大小分别为3.73和40.50 kg C yr-1。总的来说，过去30年以来，天山北坡垂直植被带的变迁导致东段研究样区土壤有机碳总储量损失了0.84 t C，中段和西段的研究样区分别增加了0.11和1.63 t C。
垂直植被带;移动变化;面积变化;土壤碳储量;气候变化
兰州大学
博士
地理学
安成邦
2023
中文
Q948.112
2023-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）