全球陆地生态系统总初级生产力时空变化格局
文献类型：学位论文
| 作者 | 董嘉琪 |
| 答辩日期 | 2020-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李龙辉 |
| 关键词 | 总初级生产力 温度-绿度模型 增强型植被指数 陆地表面温度 植被功能类型 |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | Spation-temporal patterns of gross primary production of global terrestrial ecosystems |
| 英文摘要 | 地球表层系统与其周围的地球圈层存在物质和能量的交换，是一个巨大的光合合成和消耗分解的系统。陆地生态系统碳循环和水循环与大气圈、地圈和生物圈之间相互作用，在地球气候变化和碳循环中起着重要的作用，也为人类提供了物质和能量基础。植被是陆地生态系统中的重要组成部分，绿色植物通过光合作用，将大气中CO2转变成有机碳，为自然界动物和生物等提供生存所需的物质条件。总初级生产力（Gross primary productivity, GPP）又称为总第一性生产力，它是指在单位时间内生物，主要是绿色植物通过光合作用的途径所固定的有机碳量。在生态系统水平上，总初级生产力是全球最大的碳通量，是人工和水域等生态系统功能的驱动力。基于此，准确地把握陆地生物圈总初级生产力在时间和空间尺度上的变化特征，对理解全球气候变化与生态系统变化之间的相互作用及碳循环在全球陆地生态系统演变中的作用研究具有重要的科学意义。 过去几十年，通过地面、大气和空间观测，在理解和量化陆地总初级生产力的时空格局方面取得了重大的进展。然而，现阶段基于直接观测手段还无法获得GPP，已有的多种GPP数据产品都是基于不同的模型估算得出，由于缺乏真实的观测量作为参考，不同数据产品之间存在较大的差异性。本论文目的是通过基于遥感的方法，即“温度-绿度”模型（Temperature-Greeness，TG），应用全局敏感性分析（Morris）和蒙特卡洛-马尔科夫链（MCMC）方法对TG模型的参数进行敏感性检测和参数优化，实现对全球陆地生态系统GPP的估算。在此基础上，分析TG模型模拟的全球陆地生态系统近20年（2000-2018）平均GPP的空间分布、变化趋势以及年际变化（IAV），并与其他三种全球GPP数据产品相比较，得到如下研究结论：（1）从Morris参数敏感性筛选方法中，筛选出TG模型在不同植被类型中的敏感参数。Xn（最低温度）和Xo（最适温度）是落叶阔叶林、落叶针叶林、常绿阔叶林、常绿针叶林、混交林和草地植被类型中的主要影响参数；Xo（最适温度）则为郁闭灌丛、作物、湿地、木质稀疏草原、稀疏草原和开阔灌丛的影响参数；然而Xm（最高温度）未被识别为任何植被功能类型中的主要影响参数。应用MCMC方法对TG模型敏感参数进行优化结果表明，对Xn敏感的植被类型的最优参数值与其初始值（0 ℃）有显著的差异，其范围从常绿针叶林的-10℃到湿地环境中5 ℃。参数Xo的优化值在不同植被类型中也表现出差异性，特别是在常绿阔叶林中Xo的最优值为15 ℃，是TG模型默认值（30 ℃）的一半。在其余植被类型中，Xo的最优值范围在27.5 ℃ - 32.5 ℃区间内；将MCMC参数优化后应用于TG模型，与全球155个通量站点处理得到的GPP数据进行验证。结果表明，参数优化提高了TG模型在超过一半的植被类型的GPP估算性能，尤其显著改善了常绿阔叶林和常绿针叶林中的GPP估算精度，也提高了稀树草原植被类型的GPP估算性能。 （2）应用优化前后的TG模型估算了全球近20年（2000-2018）陆地生态系统GPP，生成了两套全球GPP数据产品（TGdef GPP和TGopt GPP）。分析了近20年GPP时空变化格局。研究结果表明，TGdef和TGop估算的全球陆地生态系统多年平均GPP在空间分布中呈现一定的差异，主要表现在热带赤道亚马逊森林附近，TGopt显著高于TGdef的GPP值，相差约为500 gC year-1；但估算的近20年GPP变化趋势较为一致。在北美加拿大东北区域、亚马逊森林南部区域，印度的北方和中国东南部区域GPP呈现显著增长的趋势，在巴西东北部区域GPP呈现显著的下降趋势。 （3）近20年全球陆地生态系统GPP呈显著增加的趋势。GPP的增加主要是增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI）的增加而引起的，而陆地表面温度（Land Surface Temperature，LST）对GPP的变化趋势影响有限。有超过9种植被类型的EVI与GPP偏相关系数高于0.5，其中在郁闭灌丛植被中相关性最好为0.8，在草原和木质稀树草原相关性也较好。LST表现与GPP的相关性不高，12种植被类型偏相关系数均低于0.5。 （4）基于四种基于遥感模型（TGopt、VPM、MODIS和PML）估算的全球GPP的时空格局的分析发现，在植被功能类型和柯本气候分区数据的辅助下，分析了四种GPP数据产品之间的差异。结果表明，四种数据产品的年总GPP估算范围较大，在126至164 Pg C year-1之间。GPP年均值的纬度梯度遵循生物群落的总体分布，但是在北纬热带区域和非洲的高纬度热带地区，四种数据产品之间年均值具有高达500 g C year-1的差异，MODIS GPP产品给出的年均值相对较低。其中，TGopt与PML呈现出较强的线性相关性。在常绿阔叶林和落叶阔叶林植被类型中，四种数据产品均呈现出较高的年均GPP，但是在开放灌木丛植被类型中，年均GPP最低。从气候分区在赤道带气候分区中VPM和MODIS整体比TGopt和PML GPP低，与其在赤道带和干旱带的表现较为一致。从全球陆地生态系统年GPP变化趋势来看，MODIS GPP近20年变化趋势不明显。从植被功能类型来看，四种GPP数据产品在郁蔽灌丛和开阔灌木丛中呈现出较好的一致性，在稀树草原植被类型中产品之间数值差异性较大。从柯本气候分区来看，温暖带气候和亚寒带年GPP呈现显著增加趋势（4.2-4.4 gC year−1），而在赤道带地区，GPP变化趋势呈现降低现象（-0.4 gC year−1），且四种数据产品之间差异较大。相比变化趋势，四种数据GPP年际变化（IAV）之间呈现较好的一致性，尤其是TGopt与VPM之间（R2=0.64）。总体上，四种数据产品中除了MODIS GPP数据产品，其余三种数据产品较好地体现出了干旱区GPP IAV较大，而湿润区GPP IAV较低的特点。柯本气候分区类型中，干旱带GPP IAV也显著高于亚寒带。关键词：总初级生产力，温度-绿度模型，增强型植被指数，陆地表面温度，植被功能类型，柯本气候分区 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15415]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 董嘉琪. 全球陆地生态系统总初级生产力时空变化格局[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。