基于叶绿素荧光遥感的中国陆地生态系统总初级生产力模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | Muhammad Amir |
| 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 | 王绍强 |
| 关键词 | 总初级生产力 日光诱导叶绿素荧光 最大羧化速率 气候变量 SCOPE模型 BEPS模型 地理加权回归 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 陆地生态系统在减缓气候变化和全球碳循环方面发挥着至关重要的作用。大气中的碳通过陆地植被光合作用以总初级生产力（gross primary production, GPP）的形式进入到陆地生态系统中。通过综合实地观测和模型模拟准确估算区域乃至全球范围内的GPP意义重大，是理解陆地生态系统碳固存和量化植被活动的关键基础。基于Farquhar光合作用模型的陆地生物圈模型（terrestrial biosphere model, TBM）已被用作估计生态系统、区域乃至全球尺度碳收支的重要工具，而最大羧化速率（Vcmax）是TBM中调控固碳过程的重要光合参数之一。然而，Vcmax随着时间和植被类型变化，其在TBM中根据植被功能型（plant functional type, PFT）设置为常数很大程度上限制了对光合作用动态的精准估算。近年来，随着高光谱技术的发展，日光诱导叶绿素荧光（solar-induced chlorophyll fluorescence, SIF）由于其与光合作用的直接密切联系，已逐渐成为遥感监测植被光合动态的重要指标。荧光遥感技术为在更高的时空尺度上量化Vcmax动态，提高模型对GPP的模拟精度提供了新的数据和思路。 本研究利用遥感观测的SIF结合TBM和通量观测来估计叶片光合能力Vcmax的动态，以减少恒定Vcmax设置带来的模型不确定性，从而提升GPP的模拟精度。我们基于亚热带常绿林站点的高光谱和SIF同步观测提出了从SIF地面测量中反演森林植被Vcmax的方法，优化TBM对常绿林站点的GPP估算；还基于多站点的卫星遥感和通量观测建立了不同生态系统类型卫星观测的SIF和通量反演的Vcmax之间的经验关系，以提供区域尺度Vcmax动态的获取方法，从而实现区域尺度GPP的模拟优化。此外，我们还利用地理加权回归模型（geographically weighted regression, GWR）模型探讨了气候变量和GPP之间的空间关系，以研究植被生产力对气候因素的敏感性。本文主要研究结果如下： （1）基于鼎湖山亚热带常绿林站观测的植被冠层反射率和SIF数据约束的植被参数和荧光量子效率（FQE）作为SCOPE模型的输入，相比于默认的植被参数和FQE，模型模拟的O2-A和O2-B波段处的SIF与实测值相比，R2分别从0.79提高到了0.94，从0.15提高到了0.60。利用SIF观测值通过SCOPE模型反演了 Vcmax 的季节动态，并将动态Vcmax用于BEPS模型，结果表明使用动态Vcmax模拟的GPP与通量观测的GPP的R2在旱季从0.18提高到了0.38，在雨季从0.56 提高到了0.67，GPP模拟的相对误差降低了24.9%。研究提供了从站点尺度的SIF地面测量中限制森林植被最大羧化速率Vcmax的基本方法，纳入生态过程模型优化了亚热带常绿林植被生产力的估算精度。 （2） 基于中国多个野外观测台站的CO2通量和 SCOPE 模型获得的Vcmax 作为参考，构建了卫星遥感观测的SIF数据与Vcmax的经验关系，从而获取区域尺度的 Vcmax动态以优化GPP的估算精度。结果表明，长白山（CBS）、千烟洲（QYZ）、禹城（YC）、当雄（DX）、内蒙古（IM）和海北（HB）站点的远红SIF和Vcmax间的存在很好的线性关系，R2分别为0.79、0.59、0.76、0.53、0.66和0.70（p<0.05）。基于SIF估算的Vcmax与基于通量数据反演的Vcmax之间的R2值分别为0.75、0.79、0.74、0.59、0.62和0.68（P<0.05）。将基于该方法获得的区域尺度动态Vcmax纳入生态系统模型，与站点实测GPP相比，GPP模拟改进了9-16%。研究提出了从卫星观测的远红SIF估算区域尺度Vcmax动态的方法，揭示了利用SIF卫星观测来优化区域尺度GPP估算的潜力，强调了提高生态系统模型能力的重要性。 （3）基于2010-2020年中国区域气候变量的Mann-Kendal时序分析发现，中国年平均下行短波辐射（DSR）、土壤湿度（SM）和降水（PT）分别以0.17 W m-2 yr-1、0.15 m3 m-3 yr-1和1.49 mm yr-1的速度下降，而年平均温度（MT）、比湿度（SH）、蒸气压（VP）、蒸散发（ET）和GPP分别以0.30 ℃ yr-1、0.30 g kg-1 yr-1、0.18 mm yr-1、0.12 mm yr-1和29 g C m-2 yr-1的速度增加。基于GWR模型，不同地域的系数平均值显示，GPP与DSR（53.65 g C m-2）、MT（50.89 g C m-2）、PT（1.54 g C m-2）、SM（14.89 g C m-2）、VP（886.78 g C m-2）、WS（266.34 g C m-2）、SH（120.56 g C m-2）、ET（1.55 g C m-2）呈正相关；回归系数（局部R2）显示，GPP受SIF（R2=0.73）、ET（R2=0.58）和PT（R2=0.54）的影响很大，受WS的影响最低（R2=0.22）。这一研究强调了在制定应对气候策略时考虑气候因素的作用以改善生态系统服务和生态模型的必要性。 |
| 语种 | 英语 |
| 页码 | 164 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199890]  |
| 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 | Muhammad Amir. 基于叶绿素荧光遥感的中国陆地生态系统总初级生产力模拟研究[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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