模型参数及结构对碳循环关键过程模拟的影响——-基于增温和氮添加实验的数据融合
文献类型：学位论文
| 作者 | 王松 |
| 答辩日期 | 2023-12 |
| 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 | 碳循环 碳氮耦合 参数化 模型结构 数据同化 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要环节，每年可固定约三分之一的人为碳排放，它受到包括氮循环在内的其他元素循环的强烈调控。准确模拟陆地生态系统碳循环过程及元素循环的耦合关系对预测陆地生态系统碳收支的总量、空间格局以及未来的变化规律至关重要。生态系统模型为模拟和预测碳循环动态提供了有效手段，但目前的生态系统模型由于其参数和模型结构等的不确定性较大，导致其未能准确模型生态系统的碳动态。且在全球变化的背景下，气候变暖及氮沉降增加等因素如何影响陆地生态系统的碳循环过程及其对应模型的参数尚不清楚，导致模型模拟和预测存在较大不确定性。目前大多数模型会使用相对固定的参数去表示碳循环过程，忽略了生态系统对全球变化的响应和适应，使模型对陆地生态系统碳循环的模拟不准确。同时，研究人员常常会基于对碳循环的理解，将对碳循环有影响的过程或者更详细的过程加入模型中，试图更真实的模拟和预测碳循环，但模型结构改变如何影响参数化过程进而影响碳循环的模拟还少有研究。为了探究气候变暖及氮沉降增加对陆地生态系统循环过程的影响，及如何提高模型对其进行更加准确的模拟，本文以对气候变化十分敏感的青藏高原若尔盖高寒草甸生态系统为研究对象，通过增温和氮添加的野外控制实验，探究该生态系统碳氮循环关键参数对长期增温和氮添加的响应及机理；并结合草地生态系统模型和数据同化方法，探究模型结构对模型参数化及对碳循环模拟的影响；同时尝试利用不同结构的模型和数据同化方法解析生态系统的氮限制，从而更好的模拟和预测生态系统碳循环过程。本研究取得主要结论如下： （1）增温提高了土壤氮素的有效性，降低了土壤活性碳库的碳氮比，导致植物对土壤氮的吸收增加。但是由于植物叶片吸收的碳比氮增加更多，使得叶片中碳氮比增加，而根部的碳输入增加则低于氮的增加，导致根部的碳氮比减少。同时，增温降低了枯落物碳氮比，可能是在土壤高氮有效性的条件下，枯落物氮的固定得到增强；而且增温加速了枯落物的分解。同时增温还增加了慢速分解土壤有机质的碳氮比，使得该土壤碳库的碳固存潜力增大。由于大多数模型在不同的环境中通常使用相对固定的碳氮比，本研究所发现的气候变暖条件下碳氮比的变化可为模型参数化提供一个有效的参考，有利于模型对未来气候变化背景下生态系统碳氮耦合关系响应的预测。 （2）在氮添加条件下，生态系统对高氮环境的适应调节作用会导致单位氮的生态系统生产力降低。这种调节作用在本文模型中表现为叶片光合氮利用效率和植物氮吸收率的下降。如果不考虑叶片光合氮利用效率和植物氮吸收率的生态系统调节，模型可能会高估氮沉降下的碳吸收和碳储存。与有适应调节作用的参数模拟的年总初级生产力相比，在N2、N4、N8、N16、N32（2, 4, 8, 16, 32 kg Nm-2y-1）条件下，用无适应调节作用的参数所模拟出的总初级生产力分别高出186.0、359.2、176.2、205.8 和467.7g C m-2 yr-1。与有适应调节作用的参数模拟的生态系统碳储量相比，在N2、N4、N8、N16、N32 条件下，用无适应调节作用的参数所模拟出的生态系统碳储量分别高出248.6, 494.3, 164.8, 822.6, 713.2 gC m-2。因此，将生态系统生理过程的生态系统调节作用纳入模型至关重要，这样才能更好地预测未来氮沉降下的全球碳动态及其对气候变化的反馈。 （3）越来越多的地球系统模型加入氮过程来表示氮循环与碳循环的相互作用。但是，还未有研究仔细检查一旦合并了氮过程，如何重新参数化模型。本研究发现模型结构影响了模型参数化，而氮对碳循环过程的调节主要是通过其对参数的影响实现的。相较于单碳模型，碳氮耦合模型通常会预测较低的生态系统碳存储。但经过数据同化后发现，在对照和增温条件下单碳模型和碳氮耦合模型模拟得到了相似的碳库大小。碳氮耦合模型对除立枯以外的所有碳库的分解速率都高于单碳模型。这意味着现有的模型可能并没有很好的模拟生态系统的碳氮耦合关系，没有重新参数化可能导致高估氮的限制作用。因此，本文建议在将氮循环过程加入到碳循环模型时需进行重新参数化，这对于更加真实地模拟生态系统碳动态至关重要。 （4）本研究发现新发展的生态系统碳氮耦合模型可能高估了氮限制对碳循环的影响。本研究用一个单碳模型和一个碳氮耦合模型估计了两组参数。结果表明，在对照处理下，单碳模型模拟的叶片光合氮利用效率和几乎所有碳库的分解速率都高于碳氮耦合模型。然而，碳氮耦合模型和单碳模型之间的叶片光合氮利用效率和碳库的分解速率的差异随着氮添加量的增加而减小。单碳和碳氮耦合模型都模拟了类似的碳库大小，然而，如果使用单碳模型估计的参数运行碳氮耦合模型，模拟的生态系统碳储存和总初级生产力会下降。这种下降在对照处理下更大，并且随着氮添加的增加而变小。此外，在本研究中，氮添加量对大多数生态系统组分的碳储量具有单峰响应，这主要是由其分解速率决定的。我们提出了一种利用数据同化技术从观测数据中获取氮限制信息的新方法。随着全球数据产品的增加，本方法将使生态系统氮素限制评估成为可能，从而为政策制定或生态系统管理提供指导。 综上所述，增温和氮添加显著改变了陆地生态系统的碳循环关键过程，并且进一步影响生态系统碳的收支和储存。同时本研究提出一套新的高效解析生态系统氮限制的方法，并提出在将氮循环过程加入到碳循环模型时需重新参数化的建议。本研究在科学上为高寒草甸生态系统碳氮耦合关系对气候变暖和大气沉降变化的响应提供了证据，在理论上为地球系统模型关于碳氮耦合模块的发展需要更新参数化提供了建议和依据，在方法上提出一套新的获取生态系统氮限制的手段，为全球变化背景下地球系统模型如何更好地模拟碳氮耦合循环提供了参考。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 136 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209257]  |
| 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 | 王松. 模型参数及结构对碳循环关键过程模拟的影响——-基于增温和氮添加实验的数据融合[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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