辽西地区樟子松人工林生产力和水分利用效率对气候变化的响应及预测

[目的]预测未来气候背景下辽宁西部黑水林场樟子松人工林总初级生产力(GPP)和生态系统内禀水分利用效率(iWUE)的变化趋势及差异,为樟子松人工林的可持续管理与科学经营提供科学参考。[方法]对BIOME-BGC模型中影响GPP和蒸散(ET)的参数进行敏感性分析,利用参数估计(PEST)结合涡度数据对模型进行参数调整,获得模拟生态系统总初级生产力(GPP_(m))和模拟生态系统内禀水分利用效率(iWUEh_(m)),以稳定同位素和遥感数据进行比对,预测本世纪末黑水林场樟子松GPP_(m)和iWUE_(m)对气候变化和CO_(2)浓度增加的响应。[结果]细根与叶片碳分配比是同时影响BIOME-BGC模型中GPP和ET的高敏感性参数,叶片和细根年周转率是中敏感性参数。对敏感性参数进行校正后,模型输出的GPP模拟值更趋近于实测值。iWUE_(m)与遥感生态系统内禀水分利用效率(iWUE_(y))、单株内禀水分利用效率(iWUE_(d))均呈显著相关(P<0.05)。在增温情景下,樟子松GPP_(m)升高,但在降水和CO_(2)增加情景下GPP_(m)变化不显著,不同情景下的iWUE_(m)与GPP_(m)变化相似但变幅更大。在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,樟子松GPP_(m)与基线相比呈上升趋势且差异显著,但在RCP2.6和RCP4.5情景下iWUE_(m)与基线差异不显著,仅在RCP8.5情景下极显著升高(P<0.01)。[结论]参数校正后的BIOME-BGC模型能够准确模拟黑水林场樟子松GPP_(m)和iWUE_(m),未来GPP_(m)与iWUE_(m)变化趋势的差异暗示iWUE的气候变化响应机制比GPP更复杂,其不仅受气候变化影响,还可能与当地立地条件有关。

基于Biome-BGC模型的刺槐人工林生产力和内在水分利用效率研究

[目的]探究刺槐人工林生产力和内在水分利用效率(iWUE)的影响因子及其对气候变化的响应。[方法]使用过程模型Biome-BGC对我国半湿润区内比较干旱的陕西省白水县和比较湿润的河南省民权县的刺槐人工林模拟净初级生产力(NPPs),并用实测净初级生产力(NPPm)数据进行验证,根据模拟结果计算生态系统内在水分利用效率(iWUEs)。分析两地刺槐人工林的生态系统与树轮iWUE变化趋势的差异。[结果]两地刺槐年际生物量均随年龄增大而首先迅速增加,具有明显的幼龄效应,随后逐步稳定并在一定范围内波动;在不包含幼龄林数据时,两地刺槐人工林NPPs与NPPm呈极显著正相关(P<0.01),树轮年际内在水分利用效率(iWUEm)则均呈波动上升趋势。白水县刺槐林的iWUEs与iWUEm呈极显著负相关(P<0.01),但民权县刺槐林的iWUEs与iWUEm呈显著正相关(P<0.05)。[结论]温度是影响iWUEm的关键因子,年降水量和大气CO_(2)浓度是影响生物量的关键因子。Biome-BGC模型能较好地模拟幼龄林以后的刺槐人工林的NPP,在半湿润区内湿润程度不同地点之间,刺槐人工林的生长关系一致,但碳水关系比较复杂。

刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应

本研究调查了陕西安塞和山西吉县刺槐人工林生长状况,比较了刺槐年轮宽度、胸高断面积增量(BAI)、δ^(13)C、内在水分利用效率(iWUE)和气孔调节方面的差异,量化了刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应。结果表明:随林龄增加,安塞和吉县刺槐年际轮宽均呈下降趋势,安塞刺槐BAI呈增加趋势,但吉县刺槐BAI达到峰值后下降。吉县刺槐δ^(13)C和iWUE均高于安塞刺槐,安塞和吉县刺槐的iWUE实测值更偏向于恒定胞间CO_(2)浓度/大气CO_(2)浓度(C_(i)/C_(a))情景,表明刺槐C_(i)随C_(a)增加而增加,气孔保持开放。Pearson相关性分析显示,安塞刺槐BAI与5月最高气温、6月相对湿度、8月降水、9月相对湿度和9、10月干旱指数(SPEI)呈显著正相关,与6月气温呈负相关;而吉县刺槐BAI与6、7月SPEI和10月最低气温呈显著正相关。安塞刺槐iWUE与6月相对湿度和降水呈显著正相关,与5月最低气温、6月相对湿度、7月气温、最高气温呈负相关;吉县刺槐iWUE与6月最低气温呈显著正相关。年尺度上,安塞刺槐BAI与降水和SPEI呈显著正相关,吉县刺槐则相关不显著。两地刺槐iWUE均受到降水的显著影响。路径分析结果表明,SPEI和最低气温对安塞刺槐BAI和iWUE有直接效应,降水和均温通过SPEI间接影响BAI和iWUE,最高气温对吉县刺槐生长有直接效应,而降水、最低气温和均温对iWUE有直接效应。量化结果显示,SPEI是影响刺槐生长的主要气候因子,而C_(i)是重要的生理因子。本研究结果可为气候变化背景下刺槐人工林的保护管理提供参考。