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研究方向

陆地生态系统碳循环

论文题目

中国土壤有机碳动态模拟及其对气候变化和典型人类活动的响应

中文摘要

土壤有机碳（SOC）是生态系统物质循环最重要的基础物质之一，同时也是土壤质量与健康的重要指标。作为陆地生态系统中最大的有机碳库，SOC动态对全球气候变化具有显著影响。随着上世纪以来生态恢复工程的广泛开展，我国植被覆盖状况得到了显著改善。科学解析变化环境下我国SOC动态及其驱动机制对于应对气候变化、保障粮食安全、维护生态安全与可持续发展具有十分重要的理论与现实意义。本研究在明晰SOC植被物源变化特征基础上，构建了能够模拟我国不同时期SOC空间分布特征的机器学习模型，评估了近几十年来我国不同土壤深度有机碳库的时空演变特征并量化了不同驱动因素的贡献；以典型生态恢复区黄土高原为例，通过引入激发效应改进SOC形成周转通用框架构建SOC过程模型，量化了典型人类活动（生态恢复工程）和升温对SOC动态的影响；结合气候情景，预估未来我国表层SOC库的演变特征，并预测能维持SOC稳定所需的额外植被碳输入。本研究取得的主要结论如下：

（1）使用CASA模型解析了中国1982~2018年SOC植被物源（净初级生产力NPP）的时空动态，并通过多种途径系统评估了模拟结果的精度和可靠性。研究结果表明，模拟值与地面点位观测资料吻合度较好（R²=0.70）且与大部分陆地生物圈模型（TBMs）趋势显著一致，模拟的NPP量级（3.53 Pg C）与同期13个TBMs的集成均值（3.41 Pg C）相当。研究期间，我国NPP整体呈增加态势，增速约为15.11 Tg C·yr^–1，但伴随着较大的年际波动，湿润区主导着其年际波动。

（2）利用时序样本分割方案构建并系统验证了具有时空变异模拟能力的SOC机器学习模型，并模拟了1980s、2000s和2010s我国土壤表层20 cm（SOC₂₀）和100 cm（SOC₁₀₀）有机碳空间分布格局。验证结果表明，构建的机器学习模型在模拟中国两个土层有机碳方面具有稳健的时空拓展模拟能力，对两个土层所有观测样本时空变异的解释度均超过0.80（R²>0.80）。通过系统对比验证了模型在不同时空尺度上模拟结果的可靠性和空间分布方面的合理性。我国SOC₁₀₀在最近时段（2000~2014年）的储量为80.68 ± 3.49 Pg C，其中42.6%（34.37 ± 1.47 Pg C）储存在表层20 cm土壤中。自1980s以来我国SOC整体呈现增加趋势，SOC₁₀₀增速约为30.80 ± 12.37 g C·m^–2·yr^–1，但2000s至2010s的SOC变化展现出了明显的空间分异，SOC明显增加的区域主要分布于东北、内蒙古、华北、东南、黄土高原以及青藏高原西部，而西南和华南是SOC主要减少区。

（3）针对最近两个时期（2000s和2010s）的析因模拟实验表明，气候变化对我国SOC₂₀和SOC₁₀₀动态的贡献最大，其相对贡献率分别为48.5%和37.14%，暖干化对我国整体SOC有负面影响。随着土壤深度的增加，气候变化的影响逐渐减弱，植被生长的影响逐渐增强。植被生长对SOC₁₀₀动态的相对贡献（30.49%）约为其对SOC₂₀相对贡献（17.32%）的1.76倍。SOC₁₀₀随森林冠层高度的升高而增加，表明国家尺度上成熟森林深层土壤具有重要的碳汇功能，该发现挑战了以往认为植被成熟后其SOC将趋于稳态的认识。此外，本研究发现单一因素类对SOC动态的影响有限，其动态更多地受控于多种因素的复合影响，尤其是对深层土壤而言。气候和环境（氮肥、CO₂及氮沉降）变化的复合影响控制了46.4%区域SOC₂₀动态，气候和植被的复合影响主导了46.51%区域SOC₁₀₀的动态。自1980s以来，中国农田SOC₂₀以23.6 ± 7.6 g C·m^–2·yr^–1的速率增加，广泛施用的氮肥或是重要的刺激因素，尤其以华北、东南、华中和西南地区的农田为甚。

（4）过程模型模拟结果表明，1982~2017年黄土高原生态恢复区SOC₁₀₀储量增加了20.18 Tg C，其中大部分增量（15.83 Tg C）发生在退耕还林还草工程实施后。植被恢复的正向贡献为16.12 Tg C，升温导致的SOC损失约为0.29 Tg C。在造林后的70年内，黄土高原SOC₂₀的增速可能高达24.68 g C·m^–2·yr^–1。此后由于成熟林区域物源输入维持稳定，而升温导致的土壤碳分解速率增强，故成熟林SOC存在损失风险，文献整合分析进一步验证了上述现象。野外采样分析结果表明，不同土壤环境指标随着生态恢复发生了明显改变。不同深度SOC及其不同组分随退耕年限而增加，但各组分之间的比例在时间尺度上相对稳定，草地各土层平均活性有机碳：缓效有机碳：惰性有机碳约为1：1.96(0~100 cm)2.65(0~20 cm) 1.56(20~100cm)：10.15(0~100 cm)14.49(0~20 cm) 7.70(20~100 cm)，林地各土层对应比例为1：1.93(0~100 cm)2.32(0~20 cm) 1.69(20~100cm)：17.91(0~100 cm)17.91(0~20 cm) 10.81(20~100 cm)，该比例对于土壤碳过程模型的优化具有重要参考价值。退耕后草地土壤C：N基本稳定，但林地可能由于低质量残体输入和微生物氮素竞争导致其土壤C：N随着生长年限呈极显著（p<0.001）增加，说明研究区生态恢复后期土壤存在氮元素养分亏缺的风险，这在一定程度上解释了在生态恢复的后期（>70年），即使存在CO₂施肥效应，林地生态系统生产力也并没有持续增加的现象。

（5）对未来不同气候轨迹下中国SOC₂₀的模拟结果表明，在代表性浓度路径8.5（RCP8.5）情景下，21世纪末期，升温可能会使我国SOC₂₀储量减少605.3 Tg C（1.72%）。然而，未来降水量的增加无法抵消升温对SOC₂₀储量的负面影响。在2030s、2060s和2090s，分别需要18.5%、38.0%和46.5%的额外植被碳源输入，才足以抵消RCP8.5情景下气候变化导致的SOC₂₀损失。利用地球系统模式（ESMs）预测的未来NPP数据开展模拟表明， NPP的增加可以缓解气候变暖对SOC₂₀的负面影响，在2090s，SOC₂₀在RCP4.5和8.5情景下可能会略有增加。尽管如此，SOC₂₀的未来动态表现出明显的空间分异，初始水平较高的地区，特别是东北地区和西南与青藏高原之间的毗连区，具有较高的土壤碳损失风险。

答

辩

安

排

答辩时间

2023年5月 28 日 上午08:30开始

答辩地点

西安交通大学西部科技创新港19号楼3036室

答辩秘书

赵富波

手机号码

工作单位

西安交通大学

答辩评委

评委人数

姓名

职称/是否博导

工作单位

1

王文科

教授是

长安大学

答辩主席

2

杨大文

教授是

清华大学

3

连炎清

教授是

河海大学

4

陈 喜

教授是

天津大学

5

刘曙光

教授是

中南林业科技大学