碳通量的温度敏感性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈卫楠 |
| 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 | 牛书丽 |
| 关键词 | 陆地生态系统 CH4通量 CH4产生 CH4氧化 温度响应 温度敏感性 温度适应性 生态系统呼吸 最适温 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）是最重要的两种温室气体，陆地生态系统CO2和CH4通量对温度响应的任何增强或者降低都会影响大气主要温室气体浓度的增长速率，从而改变其与全球变暖之间的反馈关系。因此，理解陆地生态系统主要温室气体如何响应和适应全球变暖，对于改善气候-生态系统碳循环模型的模拟预测具有至关重要的意义。本研究拟利用典型生态系统和全球生态系统尺度的CO2和CH4通量数据和模型模拟数据，对CO2和CH4通量的温度响应模式和温度敏感性参数进行定量研究，分析其时空变化格局和背后调控因素，最终揭示陆地生态系统CO2和CH4通量对温度响应的变化规律和过程机制。鉴于光合和呼吸作用在底物供应、产物需求以及与酶和膜有关的其他复杂生理过程中的紧密耦合关系，我们拟进一步探究生态系统尺度总初级生产力（Gross primary productivity，GPP）与呼吸作用（Ecosystem respiration，ER）如何协同响应和适应气温升高。此外，生态系统尺度CH4排放源和吸收汇对温度的响应可能不同，定量CH4源汇温度敏感性差异十分必要并将有助于改进模型对温度-甲烷相互作用过程的精确模拟。同时，微生物尺度的研究证实产甲烷微生物可以通过改变群落结构使其代谢活性在长期增温后降低而在长期降温后增强从而使土壤微生物的产甲烷过程能够适应环境温度变化。如果全球生态系统尺度CH4通量的温度敏感性也普遍存在类似的热适应性，那么将会大大减弱气候变化-甲烷排放之间的正反馈作用。本研究完善了生态系统尺度CO2和CH4通量对温度响应适应过程机制的认识，将为准确模拟和预测未来气候变化情境下碳循环-全球变暖反馈关系提供重要的理论依据。本研究取得主要结论如下： （1）高寒草甸生态系统CH4通量对温度的响应随不同时间尺度而异。在日尺度上，不论是生长季还是非生长季，CH4吸收强度都随气温升高而降低，从而导致CH4吸收“昼低夜高”的日动态模式。与日尺度相反，高寒草甸生态系统CH4吸收强度在季节尺度上随温度升高而增强，从而使CH4通量呈现“生长季吸收强度高于非生长季”的季节变化特点。值得注意的是，不管是日尺度还是季节尺度，CH4通量对温度的响应都会与其他生物和非生物因素的效应混杂交织，如何明确区分不同控制因素之间的影响有待于未来进一步研究。 （2）高寒草甸生态系统CH4通量和GPP（总初级生产力）之间存在显著的滞后相关关系，但是这种滞后关系不是由底物供应的时滞引起，而是由Ta（气温）和PAR（光合有效辐射）之间的滞后导致。在我们的研究地点，生长季日尺度上CH4通量的变化主要受温度的调控，而GPP则主要跟光合有效辐射有关。最终，温度和辐射之间的滞后引发了CH4通量和GPP之间的滞后相关关系。CH4氧化温度敏感性以及植物和微生物群落动态的变化共同调控CH4通量和GPP滞后关系在不同年份间的差异。以上发现为研究植物光合作用和甲烷吸收的耦合关系提供了新的视角，并将有助于改进模型对CO2-CH4相互作用过程的精确模拟。 （3）高寒草甸生态系统CH4通量温度敏感性的变化及其对环境因素的响应也随不同时间尺度而异。基于半小时尺度的高寒草甸生态系统CH4通量温度敏感性具有生长季高，非生长季低的变化特点，温度是其主控因子。相反的是，基于日尺度的高寒草甸生态系统CH4通量温度敏感性（也即是季节尺度上的温度温度敏感性）具有非生长季高于生长季的变化特点，且其与温度水分的关系更为复杂，在温度和水分的上升和下降阶段关系不同，与温度和水分的变化具有季节性滞后关系，推测两个阶段的差异可能是由于不同的土壤水分、有机质含量以及微生物组成与活性。 （4）全球尺度上，基于日尺度的不同生态系统CH4通量温度敏感性大小及其分布特征存在显著差异，湿地生态系统的CH4通量温度敏感性显著高于其他生态系统，旱地生态系统次之，排水生态系统温度敏感性最低。全球尺度上不同生态系统CH4通量温度敏感性的变化主要受到年温度差的影响，存在非线性关系。除排水生态系统外，基于半小时尺度的不同生态系统CH4排放温度敏感性和CH4吸收温度敏感性均存在显著的相关关系，表明不同生态系统之间高CH4产生温度敏感性往往伴随着高CH4氧化温度敏感性。 （5）CH4通量在生态系统尺度上是否存在热适应性在不同尺度的分析中呈现不同结果。全球尺度上湿地和旱地生态系统基于日尺度数据的CH4通量的温度敏感性在不同纬度范围内存在热适应现象，即温度敏感性随着纬度（温度）的升高（降低）而增强。相反的是，高寒草甸生态系统CH4通量温度敏感性以及全球尺度上湿地和旱地生态系统基于半小时尺度数据的CH4通量的温度敏感性均没有发现热适应现象，反而随温度升高出现温度敏感性增强的现象。推测可能是水分等环境因素的混淆作用。 （6）生态系统呼吸最适温（ToptER）在全球不同生态系统中广泛存在。在15个生物和非生物变量中，ToptER主要与总初级生产力的最适温（ToptGPP）和年最高日均温（Tmax）有关。此外，ToptER在不同站点和不同植被类型上都随Tmax呈线性增加趋势，表明其具有热适应性。ToptER的适应幅度与ToptGPP的适应幅度呈正相关。这项研究首次证明了ToptER在全球不同生物群落中的广泛存在及其对Tmax的热适应性。我们的研究结果表明，把ToptER的存在及其热适应纳入碳循环模型有可能更准确地预测气候变化背景下的陆地碳收支。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 144 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199840]  |
| 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 | 陈卫楠. 碳通量的温度敏感性研究[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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