百年尺度地球系統模式模擬的陸地生態系統碳通量對CO2濃度升高和氣候變化的響應

彭 靜, 丹 利

中國科學院大氣物理研究所, 中國科學院東亞區域氣候-環境重點實驗室, 北京 100029

百年尺度地球系統模式模擬的陸地生態系統碳通量對CO2濃度升高和氣候變化的響應

彭 靜, 丹 利*

中國科學院大氣物理研究所, 中國科學院東亞區域氣候-環境重點實驗室, 北京 100029

利用了加拿大地球系統模式CanESM2(Canadian Earth System Model of the CCCma)的結果,針對百年尺度大氣CO2濃度升高和氣候變化如何影響陸地生態系統碳通量這一問題,分析了1850—1989年間陸地生態系統碳通量趨勢對二者響應,以及與關鍵氣候系統變量的關系。結果表明,140年間,當僅僅考慮CO2濃度升高影響時,陸地生態系統凈初級生產力(NPP)增加了117.1 gC m-2a-1,土壤呼吸(Rh)增加了98.4 gC m-2a-1,凈生態系統生產力(NEP)平均增加了18.7 gC m-2a-1。相同情景下,全球陸地生態系統的NPP呈顯著增加的線性趨勢(約為0.30 PgC/a2), Rh同樣呈顯著增加線性趨勢(約為0.25 PgC/a2)。僅僅考慮氣候變化單獨影響時,NPP平均減少了19.3 gC/m2,土壤呼吸減少了8.5 gC/m2,NEP減少了10.8 gC/m2。在此情景下,整個陸地生態系統的NPP線性變化趨勢約為-0.07 PgC/a2(P<0.05),Rh線性變化趨勢約為-0.04 PgC/a2(P<0.05)。綜合二者的影響,前者是決定陸地生態系統碳通量變化幅度和空間分布的最重要影響因子,其影響明顯大于氣候變化。值得注意的是,CanESM2并沒有考慮氮素的限制作用,所以CO2濃度升高對植被的助長作用可能被高估。此外,氣候變化的貢獻也不容忽視,特別是在亞馬遜流域,由于當溫度升高、降水和土壤濕度減少,NPP和Rh均呈顯著減少趨勢。

耦合模式；CO2生理效應；凈初級生產力(NPP)；土壤呼吸(Rh)；凈生態系統生產力(NEP)；溫度；降水；土壤濕度

近100年來大氣中CO2濃度顯著上升,其變化速率超過過去42萬年前任何時候的CO2濃度的增加速率[1]。這種變化直接影響植被光合過程,改變局地甚至全球碳循環的時空格局[2- 5]。一方面,改變了陸-氣間中CO2通量交換[3]；一方面,促進了植被光合作用[6],引起了陸-氣間碳交換和碳儲量的改變[7-9]。例如,CO2濃度增加使得氣孔阻力增大,植被葉片氣孔不同程度的關閉[10],引起了植被蒸騰速率降低[11-12],光合速率顯著提高[4],這一變化直接改變了植被的碳儲量。另一方面,作為最重要的溫室氣體,大氣中CO2濃度通過擾動地球輻射平衡(被量化為輻射強迫)[13],而引起溫度、降水、云量、風速和相對濕度等氣候因子的變化[14-17]。這些氣候因子反過來又會改變陸地-大氣之間的碳交換和碳通量[5,7,18-19]。IPCC第四次評估報告[20]明確指出,大氣中CO2濃度正以1.2—1.8 μL L-1a-1的速度增長,21 世紀末可能會增加到540—970 μL/L。因此,有必要考慮未來氣候變化中CO2濃度快速增加時,陸地生態系統碳通量響應的大小和分布格局。

人類活動引起的CO2濃度上升對陸地生態系統碳通量的影響可歸納為兩個主要方面:(1)輻射強迫引起的氣候擾動產生的間接作用；(2) 植被引起的生理強迫產生的直接作用。例如通過影響葉片氣孔影響陸地-大氣間CO2交換[21]。由于全球和區域尺度的陸地生態系統與大氣相互作用的復雜性,采用模型輸出結果與相關氣候和生態資料進行對比分析也是目前常用的一種手段,如Dan等, Piao等, Beer等和Randerson等[18,22-25]。Arora等的研究表明,加拿大地球系統模式CanESM2(Canadian Earth System Model of the CCCma)在全球和區域尺度碳循環變量結果合理,其中凈初級生產力(NPP)空間格局和大小均有很好的表現。Arora 和Boer使用人為CO2排放量和土地覆蓋數據為外強迫驅動氣候系統模式CanESM2,分析了陸地生態系統碳儲量的年際變化和空間分布特征[26]。國際耦合模式比較計劃(CMIP5, Coupled Model Inter-comparison Project)中的多數模式也能用于模擬生態系統碳通量,如基于我國的Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model (FGOALS) 耦合模式分析了凈初級生產力(NPP)和凈生態系統生產力(NEP)對大氣CO2濃度變化的時空響應[27]。

目前,我國關于氣候與全球碳循環相互作用的研究多為offline下模擬結果。百年尺度CO2濃度升高情景下,地球系統的物理、化學和生物等不同過程相互作用中,氣候與碳的作用機制的研究仍存在較大的不確定性和時空差異[28]。陸地生態系碳通量動態趨勢變化是碳循環研究的重要內容之一,這是因為它是陸地生態系統對全球變化的最直接體現,并且會對氣候產生反饋作用。本文利用地球系統模式(Earth System Model, ESM) CanESM2,研究氣候和碳循環過程的反饋,用指定的大氣CO2濃度強迫ESM。這有別于以往的大氣環流模式與動態植被模型的耦合的CO2倍增試驗[29]。這是由于ESM中引入了生物地球化學循環過程,以便在全球范圍研究碳收支、碳通量和生態系統功能的變化,定量評估氣候和生物地球化學循環的反饋[30]。因此,本文從全球和區域角度,利用地球系統模式CanESM2結果,分析大氣中CO2濃度升高和氣候變化對陸地生態系統碳通量趨勢大小和空間格局的影響。

1 研究區域和數據來源

1.1 研究區域

為了分析區域的響應特征,Giorgi和Francisco根據氣候條件和地理環境相近的原則,將全球陸地生態系統劃分為21個區域,其中去掉南極洲和80°N以北的區域[31-33](圖 1和表1)。這種方法簡單、易操作,目前已經被廣泛的應用于基于氣候系統模式結果的區域的劃分和特征分析中。利用了這種方法,從區域角度分別探討陸地生態系統碳通量對大氣中CO2濃度升高和氣候變化兩個過程的響應特征。

表1 全球陸地生態系統分區

圖1 21個區域空間分布Fig.1 Spatial distribution maps of 21 regions

1.2 數據和試驗

為了定量評估大氣中CO2濃度升高和氣候變化對陸地生態系統碳通量的影響,選擇了由多模式比較計劃(CMIP5)釋放的CanESM2模式結果(http://pcmdi3.llnl.gov/esgcet/home.htm)[34]。CanESM2產品是CMIP5最早釋放的完整耦合了碳循環過程的氣候系統模式產品,是由加拿大氣候模擬和分析中心設計的碳-氣候耦合地球系統模式的輸出結果。在這個模式里,設計者充分考慮了陸地-大氣-海洋-陸冰-海冰的相互作用過程。模式不僅包括了比較完善的生物物理過程,而且引入了生物地球化學過程,可以定量模擬整個陸地生態系統和大氣圈之間的碳通量交換。模式資料的分辨率為2.185°(緯度)×2.185°(經度)。采用的數據是模式在達到穩定平衡后又運行140a的模式結果。其中,陸面模式CTEM被耦合到加拿大氣候模式(CCM)的陸面方案(CLASS)中。從植被功能型(PFTs)的角度,根據氣候關系模式包括了9種PFTs,具體為常綠針葉林、落葉針葉林、常綠闊葉林、寒帶落葉闊葉林、耐旱落葉闊葉林、C3作物、C4作物、C3草本和C4草本。模型還包括了完整的碳循環過程,碳庫主要分配在植物葉片、莖、根、凋落物和土壤中[2]。CanESM2并沒有考慮土地利用和地表覆蓋的變化對碳吸收和釋放的作用,即模式忽略了二者變化對植被物理和生物化學過程的影響[3]。

所涉及的試驗包括CMIP5所設計的1組核心試驗(M1)和2組外圍試驗(M2和M3), 試驗積分140a。在完全耦合試驗M1中,大氣中CO2濃度從工業革命前水平,以1%的速率增至4倍水平,CO2輻射強迫和生物地球化學強迫計算對應于CO2濃度的變化,在這組試驗中,同時考慮了CO2濃度升高和氣候變化的共同影響。在試驗M2中,雖然大氣中CO2濃度以同樣的速率保持增加,大氣模塊中的輻射強迫的計算對應于工業革命前的CO2濃度水平,相比較,生物地球化學模塊的計算則對應于大氣CO2濃度的變化,這組試驗只考慮了CO2濃度升高對陸地生態系統碳通量的影響,而忽略了氣候變化的影響。在試驗M3中,大氣CO2濃度以同樣地速率保持增長,但生物地球化學模塊的計算固定為工業革命前大氣CO2濃度水平,CO2輻射強迫計算則對應于大氣中CO2濃度從工業革命前水平以1%的速率增至4倍水平。基于上述3組試驗結果,分析大氣中CO2濃度升高和氣候變化對陸地生態系統碳通量的趨勢大小和分布格局的影響。

2 結果與分析

2.1 陸地生態系統碳通量的年際變化

圖2 1850—1989年間陸地生態系統平均凈初級生產力變化 Fig.2 Annual averaged changes in net primary production (NPP) of terrestrial ecosystems during the period from 1850—1989試驗M1表征CO2輻射強迫和生物地球化學強迫共同的影響；試驗M2表征僅僅考慮大氣中CO2生物化學強迫的影響；試驗M3表征僅僅考慮大氣CO2濃度輻射強迫的影響

在1850—1989年的140年間,大氣中CO2濃度升高背景下試驗M2結果表明：陸地生態系統年平均凈初級生產力(NPP)呈顯著上升趨勢(P<0.01),NPP增加了117.1 gCm-2a-1(圖2),整個陸地生態系統NPP線性趨勢約為0.30 PgC/a2(P<0.05)。但試驗M3中,當僅僅考慮氣候變化的影響,NPP呈減少的趨勢,其顯著水平達到了5%,全球陸地生態系統的NPP線性變化趨勢約為-0.07 PgC/a2(P<0.05)。在試驗M1中,同時考慮了CO2濃度升高和氣候變化的影響,NPP上升趨勢表現顯著。綜合比較,當僅僅考慮CO2濃度升高時碳循環反饋(試驗M2)時,凈初級生產力(NPP)趨勢與同時考慮CO2濃度升高和氣候變化的共同影響(試驗M3)的結果相接近。這是由于大氣中CO2升高產生植被生理強迫對NPP增加的貢獻明顯大于氣候變化的影響,是NPP增加的主要驅動因子。這一結論得到已有研究的印證,例如Arora等[3]和Piao等[18]結果均表明在全球尺度上大氣中CO2濃度升高對NPP的影響要明顯大于氣候變化的影響。

相比較,由于大氣中CO2濃度升高,陸地生態系統年平均土壤呼吸(Rh)同樣上升趨勢顯著(P<0.001),以0.70 gC m-2a-2的速度增加(圖3),全球Rh線性趨勢約為0.25 PgC/a2。這表明,植被生物量的增加使得輸入到土壤中的有機碳增加,進而引起土壤呼吸的增加。此外,由于氣候變化的影響(試驗M3),陸地生態系統年平均Rh呈減少趨勢(P<0.05),平均每年變化速度為-0.06 gC m-2a-2,整個陸地生態系統Rh總線性趨勢約為-0.04 PgC/a2。這種減少是由不同區域共同作用的結果。溫度上升對不同區域Rh的影響不盡相同(圖6)：對北半球中高緯度地區,溫度升高,微生物活性增加,土壤有機碳在土壤駐留時間縮短,Rh呈增加趨勢；對于低緯度地區,微生物活性和有機碳在土壤中駐留時間對溫度并不敏感[17],Rh呈減少趨勢。這些區域的Rh的減少超過了北半球中高緯度地區Rh的增加,進而引起了全球平均Rh的減少。當同時考慮到大氣CO2濃度和氣候變化共同貢獻時,Rh上升趨勢顯著(P<0.01),平均每年變化速率0.75 g C m-2a-1。

陸地生態系統NEP的趨勢并不像NPP和Rh那樣明顯,當僅僅考慮CO2濃度變化時,NEP呈上升趨勢,年平均增加速度為0.13 gC m-2a-2,全球陸地生態系統NEP總的線性趨勢約為0.04 PgC/a2。當僅僅考慮到氣候變化影響時,NEP呈減少趨勢,變化速率為-0.08 gC m-2a-2,NEP線性趨勢約為-0.02 PgC/a2。當同時考慮二者共同影響時,NEP的趨勢不明顯,變化速率為0.08 g C m-2a-2,全球陸地生態系統的NEP線性趨勢約為0.02 PgC/a2(圖4)。

圖3 1850—1989年間陸地生態系統平均土壤呼吸變化 Fig.3 Annual averaged changes in soil respiration (Rh) of terrestrial ecosystems during the period from 1850—1989

圖4 1850—1989年間陸地生態系統平均凈生態系統生產力變化Fig.4 Annual averaged changes in net ecosystem production (NEP) of terrestrial ecosystems during the period from 1850—1989

2.2 陸地生態系統碳通量空間變化趨勢

2.2.1 NPP空間分布

1850—1989年間,當僅僅考慮大氣中CO2濃度變化的影響時,陸地生態系統絕大部分區域NPP呈顯著上升趨勢。大氣中CO2濃度增加對植被的助長作用使得全球平均線性增加趨勢為0.8 gC m-2a-2(P<0.05) (圖5),這與Piao等的結果相近(1.6 gC m-2a-2)。大氣中CO2濃度升高產生生理強迫引起NPP顯著增加的觀點已被所印證[35-36]。北美洲東部、南非、西非、南亞和東南亞等地區增幅較大,增加的速率超過了3.4 gC m-2a-1(P<0.05),而格陵蘭島、撒哈拉沙漠和青藏高原等植被稀少區域增幅較小,變化速率不足0.1 gC m-2a-1。另一方面,NPP的變化趨勢在阿拉斯加呈負值,即表明該區域的NPP呈減少趨勢。

圖5 凈初級生產力變化趨勢空間分布(a—c)；(d—f)通過5%顯著水平Fig.5 Spatial distribution of the trend in NPP (a—c); The trends in the (d—f) have been filtered for significance at the 0.05 level

1850—1989年間,不同區域的NPP對單獨的氣候變化的響應方式和強度存在明顯的空間差異。在南半球和中低緯度地區絕大區域,其中包括亞馬遜流域、西非、東南亞和中美洲等區域,由于氣候變化的影響,NPP顯著減少,其中,亞馬遜流域減少速率明顯快于其它區域,表明在溫度相對較高區域的增暖增加了這些區域向大氣中釋放更多碳的風險。在此期間,北半球中高緯度地區,例如北美洲西部、北美洲東部、格陵蘭島、歐洲北部、東亞、北亞和阿拉斯加等區域,NPP增加趨勢顯著。另外在海拔相對較高的區域,例如青藏高原,NPP也呈顯著的增加趨勢(P<0.05),變化速率為0.03 gC m-2a-1。根據Christidis et al的研究成果[37],溫度限制區域例如北半球中高緯度和高海拔區域,溫度升高可延長植被生長季[38],增強植被光合速率,增加植被有機物累積[39]。

此外,同時考慮CO2濃度和氣候共同影響時,南非、北美洲東部、南亞、東亞和東南亞等區域的NPP值呈顯著的增加趨勢,增加速率超過了2.90 gC m-2a-1(P<0.01)。我國的東部、北部NPP同樣增加顯著(P<0.05)。在亞馬遜流域,NPP值呈顯著減少的趨勢(-1.8 gC m-2a-2)。

2.2.2 Rh空間分布

由圖7可知,140年間,試驗M2結果表明：陸地生態系統絕大部分區域土壤呼吸(Rh)呈增加趨勢,這種變化與NPP一致,植被活動增強有利于Rh增加。相應的140年間,由于氣候變化的影響(試驗M3),陸地生態系統Rh呈現顯著的空間差異(圖6)。北半球中高緯度和高海拔地區,由于氣候變化影響,Rh為增加趨勢,其中北美洲東部、北歐、阿拉斯加、北亞和東亞等區域,Rh值呈顯著的增加趨勢。在這些區域,Rh變化速率明顯快于NPP的變化速率。有研究表明，溫度生個引起了北半球高緯度和高海拔地區凍土融化和面積減少[40],造成了原先被凍結的碳重新被微生物呼吸利用[41],導致了土壤呼吸顯著增強。與之相比較,亞馬遜流域、中美洲、西非和南亞等區域Rh值呈顯著減少的趨勢(P<0.05)。當同時考慮二者的共同影響時(試驗M1),北半球中高緯度地區響應方式與僅考慮大氣中CO2變化和僅考慮氣候變化影響方式一致,其中Rh增加趨勢在東南亞、北美洲的東部、南非和東亞等區域最為顯著,而在低緯度地區例如亞馬遜區域,Rh變化趨勢呈負值(-1.6 gC m-2a-2)。

圖6 土壤呼吸變化趨勢空間分布(a—c)；(d—f)通過5%顯著水平檢驗Fig.6 Spatial distribution of the trend in Rh (a—c); The trends in the (d—f) have been filtered for significance at the 0.05 level

2.2.3 NEP空間分布

陸地生態系統的凈生產力(NEP)可以表征為生態系統凈初級生產力(NPP)和土壤呼吸(Rh)差值,其變化的強度明顯弱于NPP和Rh的變化強度。當僅僅考慮大氣中CO2濃度變化時,陸地生態系統絕大部分區域NEP呈增加趨勢(圖7),其中西非、東亞和亞歐大陸部分區域最為顯著,顯著水平達到5%,顯著減少區域主要分布在美國的阿拉斯加。絕大部分區域NEP同樣對氣候變化響應強度和方式較NPP和Rh不明顯。當同時考慮二者共同影響時,北半球中高緯度和高海拔地區NEP呈增加趨勢,其中顯著增加區域主要分布在北亞的我國東北部,而低緯度地區NEP呈減少趨勢,絕大部分區域未達到5%顯著水平。

圖7 凈生態系統生產力變化趨勢空間分布(a—c)；(d—f)通過5%顯著水平檢驗Fig.7 Spatial distribution of the trend in NEP (a—c); The trends in the (d—f) have been filtered for significance at the 0.05 level

2.3 影響陸地生態系統碳通量的驅動力分析

大氣CO2濃度變化是影響陸地生態系統碳通量時間變化和空間分布的最重要的原因之一。已有研究表明,CO2的生理強迫能顯著影響陸地生態系統碳循環[42-43]。這種影響主要表現在對植被的助長作用。一方面,大氣中CO2濃度升高提高了植被水分利用效率[44],另一方面,能直接增強光合作用,促進植被生長。模式結果表明,CO2的生理強迫對陸地生態系統碳通量時空格局的影響顯著大于CO2輻射強迫的影響。值得注意得是,本研究中并沒有考慮氮素限制作用,CO2助長作用有可能被高估[45]。

陸地生態系統碳通量的變化與氣候系統關系密切。盡管能量通量(例如,凈輻射通量)對陸地生態系統碳通量有重要的影響,為了簡化問題,選擇了3個最基本的氣候系統變量(氣溫、降水和土壤濕度),分別分析了陸地生態系統NEP與以上3個氣候系統變量的關系(表2)。1850—1989年間陸地生態系統溫度呈顯著增加趨勢(P<0.001),溫升速率為0.32 ℃/10a-1。降水呈顯著增加趨勢,變化速率為0.37 mm/a2,土壤濕度平均變化速率為0.29 kg m-210a-1(P<0.01)(M3試驗)。有研究表明,全球增暖,一方面,導致北半球中高緯度和高海拔地區生長季延長；另一方面,引起生長季植被生長加速[46-47]。方精云發現近年中國區域的植被活動在增強[48]。這些研究結果進一步印證了全球增暖促進溫度受限區域的NPP和Rh增加。由于溫度升高引起的Rh變化速率快于NPP變化速率,這些區域的NEP呈減少趨勢,模式均模擬出NEP對Rh的響應。

低緯度地區,特別是亞馬遜流域,其降水和土壤濕度變化對該區域碳通量影響顯著。140年間,亞馬遜流域年平均溫度顯著升高,降水減少(約為1.7mm/a,P<0.05),而土壤濕度也呈減少趨勢(P<0.05),年平均變化速率約為-0.15 kg m-2a-1(M3試驗)。這表明該區域溫度顯著升高,降水和土壤濕度則顯著減少,該區域的干旱風險加劇。干旱導致了NPP顯著減少[32],進而碳存儲量呈減少變化。已有研究結果均支持了這一觀點：亞馬遜流域干旱導致植被生長受到限制,導致了該區域碳存儲量減少[43,49]。

表2 不同區域的凈生態系統生產力分別與土壤濕度、降水、溫度的相關系數

3 結論

(1)大氣中CO2濃度升高引起陸地生態系統NPP和Rh的顯著增加,NEP呈增加趨勢,但多數區域沒有通過5%顯著水平檢驗。近140年陸地生態系統NPP和Rh年分別增加了117.1 gC m-2a-1和98.4 gC m-2a-1,顯著水平均達到了5%。這是由于CO2生理強迫導致了植被活動增強,引起了NPP顯著增加,由于輸入到土壤中有機碳的增加,Rh也呈顯著增加趨勢,說明CO2升高引起的生理強迫對全球碳通量的影響明顯大于CO2輻射強迫的影響。

(2)NPP對氣候變化的響應有顯著的空間非均一性。在低緯度地區和南半球,NPP呈減少趨勢。而在北半球的中高緯度地區,NPP呈增加趨勢,這是由于全球變暖,生長季延長,植被活動增強所致。Rh對氣候變化響應與NPP一致,其中北半球高緯度地區的Rh響應強度大于NPP。

(3) 當同時考慮大氣CO2濃度升高和氣候變化的共同影響時,亞馬遜流域NPP和Rh均呈顯著減少趨勢(P<0.05),其平均變化趨勢分別為-1.8 gC m-2a-2和-1.6 gC m-2a-2。NEP也呈減少趨勢,但絕大部分區域并未達到5%顯著水平。亞馬遜流域NEP的變化與溫度、降水和土壤濕度關系密切,其中與土壤濕度的關系最為密切,這表明干旱是影響亞馬遜流域NEP變化的最重要驅動因子。

(4) 盡管本文僅基于CanEsm2單個模式數據,仍可為百年尺度CO2濃度升高和氣候變化作用機制的研究提供借鑒;陸地生態系統碳通量動態變化是多因子共同作用、多尺度重疊的過程。此外,本文未分析能量通量對碳通量的影響,也未考慮土地利用方式和氣溶膠均等因素的影響。

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The 100-year scale response of terrestrial ecosystem carbon fluxes to climate-carbon cycle caused by increasing atmospheric CO2concentration using an Earth System Model

PENG Jing, DAN Li*

KeyLaboratoryofRegionalClimate-EnvironmentforTemperateEastAsia,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Using data from CanESM2, the second generation Earth System Model of the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (CCCma), we analyze the impact of two atmospheric processes-elevated atmospheric CO2concentration and climate change through temperature and precipitation-on spatiotemporal change of the terrestrial ecosystem during the period 1850—1989. The results show that the elevated atmospheric CO2concentrations enhance the carbon fluxes, with increases of 117.1 gC m-2a-1for net primary production (NPP), 98.4 gC m-2a-1for soil respiration (Rh), and 18.7 gC m-2a-1for net ecosystem production (NEP). Increased linear trends of NPP and Rh of about 0.30 and 0.25 PgC/a2, respectively, occur across the whole terrestrial ecosystem, whereas for climate change impact, NPP has a reduced trend of -19.3 gC m-2a-1. The soil respiration reduces by -8.5 gC m-2and NEP varies by about -10.8 gC m-2. For the whole terrestrial ecosystem, linear decreased trends of NPP and Rh are approximately -0.07 PgC/a2and -0.04 PgC/a2(P<0.05). Regions show large differences of NPP distribution in response to climate change. Low latitudes and the Southern Hemisphere exhibit decreased NPP, while NPP is somewhat increased in the mid and high latitudes of the Northern Hemisphere. Enhanced vegetation growth due to the lengthened growing season associated with global warming is probably responsible for such an increase. The response of Rh to warming is consistent with that of NPP. The magnitude of increased Rh is larger than that of NPP in the high latitudes of the Northern Hemisphere. Permafrost soils in these high latitudes, which contain an enormous quantity of organic carbon, may melt with the increasing temperature, which is expected to cause increased Rh due to more dissolved organic carbon. Change in atmospheric CO2concentration is a dominant driving factor in the spatiotemporal pattern of carbon fluxes of the terrestrial ecosystem, and its impact significantly supersedes the effects of climate change. It should be noted that the model neglects the impact of nitrogen limitation, and thus the effects of elevated CO2on carbon fluxes might be overestimated. In addition, the contribution of climate change is not negligible, particularly in the Amazon basin, because reduction in precipitation and soil moisture can result in decreases in NPP and Rh. In this region, the model estimates that, in response to both rising CO2concentration and climate change, the total NPP and Rh decrease by approximately -1.8 gC m-2a-2and 1.6 gC m-2a-2, respectively. NEP also shows a decreased trend, but most areas of NEP change are not statistically significant at the 5% level. In this region, NEP change is closely related to the variation of temperature, precipitation and soil moisture, and the change correlates more to soil moisture than the other two variables. This indicates that drought is key factor driving NEP changes in this region. The terrestrial carbon fluxes are also driven by multiple factors, e.g. radiation, and the processes involved are complicated. Land use and the effect of aerosol are not considered in this paper. These factors should be incorporated into longer-term simulations to investigate the mechanisms involved in the response of the terrestrial carbon fluxes to CO2concentration and climate change.

coupled model; physiological effect; net primary production (NPP); soil respiration(Rh); net ecosystem production (NEP); temperature; precipitation; soil moisture

中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-EW-QN208); 中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05110103);國家自然科學基金項目(41275082,41305070)

2013- 12- 02;

2016- 02- 19

10.5846/stxb201312022862

*通訊作者Corresponding author.E-mail: danli@tea.ac.cn

彭靜, 丹利.百年尺度地球系統模式模擬的陸地生態系統碳通量對CO2濃度升高和氣候變化的響應.生態學報,2016,36(21):6939- 6950.

Peng J, Dan L.The 100-year scale response of terrestrial ecosystem carbon fluxes to climate-carbon cycle caused by increasing atmospheric CO2concentration using an Earth System Model.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6939- 6950.