末次盛冰期巽他陸架海平面和植被變化對陸表碳通量影響的數(shù)值模擬研究

李金瀾，田軍

同濟大學海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

地球表層系統(tǒng)碳庫中，海洋碳儲量高達38000 PgC（1 PgC = 1 皮克（1015g）碳），占據(jù)全球碳庫的絕大部分，其中有700～1000 PgC儲存在表層海水中，這部分碳可與大氣碳庫（約780 PgC）發(fā)生直接交換，是全球碳循環(huán)的重要組成部分[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)是碳儲量最大的生物碳庫，包括植被生物量碳庫（植被地上、地下碳庫）和土壤碳庫兩大部分（圖1）。在數(shù)量上，現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)量（GPP）約為 120 PgC/a，通過植物自養(yǎng)呼吸返還到大氣中的碳（autotrophic respiration, AR）約為 59 PgC/a；剩余部分稱為凈初級生產(chǎn)量（NPP）, 通過植物組織脫落、死亡、可溶性有機物的根分泌等形式轉(zhuǎn)移到土壤中，當然，大部分的 NPP 也是會通過動物呼吸、微生物呼吸、揮發(fā)物排放等形式回到大氣中（圖1）。如果從碳循環(huán)的角度來考慮，大氣碳庫中每年都有大約15%～18%的碳進入到陸地生態(tài)系統(tǒng)（大氣碳庫約為780 PgC），再考慮到海洋碳庫也會與大氣進行碳交換，使得大氣中的碳每3～4年就會完全更新一次（1 除以每年交換的量），這是地球系統(tǒng)各大碳庫中流動最強的一部分碳。土壤碳庫的更新周期大約為 25 年,植被碳庫的更新周期大約為 10 年。事實上，植物的光合、呼吸作用過程充當了全球碳循環(huán)的驅(qū)動力。

圖1 1990s全球碳循環(huán)[1]單位：PgC或PgC/a。Fig.1 Global carbon cycle in the 1990s [1]Unit: PgC or PgC/a.

比如在現(xiàn)代的熱帶地區(qū)，孕育著全球約60%的植被生物量[2]，熱帶NPP占全球的50%以上[3]，僅占全球陸地面積7%～10%的熱帶森林在全球碳循環(huán)中的地位十分重要。亞馬遜熱帶雨林因此擁有“地球之肺”的稱號，其次是剛果雨林和東南亞雨林，它們的地上生物量均為亞馬遜雨林的一半左右[4]。除了地上生物量碳庫，土壤碳庫在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中一般占有更大的份量。熱帶雨林泥炭地儲存了約6億t的土壤碳[5]，是重要的陸地碳匯。在現(xiàn)代，陸地碳匯固定了大部分“去向不明”的大氣CO2，完整未受破壞的熱帶生物群落估計凈碳匯為1.1±0.3 PgC/a[6]。

冰期，東南亞雨林則尤為值得關注，因為如今的東南亞是“海洋性大陸”，爪哇島、馬來半島、蘇門答臘島、中南半島、婆羅洲等島嶼之間的水域有較大部分的水深不超過70 m[7]（圖2）；在海平面下降約120 m的盛冰期，巽他陸架的暴露可使得東南亞的陸地面積增加一倍。在這樣的情況下，東南亞是否是一個比現(xiàn)代更強的碳匯呢？當然，末次盛冰期的氣候狀態(tài)與現(xiàn)代相差很大，溫度和降水可能都有不同程度的降低[8]，植被分布可能與現(xiàn)代有所不同。目前關于末次盛冰期巽他陸架植被重建有很大爭議，不能確定其是否是被熱帶森林覆蓋或已經(jīng)演變成稀樹草原[9-13]。雖然不同類型的生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)過程和機理上具有一定的相似性，但它們的總初級生產(chǎn)量、呼吸強度、碳滯留時間和碳儲量等都具有很大的差異。比如，森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的碳密度差別很大。雖然目前暫未有直接計算或監(jiān)測大范圍陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量的方法，但仍可通過實地調(diào)查結(jié)合計算轉(zhuǎn)換的方法得到[14-15]。在中國，科學家們做了大量的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳密度數(shù)據(jù)的實地監(jiān)測和文獻搜集處理工作，并構(gòu)建了2010s中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳密度數(shù)據(jù)庫[16]。該數(shù)據(jù)庫有多達15610條數(shù)據(jù)，其中包括7927條植被生物量碳密度數(shù)據(jù)和7683條土壤有機碳數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫中，碳密度最高的生態(tài)系統(tǒng)是熱帶雨林，全國平均的森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度是草地生態(tài)系統(tǒng)碳密度的兩倍以上。森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的碳通量也有很大差別。日本于 2009 年發(fā)射的GOSAT衛(wèi)星的全球二氧化碳通量產(chǎn)品中，包括全球陸地生態(tài)系統(tǒng)表層碳通量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集表明熱帶雨林是全年陸表碳通量最大的區(qū)域，而非洲大陸的年均陸表碳通量較低是由于分布著廣泛的熱帶草原。不同類型的生態(tài)系統(tǒng)對氣候的反饋作用也有所區(qū)別，主要體現(xiàn)在地表反照率和蒸騰作用的差異上[17]。

圖2 巽他陸架地形與河流藍色虛線代表巽他陸架暴露后發(fā)育的河流[9,18]。地形數(shù)據(jù)來源：NOAA全球地形數(shù)據(jù)ETOPO1（doi:10.7289/V5C8276M）。原圖來自李金瀾等[19]。Fig.2 Topography and rivers in Southeast AsiaThe blue dotted line represents the rivers developed after the exposure of the Sunda Shelf[9,18]. Terrain data source: NOAA global terrain data etopo1(DOI: 10.7289 / v5c8276m). The picture is from LI Jinlan et al[19].

影響末次盛冰期碳循環(huán)的因子眾多，海平面下降導致巽他陸架陸地暴露面積增加可能是過去研究中的薄弱點。而且，由于末次盛冰期巽他陸架的植被分布記錄有限，一定程度上限制了巽他陸架的碳循環(huán)研究。因此，本研究試圖通過數(shù)值模擬方法，首先量化極端情形的海陸分布、植被分布對陸表碳通量的影響，再結(jié)合已有的植被重建證據(jù)，說明末次盛冰期巽他陸架海平面和植被變化在碳循環(huán)中的重要性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 CMIP5數(shù)據(jù)

在進行巽他陸架的數(shù)值試驗之前，本文分析了第5次國際耦合模式比較計劃（CMIP5）中全球地球系統(tǒng)模型的現(xiàn)代控制試驗（PI試驗）、末次盛冰期試驗（LGM試驗）的模擬結(jié)果。該分析的目的是：首先，從數(shù)值模型的角度評估末次盛冰期全球氣候條件變化、森林面積變化對陸地-大氣碳交換的潛在貢獻；其次，與本研究陸面模型的模擬結(jié)果進行比較、驗證。

在CMIP5中，共有9個模式進行了LGM全球試驗，但本研究僅對包含了完整碳循環(huán)模塊的地球系統(tǒng)模式的模擬結(jié)果進行了分析，它們分別是德國的MPI-ESM-P模式、日本的MIROC-ESM模式、法國的IPSL-CM5A-LR模式。因為在物理氣候系統(tǒng)模式中，大氣CO2是作為模式固定不變的外強迫，所以在植被初始場相同或差別不大的情況下，我們無法從物理氣候系統(tǒng)模式的輸出結(jié)果中，判斷不同模式模擬出的物理場差異是否是由植被不同所引起的。但在包含碳循環(huán)的地球系統(tǒng)模式中，大氣CO2是作為模式的預報量，不管陸面模式中嵌入的是靜態(tài)植被模型還是動態(tài)植被模型，模式中的陸地、大氣、海洋三者之間的碳通量都是時刻變化的，各個模式分量也是動態(tài)的。以上地球系統(tǒng)模式輸出數(shù)據(jù)由地球系統(tǒng)網(wǎng)格聯(lián)合會（The Earth System Grid Federation, ESGF）提供。對比評估結(jié)果見3.1。

1.2 模型介紹

本研究使用美國國家大氣研究中心（NCAR）的通用陸面模型（community land model, CLM4）和河流運輸模型（river transport model, RTM）的耦合版本，大氣模塊為1948—1972年的氣象數(shù)據(jù)，對陸面模型進行循環(huán)驅(qū)動[20]。CLM4是全球模型，本文選取了模式的中等分辨率版本，大氣和陸面模塊有著相同的網(wǎng)格配置，空間水平分辨率為1.9°×2.5°，陸面垂直方向上共有15層。為節(jié)約計算成本，本研究暫不考慮海洋、海冰、陸冰模塊分量，為滿足地球系統(tǒng)模型（CESM1.2.1）的接口要求，這些模塊分量均使用“存根”版（stub）。

關于碳循環(huán)的模擬，CLM4中耦合的陸地生物地球化學模型Biome-BGC（4.1.2版本）[21-22]，可對陸地碳、氮循環(huán)進行完全預測性處理。但是，該模型沒有考慮地下土壤碳庫。對地面植物覆蓋的劃分，CLM4中采用的是植物功能型（plant functional type，PFT）的概念。植物功能型是一個植物集，實際是將功能相同或相近的植物物種劃分為一種植物功能型。不同植物功能型具有不同的莖葉光學特性、光合參數(shù)等，這些特性決定了它們對太陽輻射的吸收、反射和透射的效果不同，在光合作用、蒸騰作用和氣孔張度等方面也會有所區(qū)別。CLM4中共有15種植物功能型，其中熱帶地區(qū)主要包括熱帶常綠闊葉林、熱帶落葉闊葉林、C3草本植物和C4草本植物。除此之外，CLM4中還定義了“裸土”覆蓋類型，與植物功能型一起組合成單元網(wǎng)格/次網(wǎng)格內(nèi)的陸地覆蓋。

1.3 試驗設置

由于影響末次盛冰期碳循環(huán)、陸表碳通量的因子眾多，本研究的重點在于揭示巽他陸架暴露引起的植被變化對陸表碳通量的單獨作用效果，所以除了植被和東南亞的海陸分布外，其他如冰蓋、地形等均采用1850年控制試驗的標準，大氣二氧化碳含量固定在工業(yè)革命前期水平，為284.7 ×10-6。大氣強迫則采用QIAN等制作的數(shù)據(jù)（1948—1979年）對CLM4進行循環(huán)驅(qū)動，其中包括太陽輻射、降水、氣溫、風速、氣壓等[20]。

本研究設計了如下4個試驗（表1）。首先，在1850_XX和lgm_XX實驗中，東南亞地區(qū)的海陸分布分別設置為現(xiàn)代情形、LGM情形（海平面降低120 m），其他區(qū)域默認為現(xiàn)代的海陸分布；因此兩者對比得到的是巽他陸架暴露引起的陸表碳通量變化。另外，在XX_tree和XX_grass實驗中，分別把東南亞全區(qū)的植被設置為熱帶常綠闊葉林、C4草原，其他區(qū)域植被均由默認的MODIS數(shù)據(jù)提供。后者（植被敏感試驗）的設置之所以使用全區(qū)雨林、全區(qū)C4草原兩種極端情形，不僅是基于目前巽他陸架植被重建結(jié)果的爭議，而且還因為熱帶雨林、熱帶草原生態(tài)系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)在末次盛冰期巽他陸架上，這是兩種碳密度相差最大的生態(tài)系統(tǒng)，兩種極端化的植被分布情形將給出巽他陸架植被對陸表碳通量的最大影響范圍。而常綠闊葉林和C4草本植物的選擇，則綜合考慮了模型中的植被分類以及LGM時期巽他陸架可能存在的水熱條件。本文采用的4個試驗結(jié)果，均基于平衡調(diào)整后的30模式年平均數(shù)據(jù)進行分析。

表1 敏感試驗設計方案Table 1 Experimental design

2 結(jié)果

2.1 巽他陸地碳庫末次盛冰期模擬的可行性分析

通過利用MPI-ESM-P模式、MIROC-ESM模式、IPSL-CM5A-LR模式試驗結(jié)果的診斷分析，本文從數(shù)值模型角度評估末次盛冰期全球氣候條件變化、森林面積變化對陸表碳通量的潛在貢獻。主要采取兩種比較手段：第一種比較是模式自身的PI試驗和LGM試驗的對比。PI試驗即模式的控制試驗（將溫室氣體、臭氧、氣溶膠和太陽常數(shù)固定在1850年的基礎上循環(huán)積分，代表沒有人類活動影響下的現(xiàn)代強迫條件），其結(jié)果常用來與氣象要素的現(xiàn)代觀測結(jié)果進行比較，以評估模式自身的誤差或可靠性；而LGM試驗與PI試驗的不同之處在于，LGM試驗采用的是末次盛冰期的外強迫條件，其輸出結(jié)果通常需要與PI試驗進行比較，以得出末次盛冰期的氣候條件在該模式中起到的貢獻。第二種比較是不同模式之間的橫向?qū)Ρ?，可考察不同的植被類型、不同的參?shù)化方案等對陸地碳循環(huán)的影響。

陸地總初級生產(chǎn)量（GPP）是大氣碳進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的最主要途徑，也是衡量陸地-大氣之間碳交換的重要指標。在MPI-ESM-P、IPSL-CM5A-LR 、MIROC-ESM這3個模式的PI試驗中，它們所模擬的全球陸地GPP總和都大致與現(xiàn)代相當（現(xiàn)代約120 PgC/a，工業(yè)革命前期比現(xiàn)代稍?。?，且末次盛冰期的總初級生產(chǎn)量都要比現(xiàn)代低（圖3），這與其他非數(shù)值模擬手段對碳循環(huán)的研究結(jié)果相符[1]。與許多研究結(jié)果一樣，溫度和降水是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量的最主要因素[23-24]，在數(shù)值模式中也有這樣的體現(xiàn)，比如IPSL-CM5A_LR模式所模擬的現(xiàn)代GPP總和要比其余兩個模式稍高，對應該模式中較高的降水量；而且IPSL-CM5A_LR模式所模擬的末次盛冰期GPP和現(xiàn)代GPP差距最大，這也對應著該模式的末次盛冰期降水量相對現(xiàn)代降低最多。

圖3 3個地球系統(tǒng)模式的LGM和PI試驗對全球陸地總初級生產(chǎn)量GPP的模擬結(jié)果單位：PgC/a。Fig.3 Simulated global terrestrial gross primary production by MPI-ESM-P, IPSL-CM5A-LR, and MIROC-ESM, respectively Unit: PgC/a.

在診斷巽他陸架對陸表碳通量的潛在貢獻上，我們選取東經(jīng)95°至130°、南緯10°至北緯20°區(qū)域作為分析范圍（以下稱此區(qū)域為東南亞）。表2展示了東南亞區(qū)域的陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP以及它在全球GPP所占的比例；表3和表4分別展示的是東南亞森林面積、草地面積及在全球森林面積中所占的比例（該區(qū)域的植被類型大致只有森林和草原兩種）?？梢钥闯?，在這3個地球系統(tǒng)模式的LGM試驗中，東南亞區(qū)域的陸地GPP總和都要比PI的高，而且由于末次盛冰期的全球GPP總和比現(xiàn)代更低，因此末次盛冰期東南亞區(qū)域在對全球GPP的貢獻上具有更重要的地位。而且在這3個地球系統(tǒng)模式的LGM試驗中，東南亞區(qū)域的溫度、降水都是降低的，因此該區(qū)域之所以能夠有更大份量的GPP，極有可能是由于陸地面積增大的緣故。比較IPSLCM5A-LR模式與其他兩個模式，可以發(fā)現(xiàn)IPSLCM5A-LR模式的LGM試驗與PI試驗模擬的東南亞GPP差異最大，這是因為該模式的LGM試驗中森林和草原面積都增大得最多，這也說明陸地面積增加會導致陸地-大氣碳交換增加。

表2 東南亞陸地GPP總和及其占全球的比例Table 2 Terrestrial GPP in Southeast Asia and its proportion in the world PgC/a

表3 東南亞森林面積總和 及其占全球的比例Table 3 Total forest area in Southeast Asia and its proportion in the world 1014 m2

表4 東南亞草地面積總和及其占全球的比例Table 4 Total grassland area in Southeast Asia and its proportion in the world 1013 m2

通過對3個地球系統(tǒng)模式的陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量進行比對分析，基本可以認為植被變化、陸地面積變化會導致陸地-大氣碳交換量的變化。當然，關于植被分布和生產(chǎn)量的考慮，只不過是為陸表碳通量、碳循環(huán)的研究提供參考。要明確知道末次盛冰期巽他陸架在碳循環(huán)中扮演的角色，就必須定量分析陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的凈碳交換量是多少，這樣才能判斷它在大氣碳庫中究竟扮演碳源還是碳匯的角色。

基于以上分析結(jié)果，本研究利用數(shù)值模擬手段，對末次盛冰期巽他陸架的植被分布做出極端化假設，即考慮全區(qū)闊葉林和全區(qū)C4草本植物兩種情況，以量化末次盛冰期巽他陸架對陸表碳通量的影響范圍，再在這些試驗的基礎上，參考有限的地質(zhì)記錄做出具體說明。

2.2 末次盛冰期巽他陸架海平面和植被變化對陸地生產(chǎn)量的影響

表5展示了4個試驗的陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量輸出結(jié)果。從數(shù)值上來看，模擬的全球陸地GPP總和大致與現(xiàn)代相當，即現(xiàn)代約120 PgC/a，工業(yè)革命前期比現(xiàn)代稍小，也與上文所述3個地球系統(tǒng)模式MPI-ESM-P、IPSL-CM5A-LR 、MIROC-ESM的PI試驗結(jié)果大致相同，說明本文的試驗設計方案沒有對模式的穩(wěn)定性造成影響，NPP與GPP的比值也比較恒定。

分別對比巽他陸架暴露前后的植被敏感試驗，可以看出：1850_tree的全球總初級生產(chǎn)量、全球凈初級生產(chǎn)量都比1850_grass的大，而lgm_tree的全球總初級生產(chǎn)量、全球凈初級生產(chǎn)量都比lgm_grass的大（表5），造成這種差異的主要原因是東南亞區(qū)域的植被變化。東南亞陸地覆蓋為熱帶闊葉常綠林時，對全球碳循環(huán)的貢獻比陸地覆蓋為熱帶草原時要更大一些（表5），這與我們目前對這兩種生態(tài)系統(tǒng)的碳通量觀測結(jié)果相符合。同時，對比表5中l(wèi)gm_grass和1850_tree的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)這兩個試驗的全球GPP和NPP總和相當，也就是說，當巽他陸架完全暴露，即使其全部為草原覆蓋，東南亞的陸地生產(chǎn)量也與現(xiàn)代全為熱帶森林覆蓋時相當，在全球碳循環(huán)中的地位不容小覷。當然，若是森林覆蓋，巽他陸架暴露導致的東南亞在全球碳循環(huán)中扮演的角色會更加重要。

表5 4個敏感試驗的GPP、NPP比較Table 5 Comparison of GPP and NPP in four sensitivity tests PgC/a

從空間分布上來看，不論巽他陸架是否暴露，在XX_tree與XX_grass兩個實驗中，陸地總生產(chǎn)量差異（△GPP）最大值出現(xiàn)在赤道外的熱帶地區(qū)，如中南半島；而凈初級生產(chǎn)量差異（△NPP）的最大值出現(xiàn)在赤道附近區(qū)域（圖4）。根據(jù)GPP = NPP +AR（呼吸作用），△GPP、△NPP的地區(qū)差異是由呼吸作用差異導致的，具體表現(xiàn)為：在赤道附近，闊葉林、草原都具有極強的呼吸作用，但在赤道外的熱帶區(qū)域，闊葉林的呼吸作用比草原更強；而呼吸作用的地區(qū)差異與植被類型、氣象條件（如溫度、降水）有關。

圖4 1850_tree與1850_grass的GPP（a）、NPP（b）之差，lgm_tree與lgm_grass的GPP（c）、NPP（d）之差單位：gC·m-2·s-1。Fig.4 The differences of (a) GPP and (b) NPP between 1850_tree and 1850_grass, the differences of (c) GPP and(d) NPP between lgm_tree and lgm_grass Unit: gC·m-2·s-1.

2.3 末次盛冰期巽他陸架海平面和植被變化對陸表碳通量的影響

在碳循環(huán)研究上，除了對植物生產(chǎn)量的考慮外，我們還想定量地知道陸地-大氣之間的凈碳交換量（net ecosystem exchange, NEE），以明確巽他陸架在碳循環(huán)中扮演的角色；同時，陸表碳通量的空間分布情況也是我們想了解的，這對于揭示影響碳循環(huán)的機理尤為重要。

在CLM4模式中，與凈碳通量相關的變量主要有凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量（Net Ecosystem Exchange of carbon, NEE）、凈 生 物 群 系 生 產(chǎn) 量（Net Biome Production, NBP）、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量（net ecosystem production, NEP）。其中，NEE是陸地和大氣之間的凈碳交換量，是最直觀的，包括所有碳收益和損失過程的凈碳交換量，NEE的正、負值分別表明其充當大氣碳匯、碳源；NEP是生態(tài)系統(tǒng)中碳的凈積累，是總初級生產(chǎn)量GPP減去生態(tài)系統(tǒng)呼吸（total ecosystem respiration, ER）所消耗的光合產(chǎn)物，但不包括人類活動導致的碳損失等；而NBP是除去各類自然和人為干擾等非生物呼吸過程碳交換后所剩的部分，在絕對數(shù)值上與NEE相等。

理論上，通過對NEE或NBP進行計算，就可以定量得出巽他陸架的植被變化、陸地面積變化究竟會對大氣CO2濃度產(chǎn)生何種影響。但是，可能由于CESM模式的PI試驗對森林、草原兩種植物功能型在人類耕種、土地利用等方面處理方式的不同，這兩組敏感試驗結(jié)果的全球NBP總和出現(xiàn)了“XX_tree”變?yōu)樨摂?shù)（大氣碳源/向大氣釋放CO2）、而“XX_grass”為正數(shù)（大氣碳匯/吸收大氣CO2）的情況（表6）；根據(jù)現(xiàn)代森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力推測，可以認為這并非是自然狀態(tài)下會出現(xiàn)的情形。因此，考慮到本研究的核心是探討距今2萬年之前的末次盛冰期時的巽他陸架，在沒有人類活動影響的條件下，我們認為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量（NEP）是一個更適合用于定量研究“末次盛冰期巽他陸架陸-氣碳通量”的指標。

表6 4個敏感試驗的NBP、NEP比較Table 6 Comparison of NBP and NEP in four sensitivity tests PgC/a

從表6的各敏感試驗的NEP比較中可以看到，lgm_tree的NEP 大 于1850_tree 的NEP，lgm_grass的NEP大于1850_grass的NEP。這說明當植被類型未發(fā)生改變時，末次盛冰期巽他陸架的暴露（植被覆蓋面積增加）會使得東南亞陸表碳通量增加。同理，1850_tree的NEP大于1850_grass的NEP、lgm_tree的NEP大于lgm_grass的NEP，說明陸地面積相同時，森林生態(tài)系統(tǒng)對陸表碳通量的影響比草原生態(tài)系統(tǒng)更加顯著，這符合目前對這兩種生態(tài)系統(tǒng)的碳通量觀測結(jié)果。假設現(xiàn)代東南亞的植被分布和1850_tree相同，那么在末次盛冰期巽他陸架暴露后、東南亞全區(qū)為闊葉林覆蓋的情況下，東南亞的碳匯能力增強約0.16 PgC/a；如果東南亞全區(qū)為草原覆蓋，則東南亞的碳匯能力減弱約0.12 PgC/a。

從凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量（NEP）的空間分布上來看，同樣發(fā)現(xiàn)，赤道附近的NEP相比稍微遠離赤道的中南半島等地的NEP要?。▓D5a），這是由于赤道附近生態(tài)系統(tǒng)中極高的呼吸消耗，而熱帶地區(qū)的這種強呼吸作用可能受到溫度控制。因此，在末次盛冰期比現(xiàn)代更冷的氣候條件下，巽他陸架是否就有可能成為一個更大的大氣碳匯？同時，由于兩種植被類型下的NEP有所區(qū)別（圖5b），但差別最大的地方出現(xiàn)在緯度稍高而溫度稍低的中南半島，而不是在赤道附近。因此，在比現(xiàn)代更冷的末次盛冰期，巽他陸架植被類型的改變對碳循環(huán)的影響力是否會更加顯著？這些問題在本文的敏感試驗中暫時無法解答，但在未來的耦合試驗中我們可以進一步思考，或者可以針對此問題進行溫度敏感試驗。

圖5 1850_tree的NEP（a），1850_tree與1850_grass的NEP之差（b）單位：gC·m-2·s-1。Fig.5 (a) Simulated NEP in the 1850_tree experiment, (b) the differences of NEP between 1850_tree and 1850_grass Unit: gC·m-2·s-1.

2.4 模擬結(jié)果與孢粉化石記錄對比

本研究假設了兩種相對極端的植被分布情形，定量分析了末次盛冰期巽他陸架植被變化、陸地面積增加引起的陸表碳通量變化。值得注意的是，真實氣候條件下末次盛冰期巽他陸架的陸表碳通量是諸多因素耦合作用下的綜合結(jié)果，而本文通過敏感試驗對比分析得出的這些數(shù)值并不代表末次盛冰期真實氣候條件下的陸表碳通量變化，僅代表著植被、陸地面積這兩個因素單獨作用的效果。我們的試驗結(jié)果表明，植被變化和陸地面積變化都會影響末次盛冰期東南亞的陸表碳通量。

盡管此前對于末次盛冰期巽他陸架的植被分布有所爭議，但在蘇門答臘、馬來半島、婆羅洲等現(xiàn)代島嶼上，孢粉化石記錄都較為明確地指示，即使在末次盛冰期熱帶森林沒有減少，低地雨林孢粉成分在末次冰期仍占主要地位，而禾本科花粉只在澳洲北部明顯增多[25]。戴璐等[25]從植物學角度分析了全球各地影響薩瓦納草原發(fā)育的氣候因素，指出降水量對薩瓦納分布的主導作用，包括年均降水量和降水量的季節(jié)變化；冰期禾本科花粉明顯增多的區(qū)域，就是以現(xiàn)代降水季節(jié)性強的區(qū)域為中心擴張。而現(xiàn)代Sunda-Sahul陸架的薩瓦納草原只有在澳洲北部才出現(xiàn)，在低緯度地區(qū)是不存在的[26]，這也為冰期巽他陸架沒有出現(xiàn)草原擴張?zhí)峁┝俗糇C。因此，結(jié)合本研究的CLM4數(shù)值模擬分析結(jié)果，認為末次盛冰期巽他陸架暴露會使得東南亞的碳匯能力增強約0.16 PgC/a，可能使得巽他陸架成為末次盛冰期的又一個“地球之肺”，在全球大氣二氧化碳濃度的冰期-間冰期旋回中扮演著重要角色。

3 結(jié)論和展望

本研究利用CLM4模型探討了巽他陸架海平面變化、植被變化兩個因素對陸表碳通量的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：末次盛冰期巽他陸架的暴露、植被分布的變化都會顯著影響陸表碳通量。結(jié)合已有的孢粉化石證據(jù)，當末次盛冰期暴露的巽他陸架被熱帶雨林覆蓋，這些植被變化會通過影響陸表碳交換使得東南亞的碳匯能力比現(xiàn)代增強約0.16 PgC/a，與冰期陸地的碳源角色相反。

本研究進行的敏感試驗是大氣數(shù)據(jù)對陸地模型的循環(huán)驅(qū)動，不包含陸地對大氣的反饋，因此基于本研究的數(shù)值試驗，只能分析末次盛冰期巽他陸架暴露導致的陸地面積變化、植被變化這兩個因素對陸表碳通量的獨立作用結(jié)果，而無法分析碳循環(huán)對大氣的反饋過程。此外，受土壤碳循環(huán)參數(shù)化及模型開發(fā)的限制，本研究只關注了陸面和大氣的碳交換。因此，未來還需要開展全耦合模型的數(shù)值模擬研究。