中国温带草原退化草地气温与地温变化及其机理研究_神祥金.docx

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1、 Research of Surface Air and Ground Temperature Change for Degraded Grassland in the temperare grassland region of China By Shen Xiangj in A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of science Northeast Ins

2、titute of Geography and Agroecology, University of Chinese Academy of Sciences May, 2016 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明文中除了特 别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人己经发表或撰写的研究成 果，不包含本人或他人己申请学位或其他用途使用过的成果。与本人 合作的通知对本研究做出的贡献均己在文中予以明确说明并表示了 致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者（签名 ） : 目录 顏 . 1 Abstract . 3 m-M . 6 1.1研 究 背 景 及 意 义

3、 . 6 1.2研究进展 . 8 1.2.1气温和地温变化研究进展 . 8 1.2.2 土地利用 /覆被变化对气候影响研究进展 . 10 1.2.3退化草地气温地温变化研究进展 . 12 1.2.4有待进一步研究的问题 . 13 1.3研究内容 . 14 1.3.1研究区概况 . 14 1.3.2研究内容 . 14 第二 章温带草原区气候与植被变化特征 . 16 2.1温带草原区气温和地温变化特征 . 16 2.1.1气温变化背景 . 16 2丄 2地温变化背景 . 17 2.1.3草原区气温和地温变化 . 18 2.2温带草原区植被分布及变化特征 . 20 2.2.1草原区土地利用 /覆被变

4、化 . 20 2.2.2草原区草地植被变化特征 . 21 2.3本章小结 . 23 第三章温带草原区植被与气候相互关系 . 25 3.1 前 . 25 3.2温带草原区植被对气候变化的响应 . 27 3.2.1草原区植被对生长季内各季节气温和降水的响应 . 27 3.2.2草原区植被对逐月气温和降水的响应 . 31 3.3温带草原区植被变化对气候的影响 . 32 3.3.1草原区生长季观测与再分析气温比较 . 33 3.3.2草原区 OMR气温趋势值与植被指数的关系 . 34 3.3.3草原区 OMR气温趋势值与不同植被类型的关系 . 34 3.3.4草原区植被类型及生长变化对于气温的影响 .

5、 36 3.3.5草原区土地利用 /覆被变化对气温的影响 . 38 3.4本章小结 . 38 第四章退化草地气温变化过程及其特征 . 40 4.1前言 . 40 4.2材料与方法 . 40 4.2.1实验地点 . 40 4.2.2实验设计 . 41 4.2.3数据收集与处理 . 43 4.3退化草地气温变化特征 . 43 4.3.1退化草地气温时间变化特征 . 43 4.3.2退化草地气温垂直变化特征 . 45 目录 4.3.3退化草地气温温差变化特征 . 47 4.4 i寸 i仑 . 49 4.5本章小结 . 50 第五章退化草地地温变化过程及其特征 . 51 5.1 mm . 51 5.2

6、退化草地土壤热量变化 . 51 5.2.1未退化草地土壤热通量变化过程 . 51 5.2.2退化草地土壤热通量变化特征 . 53 5.3退化草地地温变化特征 . 54 5.3.1退化草地地温时间变化特征 . 54 5.3.2退化草地地温垂直变化特征 . 56 5.3.3退化草地地气温差变化特征 . 57 5.4 Hit . 58 5.5本章小结 . 60 第六章退化草地气温与地温变化机理 . 61 6.1 mm . 61 6.2草地退化对地表反照率和水分的影响 . 61 6.2.1草地退化对地表反照率的影响 . 61 6.2.2草地退化对土壤含水量的影响 . 62 6.3草地退化对地表能量平衡

7、的影响 . 63 6.3.1未退化草地地表能量变化特征 . 63 6.3.2草地退化对地表能量分配的影响 . 66 6.4 Hit . 68 6.5本章小结 . 70 第 七 章 结 论 与 展 望 . 71 # 捕 . 74 至嫌 . 87 个人简介及文章发表 . 90 摘要 摘要 全球变化与陆地生态系统相互关系的研究是当前全球变化研究的核心领域 之一，陆地生态系统对气候变化的响应及其反馈一直是其焦点问题。作为地球上 分布最为广泛的植被类型之一，草地植被在受气候影响的同时，又能对区域气候 起到重要调节作用。探宄草原区草地植被变化对区域气候的影响既能够完善植被 与气候变化关系研宄，又能够为缓解

8、区域气候变化、草原区生态环境建设提供科 学依据。本研究通过利用中国温带草原区植被及气象数据，开展了草原区植被与 气候相关关系研宄，并依托位于中国科学院东北地理与农业生态研究所长岭草地 农牧实验站，主 要从立地尺度分析了退化草地气温和地温变化特征及其机理。研 究结果发现： 过去几十年，我国温带草原区气温在明显升高，且最低气温升幅要快于最高 气温，气温呈现不对称增温。温带草原区气温增加的同时，地温也在增加，地温 的增速要明显快于气温的增速，形成另一种形式的不对称增温即土壤与大气的不 对称增温。最近几十年，由于人类活动的影响，我国温带草原区草地植被发生严 重退化。在温带草原区草地植被未发生变化区域，

9、草地植被生长状况在总体变好， 其中温带草甸植被覆盖增加最为明显。春季温度尤其最低温，是影响春季草原植 被生长的关 键因素。而夏季气温上升，对温带荒漠草原产生不利影响。草原区气 温升高对植被存在不对称的影响，夏季最高温及最低温的升高将分别抑制和促进 植被生长。此外，夏季降水能明显促进温带典型草原与温带荒漠草原植被生长。 在温带草原区，由于不同草地植被类型覆盖及其变化所引起的地表增温幅度不同。 温带草甸生长环境水分相对充足，高的土壤含水量及强的蒸发反馈能够有效减缓 地表的增温；而温带荒漠草原植被绿度最小，通过植物叶片的冷却反馈相对较弱， 从而导致荒漠草原区气温升高最为剧烈。草地植被生长的季节变化越

10、明显，则对 气温影响的季节 差异越大。在生长最为旺盛的 8月和 9月，温带草原区草甸植被 将会引起地表气温的降低。 根据立地实验结果得出，松嫩草地退化将导致气温和地温的升高。在四种类 型样地，气温和地温温度大小依次为：裸地 重度退化草地 轻度退化草地 未 退化草地。随着草地植被退化，平均气温升高，草地退化对白天的增温作用大于 1 对夜晚增温作用，导致昼夜温差上升。草地退化导致气温升高的同时，还将引起 地温的升高，且地温增温速度快于大气增温速度，随着草地植被盖度的下降，地 气温差呈上升趋势， “ 土壤 与大气的不对称增温 ” 将进一步加剧。此外，草地退化 同样会对土壤白天最高温和夜间最低温产生不

11、对称的影响，并使得土壤的昼夜温 差增大。在生长季内，草地退化能够导致地表反照率升高，土壤含水量下降，进 而影响地表能量平衡过程。随着草地植被的退化，地表反照率升高，地表净辐射 减少，但土壤热通量增多。与未退化草地相比，裸地土壤热通量较高。随着草地 植被的退化，表层土壤直接接收到的太阳辐射增多，地表传递给土壤的热量增多， 从而使得退化草地土壤温度较高。草地植被退化以后，地表土壤含水量降低，净 辐射以潜热形式传递的比例减小 ，而以感热形式传递的比例增多，从而使得大气 温度升高。对于未退化草地，土壤含水量相对较高，由于土壤蒸发及植被蒸腾， 地表通过蒸散以潜热形式损失更多的热量，从而进一步降低了未退化

12、草地土壤温 度。 关键词：温带草原区；草地退化；气温；地温；能量平衡 Abstract Abstract Investigating the interactions between global change and terrestrial ecosystem is a critical focus for global change studies. The relationship between terrestrial ecosystem and climate change is an important aspect of climate change studies. As on

13、e of the most widespread vegetation types worldwide, grassland vegetation activity is not only affected by climate change, but also plays an important role in the change of regional climate. Investigating the effects of temperate grassland vegetation change on regional climate will be helpful to imp

14、rove the research on the relationship between vegetation and climate change, and to provide a scientific basis for ecological environment construction in the temperate grassland region. By using vegetation and meteorological data in the temperate grassland region of China, this study firstly investi

15、gates the relationship between grassland vegetation and climate change in the temperate grassland region. Based on the Chinese Academy of Sciences Changling station of grassland and agroecology, this study mainly focuses on the research of surface air and ground temperature change for degraded grass

16、land in the Songnen plain. The results showed that both the air and soil temperatures showed significant warming trends during the past decades in the temperate grassland region of China. But the increase of minimum air temperature was faster than that of maximum air temperature, which is called the

17、 asymmetric warming of surface air temperature. In addition, we found the increase of soil temperature was larger than that of air temperature, which is another asymmetric warming pattern of soil and air temperatures. Due to the effect of human activities in the temperate grassland region of China,

18、grassland vegetation in this region experienced serious degradation in the past decades. For the unchanged patches of grasslands in this region, the growth of grassland vegetation became well, with the largest increase of vegetation cover for temperate meadow. The increase of spring surface air temp

19、erature, especially the minimum air temperature is beneficial for the growth grassland vegetation. There also Abstract exist asymmetric effects of summer maximum and minimum air temperatures on temperate grassland vegetation. The increase of summer temperature could prohibit the growth of temperate

20、desert grassland, but the increase of summer precipitation will promote its growth. In the temperate grassland region of China, the impacts of different grassland types and vegetation cover changes on observed surface warming were different. The observed warming related to the grassland vegetation w

21、as the weakest for temperate meadow and the strongest for temperate desert steppe. During the growing season, when the grassland vegetation has the stronger seasonal changes, the effect of seasonal vegetation cover change on temperature change becomes more obvious. In August and September, temperate

22、 meadow has a weak cooling effect on the surface air temperature. Because of the limited soil moisture and little evaporative cooling feedback, the cooling effects of temperate steppe and temperate desert steppe on the surface air temperature were limited. Based on the results of site experiment, gr

23、assland degradation in Songnen plain will increase both growing season air temperature and soil temperature. For soil and air temperatures, bare land has the largest temperature values, followed by heavily degraded, slightly degraded and un-degraded grasslands. With the degradation of grassland in S

24、ongnen plain, diurnal air temperature range increased. In addition, grassland degradation has a larger warming effect on soil temperatures than air temperatures, which results in the increase of temperature difference between soil and air temperature. Similar to air temperatures, there are asymmetri

25、c effects of grassland degradation on soil temperatures during the daytime and night-time, which results in the increase of soil diurnal air temperature range. During the growing season, grassland degradation could increase the land surface albedo but reduce surface soil water content, which thus af

26、fect the process of surface energy balance. As the degradation of grassland vegetation, land surface albedo increased, surface net radiation decreased, but the soil heat flux increased. Grassland degradation exposed more soil surface, so the surface soil receives more solar radiation which results i

27、n a larger soil temperature for the degraded grasslands. Grassland degradation also could 4 Abstract decrease the soil water content, which reducing the proportion of net energy partitioned into latent heat. Therefore, sensible heat flux increased with the degradation of grassland vegetation, accoun

28、ting for the warming impact of grassland degradation on surface air temperature. For un-degraded grasslands, due to high soil water content, larger latent heat loss through evapotranspiration further accounts for the low soil temperatures. Keywords: Temperate grassland region; Grassland degradation;

29、 Air temperature; Ground temperature; Energy balance 第一章绪论 第一章绪论 1.1研究背景及意义 全球变化与陆地生态系统相互关系的研究是当前全球变化研究的核心领域 之一，而陆地生态系统对气候变化的响应及其反馈一直是其焦点问题（李晓兵， 2002;周广胜等， 2004)。 作为生态系统的重要组成部分，植被在受气候影响的 同时，还会对区域气候起到一定的调节作用 （ Woodward et al., 1998; Betts, 2001; 李洪权等， 2008)。 作为地球上分布最为广泛的植被类型之一，草地植被主要分 布于热带和温带地区 （ Ni,

30、 2004)。 中国温带草原区作为一个生态脆弱区，被认为 是世界上第三大草地分布区 （ Lee etal., 2002)， 温带草原区草地植被对区域气候 起到重要调节作用 （ Piaoetal., 2006)。 人类活动影响气候的最主要两个方面是温室气体的排放和土地利用 /覆被变 化 （ KalnayandCaiOCYangetal.JOC)。 由于大气 C 2等温 M气体含量升高 引起地表热量平衡发生变化，全球地表平均温度在近 130年上升了约 0.85C。 本 世纪末，温室气体的增加将使全球平均气温可能在目前基础上升高 0.3-4.8C (Field et al. IPCC， 2014)。

31、 全球大气增温表现 为夜间最低气温增速要快于白天最 高气温增速，从而导致昼夜温差下降 （ Karl etal. ,1991， 1993)。 这种大气平均温 在升高的同时，夜晚增温要快于白天增温的现象被称之为 “ 大气的不对称增温 ” (Karl etal. ,1991; Easterling, 1997; Liu etal. ,2004;王菱等， 2004;任国玉等， 2005;孙凤华等， 2008; Zhou et al.， 2009; Shen et al.， 2014)。 地温 （ ground/earth temperature)是地表面和地面以下不同深度处土壤温度的统称。全球气候变暖

32、情 景下，气温在升高的同时，地温也在升高。已有研宄发现，美国境内地温上升速 度要快于气温上升速度，气温和地温 （ l cm处）的增温趋势分别为 0.irC/10a和 0. 32C/10a， 地温上升速度接近于气温上升速度的 3倍 （ Hu and Feng， 2003)。 有关中国地温的的研宄同样发现，地温的升温速率要快于气温，这一现象在干旱 半干旱地区表现更为明显，且具有季节性差异（杜军等， 2007;陆晓波等， 2006; 符睿等， 2010)。全球增温情景下，气温呈现不对 称的增温；气温在升高的同时， 地温也在增加，且地温的升温速度要快于气温，呈现出一种地上和地下新的不对 6 第一章绪论

33、 称增温形式，我们称之为 “ 土壤与大气的不对称增温 ” （ Shenetal.， 2015c)。 土地利用 /覆被变化能够改变地表覆盖，工业革命以后，地表覆盖发生了大 范围变化 (Foley etal.， 2005)。由于过度放牧，全球占陆地 41%的草地发生了不同 程度退化 （ Lambin et al., 2001; Steinfeld et al., 2006)。在人类活动的影响下，中 国温带草原区土地利用 /覆被在最近几十年发生了重大变化，草地大面积被开垦 为农田，过度放牧及居民地扩张等使得草地发生严重退化 （ 李博， 1997;吕子君 等，2005; Chen etal.， 200

34、9; Wang etal.， 2009)。草地退化主要表现为草地植被的 低矮稀疏化，枯落物覆盖减少、地表裸露。草地植被的低矮稀疏化和枯落物减少， 能够改变地表反照率及土壤含水量，从而改变了地表热量平衡 （ Bettis， 2000; 冯超等， 2010;张果等， 2010)，影响着地表气温和地温 的变化。已有研宄发现 草地植被低矮稀疏化以后，生长季的平均土壤温度 （ 5cm处）要高出 3-4C (Song andetal.,2013);还有研宄指出，无枯落物覆盖草地生长季初期平均温度要高出 5-8C (Weaver etal.， 1952; Hurbert， 1969)。 由于人类过度放牧、割

35、草等引起的草 地退化持续加剧，退化对地表气温和地温的影响将持续存在。 全球增温情景下，地温增速快于气温增速，由于草地植被的退化，地温升高 加剧，促进了土壤与大气的不对称增温。作为影响土壤过程的重要生态因子，土 壤温度在 一定程度上能够决定生态系统的过程和功能 （ Field etal.， 1992; Lloyd et al.， 1994; Xiaetal.， 2010)。 由于植物的茎叶与根分别生长于地上和地下，茎叶 暴露于大气，受到气温升高的影响，而根生长于土壤，土壤增温的速度要快于气 温，土壤与大气的不对称增温模式将打破植物地上与地下对温度的适应关系。目 前，有关中国温带草原区草地植被退化

36、对气候的影响，尤其是对气温和地温所产 生的影响仍不明确。探宄草地退化引起气温与地温的变化及机理，对于预测区域 气候变化，及草地植被生长与气候相互 关系研宄具有重要意义，并能为草地植被 生产，生物多样性保护，物质循环及退化草地恢复等提供理论支持。 本研宄通过利用中国温带草原区植被及气象数据，开展了草原区植被与气 候相关关系研宄，同时依托位于中国科学院东北地理与农业生态研宄所长岭草地 农牧实验站，主要从立地尺度上，分析了退化草地气温和地温变化特征及其机理。 探宄草原区草地植被变化对区域气候的影响既能够完善植被与气候变化关系研 宄，又能够为缓解区域气候变化、草原区生态环境建设提供科学依据。 7 第一

37、章绪论 1.2研究进展 1.2.1气温和地温变化研宄进展 近百年来，全球气候变暖已经是公认的事实，大气 co2等温室气体浓度的 增加能够引起地表热量平衡变化，被是导致全球增温的主要原因。全球平均气温 在近150年上升了 0.76C， 气候变暖已成为全球关注的热点问题（王绍武等， 2005; IPCC， 2007)。全球气温增加有一个显著特点：平均温度在增加，但最低温度 增加速度快于最高温度增加速度，昼夜温差（最高温与最低温的温差）在减小； 最低气温升幅高于最高气温升幅的现象被称为气温的不对称增温 （ Karl et al.， 1991)。许多研宄表明，从 20世纪 50年代开始，全球大部分地区

38、最低气温升幅 高于最高气温升幅，从而导致昼夜温差 （ DTR)呈现下降趋势 （ Karletal， 1993; Easterling，1997; Liu et al.， 2004)，只在一些地区最低温升高而最高气温下降 (Karl et al.， 1993)。云量和降水变化能够对地表能量和水分平衡产生重要影响， 从而被广泛地认为是导致昼夜温差降低的原因 （ Karl et al.， 1993; Dai et al.， 1997, 1999; Stone and Weaver, 2002);例如云层能够通过降低白天到达地表的短波福射 来降低最高气温，并通过阻挡夜间反射的长波福射来增加最低气温 （ Dai et al.， 1997, 1999; Zhou et al., 2009);降水能够增加土壤水分含量，通过蒸发冷却，来 降低最高气温及昼夜温差 (Dai et al., 1999; Zhou et al., 2009);此外其它因素如大 气环流，温室气体，气