全球陆地生态系统光合和呼吸关键参数的时空变化及影响因子
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈秀芝 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 何洪林 ; 任小丽 |
| 关键词 | 最大光合速率 基础呼吸速率 叶面积 水分 温度 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 在全球变化背景下，全球陆地生态系统会随着气候变化而发生变化。陆地生态系统模型的参数作为生态系统属性的表征，为研究生态系统对气候变化的响应提供了很好的机会。模型参数在时间和空间上的变化包含了模型没有显式表达出的生态过程的信息，以及生态系统属性随着时间、空间和环境条件变化而发生的变化信息。陆地生态系统光合作用和呼吸作用作为全球碳循环中非常重要的两个环节，对全球碳动态具有重要意义。已有研究观察到生态系统最大光合速率（Amax）和呼吸呼吸速率（Rref）存在时间和空间上的变化，在生态系统模型中考虑这些变化能够显著提高对碳交换的模拟效果。因此，深入探究生态系统最大光合速率和基础呼吸速率的时空变化特征及影响机制，将有助于了解在气候变化背景下生态系统自身功能属性将如何变化，正确地估计陆地生态系统碳源/汇功能，以及构建更加可靠的生态系统模型。 本研究估算了全球144个FLUXNET通量站点的生态系统最大光合速率和15℃基础呼吸速率的时间序列，系统分析了两个参数在多个时间和空间尺度上的变化特征，并探究了冠层结构属性（冠层叶面积LAI）、冠层生理属性（单位叶面积最大光合速率Amaxa）和环境因子对Amax的时空变化的影响，以及环境因子对Rref的时空变化的影响。最后研究了Amax与Rref之间的关系。主要结论如下： （1）气温和光周期主导了最多站点的Amax的季节变化，站点年均温会影响Amax在季节上对土壤湿度、太阳辐射的强度和时长的响应。除常绿阔叶林外，生态系统Amax，Amaxa和LAI均具有明显的季节变化。环境因子对LAI和Amax的季节变化具有较高的解释率，平均R2分别为0.63和0.60，而对Amaxa的季节变化解释率较低，平均R2仅0.38，这可能是由于Amaxa的季节变化受到植物性状的影响比环境因子更强。光周期和温度与Amax在季节上呈现正相关关系。Amax对饱和水汽压差季节变化的响应始终呈现负相关，且越干旱的站点，Amax与饱和水汽压差的负相关性越强。Amax对土壤水分季节变化的响应方向和强度受到站点年均温的影响，在较寒冷的站点，Amax与土壤湿度呈负相关，而在较温暖的站点，Amax与土壤湿度呈正相关。此外，越寒冷的站点，Amax在季节上对太阳辐射时长的响应越强，而对太阳辐射强度的响应越弱。 （2）Amax的空间变化主要受到植被类型、年均温和年均饱和水汽压差的影响。空间上，Amax在纬度20°左右最低，向两侧逐渐升高，而Amaxa在不同纬度区域没有显著差异，除纬度40°左右Amax和Amaxa均达到最高，主要由于许多农田分布在40°N左右。农田的Amax和Amaxa显著高于其他植被类型，稀树草原尽管Amax较低，但却具有较高的Amaxa，森林的LAI最大。Amax和LAI的大小也会受到年均气温和年均饱和水汽压差的影响，年均气温越高、年均饱和水汽压差越小的站点，植被的叶面积和最大光合速率越大。 （3）单位叶面积最大光合速率(Amaxa)和叶面积指数(LAI)对Amax的贡献在时间上与两者的时间变异强度的相对大小有关；在空间上LAI对Amax的贡献存在饱和效应，而Amaxa始终与Amax呈正相关。在Amaxa的时间变化强度大于LAI的站点上，Amax的时间变化主要受到Amaxa的控制，而在LAI的时间变化强度大于Amaxa的站点上，Amax的时间变化主要受到LAI的控制。LAI对Amax时间变化的贡献大小也与植被类型、叶片习性（常绿或落叶）有关，混交林的Amax时间变化受到LAI的影响最大，常绿阔叶林的Amax时间变化受到LAI的影响最小。空间上，Amax随LAI的增加而增大，但是Amax在LAI为2左右达到饱和，随后Amax不再随LAI的增加而增加，因为当LAI过大时，叶片重叠面积增大，冠层接收光照的面积达到饱和，所以LAI对生态系统的最大光合速率的贡献存在饱和现象，而生态系统最大光合速率随着单位叶面积最大光合速率的增加而始终增加。该结果对于解释不同站点LAI与总初级生产力GPP之间耦合程度的差异具有重要意义。 （4）土壤温度是影响基础呼吸速率季节变化的首要因子，土壤湿度既能直接影响基础呼吸速率，也能通过调节基础呼吸速率对土壤温度响应的方向和大小来间接影响基础呼吸速率。由于光照对生态系统呼吸过程的抑制，大多数站点的日间基础呼吸速率（Rref15D）小于夜间基础呼吸速率（Rref15N）。土壤温度和土壤水分对Rref15N的季节变化具有重要影响。土壤温度越高，Rref15N越大；土壤越湿润，Rref15N越大，且Rref15N对土壤温度的正向响应越强；而土壤越干旱，Rref15N越小，且Rref15N对土壤温度升高的正向响应越弱，甚至转为负相关，表明水分条件会调节生态系统呼吸作用对温度季节变化的响应。 （5）基础呼吸速率在空间上显示出对温度的适应性，年均温与基础呼吸速率以及基础呼吸速率对温度季节变化的响应均呈现负相关关系；水分条件也会影响基础呼吸速率的空间分布。基础呼吸速率在纬度20°N或20°S左右最小，向两侧逐渐升高的趋势，其中森林和农田的基础呼吸速率最高，灌丛和稀树草原的基础呼吸速率最低。越寒冷的站点，基础呼吸速率越大，且基础呼吸速率对土壤温度季节变化的正向响应强度也越强；越温暖的站点，基础呼吸速率越小，且基础呼吸速率对土壤温度季节变化的正向响应强度也越弱。这体现了生态系统呼吸作用对温度的适应，从而减弱生态系统呼吸作用在更高温度下对温度的响应强度。水分条件也会影响基础呼吸速率的空间分布，土壤湿度越高或年降水越多的站点，基础呼吸速率越大。能够同时表征站点温度和水分整体条件的变量，如VPD和干旱指数（Aridity Index），比单独的温度或水分变量对基础呼吸速率空间分布的解释率高。除常绿阔叶林和混交林外，生态系统基础呼吸速率与最大光合速率在时空上均较好地耦合，基础呼吸速率越高，植被光合能力也越强。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 97 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199734]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈秀芝. 全球陆地生态系统光合和呼吸关键参数的时空变化及影响因子[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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