区域气候-作物生长双向耦合模拟与互馈机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李中赫 |
| 答辩日期 | 2024-05 |
| 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 | 武兰芳 ; 占车生 |
| 关键词 | 作物-气候互馈 陆面模型 作物生长模拟 气候变化 作物产量 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 全球气候变化对作物生长的影响日益显著，作物生长也对气候变化起着重要的反馈作用。在全球粮食安全面临挑战的背景下，明晰作物生长与气候变化之间的相互作用机制，可以为制定气候变化下作物生产的适应性策略提供科学支撑。通过改进陆面模型（Noah-MP-Crop），并将其与区域气候模式（WRF，Weather Research and Forecasting）耦合，分析了我国东北平原、华北平原和南部地区三大粮食主产区作物-气候互馈强度的空间格局及其差异，定量揭示了作物生产与气候变化之间互馈机制。主要结论如下： 1. 利用比叶面积（SLA，Specific Leaf Area）动态方案改进了陆面过程模式 Noah-MP（Noah-Multiparameterization Land Surface Model）中的作物模块，兼顾 了作物生长阶段和积温（GDD，Growing Degree Days）的变化，使得叶面积指数（LAI，Leaf Area Index）动态变化、干物质积累及产量的模拟更精确。基于Morris 和 Sobol'参数灵敏度分析算法，提出了一种融合区间估计和一维搜索的参数优化方法，优化了作物生长过程的关键光合参数（VCMX25、QE25、AVCMX 和 LFMR25）和作物结构（BIO2LAI）参数，提高了模型的预测效率，参数优化 使得模型均方根误差（RMSE，Root Mean Square Error）降低了 25%~86%，评价指标（??）降低了 49%~90%。 2. 基于改进的 WRF 与 Noah-MP-Cropsla 耦合模型构建了区域气候变化与作物生长的双向耦合模拟方案，较好地模拟了区域作物叶面积指数（LAI）、产量及蒸散发的空间变异。LAI 在华北平原和南部地区作物的模拟效果较好，生长季平均 LAI 的偏差介于 0 至 1。蒸散发的模拟值在东北和华北平原与实测值较为吻合，多年平均值的偏差介于-50 至+50mm。玉米和大豆产量在东北平原以及水稻产量在南部地区的预测效果较好，决定系数（R²）分别为 0.53、0.55 和 0.51。 3.区域气候的梯度变化使得气候-作物的互馈强度表现出显著的南北空间梯度。东北平原玉米生长与气候的互馈强度自南向北增加，耦合强度指标RAPAR-T值与作物吸收的光和有效辐射间的皮尔森相关系数介于0.4~0.6，而大豆在中部地区互馈强度较高（0.60~0.65），在北部和东南部较低（0.45~0.5）。华北平原作物的互馈强度也呈现南北梯度，其中冬小麦的互馈强度介于0.4~0.7之间，高于玉米的互馈强度（0.1~0.5）。南部地区单季稻的互馈强度从东部沿海（江苏省，约0.7）向西南（如云南省，约0.2）递减，早稻互馈强度普遍低于单季稻，江西、湖南等地介于0.4至0.5，南部地区如广西和广东省更低（约0.1）。 4.利用作物产量与耦合强度指标间的一元线性回归分析，量化互馈强度对不同地区作物产量的影响，发现作物-气候互馈强度的增加有利于产量增长（标准化线性回归系数β介于0.1~0.6）。作物与气候的互馈带来的蒸散发和降雨量增加、温度下降，导致作物生殖生长期延长，有利于籽粒的形成。以华北平原冬小麦为例，相比于不考虑气候与作物互馈作用时，冬小麦生殖生长期延长了0.4天/年，产量增长了10%~40%。本研究揭示了作物-气候互馈强度的空间梯度及其对作物产量的影响，探究了作物生长对气候变化的敏感性及其反馈机制，为预测未来气候变化条件下的作物产量，制定有效的农业管理策略和适应措施提供了科学依据。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 147 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209259]  |
| 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 | 李中赫. 区域气候-作物生长双向耦合模拟与互馈机制研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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