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陆地生态系统以其净初级生产力（net primary production，NPP）带来的可观碳吸收和蒸散(evapotranspiration, ET)形成的巨大水文效应，在全球碳循环和水循环中发挥重要作用。从植物到整个陆地生物圈的多个尺度上，初级生产力都和蒸散过程在紧密耦合，同时二者又受到温度，降水和大气二氧化碳(CO2)浓度等多个环境因素的控制。最近，政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）评估报告表明，21世纪人类活动引起辐射强迫的增加，将加剧气候变暖，并通过改变频率，持续时间等降水特征，以及洪水和干旱的强度加速全球水文循环。虽然全球变化对碳循环和水循环的潜在影响已备受关注，但关于气候变化和不断上升的大气CO2浓度对NPP和ET的影响，碳-水通量的关键组分，以及水分利用效率(water useefficiency，WUE)所代表的碳-水通量的相互作用的定量研究还有待系统开展。在本研究中，WUE被定义为陆地生态系统NPP和以ET途径损失水量的比例，以反映水与生态系统生产力之间的密切互动。本文的总体目标是评估21世纪最初十年全球陆地生态系统NPP，ET和WUE，并明确全球NPP，ET和WUE在21世纪后90年内对预设的气候变化和CO2浓度升高的潜在响应。 为实现以上研究目标，本研究采用陆地生态系统动态模型(Dynamic LandEcosystem Model，DLEM)，基于网格化（0.5°×0.5°纬度/经度）的历史数据集（包括历史气候数据，大气CO2浓度，氮沉降，对流层臭氧，和土地覆盖和土地利用变化）和两个IPCC未来情景（A2和B1，即高温室气体排放情景和低排放情景）预计的气候变化和大气CO2浓度数据进行模拟。本研究中，对DLEM的NPP和ET模拟，采用森林、农田和草地等主要生物群落的定位观测数据进行了验证;在区域和全球尺度上DLEM模型模拟NPP也采用了基于生态系统分类的区域尺度NPP估算值和MODIS卫星得到的NPP估值进行验证。本研究同时采用基于MODIS卫星的全球ET估值对DLEM模型模拟全球ET进行了验证。这些验证和评价工作表明，DLEM模型在站点尺度和全球尺度上均能够较好地模拟陆地生态系统NPP和ET的大小及时空变异。从本论文得出的主要结果和结论包括以下几个方面: 首先，在综合考虑包括气候，大气中CO2浓度，氮沉降，对流层臭氧，土地覆盖和土地利用变化等多个环境因素的基础上，DLEM模拟得出在21世纪的第一个十年中，全球陆地植被NPP达到54.57Pg Cyr-1。在21世纪气候变化将使得A2情景下全球NPP降低4.6％，或在B1情景下NPP略为提高(2.2％)。在全球变暖的背景下，全球生态系统NPP首先会上升，然后在全球增温超过1.5℃后下降，这一结果也证明了《哥本哈根协议》(2009)提出的将全球气温升幅控制在2℃以内的合理性。此外，这些结果也支持该协议所确认并呼吁的内容，即2℃的控制目标可能仍然不够，以及在2015年完成对气温升幅控制在1.5℃以内的必要性进行评估。北半球高纬度地区(60°N-90°N)陆地生态系统NPP将得益于气候变化，但在低纬度地区(30°S-30°N)和美国中部，气候变化将导致生态系统NPP的下降。DLEM模型同时模拟得出在气候变化和CO2浓度升高背景下，CO2施肥效应会提高全球生产力，即:到本世纪末，NPP在B1情景下将上升12％，而在A2情景下将提高13.9％。然而，生态系统，特别是热带生态系统，对大气CO2浓度升高的响应不仅非常复杂，而且带有巨大不确定性。DLEM模拟得到的CO2单位施肥效应（即CO2升高1ppm时NPP的变化）预计将快速提高并在本世纪70年代达到稳定，而在本世纪80年代末期开始下降，这可能是由于CO2驯化和营养的限制。与低排放情景相比，在A2情景下，全球NPP将具有以更显著的空间变异，更复杂的时间动态，不同生物群落对全球变化响应的更大差异性，以及气候和CO2浓度的影响及反作用效应的加剧为特点的巨大不确定性，因而高排放情景下地球生态系统的未来将变得更加不利和难以预测。 其次，模拟结果显示，21世纪的前10年全球陆地ET约为549(545-552)mmyr-1。DLEM模拟表明，ET大幅年际变异与ET的最大的降幅发生在相同时期，即除2001年以外的其他降水较少的年份（包括2002、2003、2005年）;而作为对气温升高，降水增加和大气中CO2浓度上升的响应，ET在未来将增高。从2010年到本世纪末，全球ET均值将在A2和B1情景下分别增至579±23.7mmyr-1和562±10.0mmyr-1。伴随着气候变化和大气CO2浓度升高，在两种情景下ET预测值都展现出显著的上升趋势(P＜0.01)。在A2和B1情景下，全球ET预期将比21世纪初分别升高5.6％和2.4％。与本世纪初相比，大约全球60％的陆地的ET增速在A2情景下将超过0.14mmyr-1。由于北极地区气候变暖更快，其ET增幅(16％)也为全球最高。ET的下降将主要发生在中亚和西亚，北非，澳大利亚，南美洲东部和格陵兰岛等地区。本研究采用因子模型模拟的方法，定量分析了气候变化和大气CO2浓度升高对ET变化的贡献。结果表明，气候的变动带来了了ET的时间变异，气温升高造成了ET的上升趋势。而在CO2浓度上升对世界各地的植物气孔导度和植物生长的抵消作用下，CO2浓度升高将使得全球ET的降低。 第三，模型结果显示，未来气候变化将降低全球WUE。到本世纪末，WUE在低排放的B1情景下将降低2.1％，而在高排放的A2情景下则会降低16.3％。但是，考虑到CO2浓度升高和气候变化的共同影响，两个气候变化情景下的全球WUE都相应提高。WUE对气候变化的响应因纬度不同有所差异:在高纬度表现为显著升高，而在低纬度地区则急剧下降。A2气候情景导致的全球WUE的降低，意味着全球持续增温将降低陆地生态系统初级生产力，但在同时增加水分损失。相反的，B1情景下的气温、降水和大气CO2浓度的轻微变化将增加生态系统碳吸收，降低水分损失，并最终提高WUE。在低纬度地区WUE的降低表明，未来气候变化和大气CO2浓度升高的背景下，营养限制可能是在热带地区生态系统的主导限制因素。 在气候变化相关政策和减缓和适应气候变化策略方面，本研究提出以下见解:1.当增温幅度超过1.5℃时，全球陆地植被NPP将开始下降，这意味着即使在哥本哈根协议的气候变化控制目标(2.0℃)下，生物圈为人们提供食物、纤维、木材、淡水和生物质燃料的能力仍然会遭到破坏。为了避免这种情况，气候变化政策应促进温室气体低排放情景的实现。2009年《哥本哈根协议》确认保持全球增温低于2℃的目标可能仍然不够，并呼吁在2015年完成对将全球平均气温升幅控制在1.5℃以内的必要性的评估。本研究的结果也支持了《哥本哈根协议》这一论断。 2.我们的研究结果表明，在本世纪内，较高的ET/PPT（降水）比值将显著影响淡水供应，这一影响在在水资源稀缺的干旱和半干旱环境下将尤为突出。我们的研究结果进一步表明，到本世纪晚期，ET/PPT比值的最大增幅将发生在非洲。目前，非洲44％以上的人口仍缺乏清洁可靠的水资源供给保障。而整个非洲人口的不断增长将导致水的消费水平进一步上升，进一步造成这些地区严重缺水。另外，大多数中低纬度地区的ET/PPT比值显示，与当前降水的60％以ET返回大气相比，21世纪末ET将升高至总降水量的近80％。维持ET与降水之间的平衡对在未来几十年内确保淡水资源的持续供应至关重要。因此，面对世界各地水资源短缺的挑战，发展和开发新的水资源供给，落实和实施鼓励对现有水资源高效利用的综合政策都是当务之急。 3.A2气候情景下全球WUE的降低表明，持续的全球变暖将在减少陆地初级生产力的同时增加水分损失。相反地，B1情景下气温，降水和大气CO2浓度的较为轻微变化会增加生态系统碳吸收，并减少水分损失，并最终提高水的利用效率。在低纬度地区WUE的降低表明，未来的气候变化和大气CO2浓度升高背景下，植物营养可能是热带地区生态系统初级生产力的主要限制因素。 4.我们的研究结果表明，高排放气候情景(A2)将导致陆地生物圈在21世纪进入以WUE和NPP下降而ET升高为特征的不可持续状态。在A2气候情景下，随着人口的不断增长，世界将可能面临更加严重的粮食安全和水资源短缺的挑战。反之，低排放情景下，生物圈则会较为稳定。 在估算全球NPP、ET和WUE时，模型结构，参数和输入数据仍然可能导致很大的不确定性。为了更好地预估未来全球NPP，ET和WUE的格局，并理解其对全球环境变化的响应，在今后的研究中，必须将氮沉降，臭氧污染和土地利用-土地覆盖变化等更多的环境和人为因素纳入考量。此外，与人类活动相关的生态系统过程模型亟待改进。