基于改进 Biome-BGC 模型的草地初级生产力对降水响应的模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 程凯利 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 李胜功 |
| 关键词 | Biome-BGC 模型 草地生态系统 初级生产力 降水影响 模拟 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 理解降雨变化对生态系统功能和植被动态的影响，对于准确预测植被生产力对当前或未来气候的响应至关重要。降雨变化能够影响地表能量和碳通量，进而改变植物水分状况并引起植被生产力的变化，最终改变陆地生物地球化学循环。近几十年来，干旱和半干旱地区，尤其是草地生态系统，作为全球碳循环动态的主要贡献者，主导全球碳汇的年际变异和趋势，并且其碳通量对降水变化极为敏感。因此，有必要深入研究草地生产力对降水变化的响应，以便更准确地预测未来的气候-碳相互作用及其对生态系统状态的影响，同时也为了更好地理解草地在提供关键生态系统服务方面的作用。目前，陆地生态系统过程模型已被广泛应用于评估生产力对气候变化的响应。尽管如此，精确预测全球变化对生态系统的影响仍然是一个巨大的挑战，特别是模型在模拟干旱和半干旱地区的生产力方面存在显著的不确定性。 本研究以草地生态系统为主要研究对象，围绕生产力对降水变化的响应特征及其机理，特别是生产力如何响应降水强度和土壤含水量的变化。鉴于现有生态系统模型在模拟草地站点土壤含水量和植被生产力的水分敏感性方面存在问题，本研究基于广泛应用且机理性较强的Biome-BGC（Biome-BioGeoChemicalCycles，生物地球化学循环）过程模型，对模型中的土壤水分进行了分层处理，并优化了氮限制的相关参数，以提高模型对草地生态系统总初级生产力年际变异的模拟能力。此外，本研究还利用改进后的模型模拟水氮添加控制实验下地上生物量的响应。最后，本研究应用该模型对降水梯度上的四个草地站点进行模拟，分别是内蒙古锡林郭勒草原生态系统国家野外科学观测研究站（简称内蒙站）、中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验示范研究站（简称多伦站）、中国科学院西北高原生物研究所海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（简称海北站）、奥地利阿尔卑斯中部Neustift草甸站（简称AT-Neu站），评估模型对于初级生产力和降水关系的时空差异，以及站点尺度生产力对降水变化不对称响应的模拟效果，旨在提升模型的预测能力，并深化关于草地生态系统对降水变化响应机理的认识。主要研究结果和结论如下： （1）原Biome-BGC模型在模拟草地站点总初级生产力时，由于高估土壤含水量和低估水分敏感性，导致无法捕捉到其年际变异。改进后的模型在模拟总初级生产力、叶面积指数、土壤含水量以及总初级生产力对土壤水的敏感性方面均有不同程度的提高。通过引入多层土壤模块并重新计算田间持水量，改进后模型在模拟土壤水分的年际变异方面表现出了更佳的效果。在年尺度上，改进后的模型对0-30cm土壤含水量的模拟效果有明显改善，皮尔逊相关系数由改进前的0.16提高到0.57。此外，原始模型模拟土壤含水量的标准差是观测值的2.65倍，而改进后的模型是观测值的1.13倍，这意味着改进后的模型能够更好地反映实际观测土壤含水量的年际变化。改进后模型模拟叶面积指数的相关系数由原模型的-0.46提高至0.84，这表明相较于原模型，改进后模型能够更好地模拟到实测叶面积指数的年际变化。此外，改进后模型模拟的总初级生产力与观测值基本一致，模型模拟值和观测值线性方程的决定系数由原模型的0.29提高到0.74。此外，改进后的模型还增强了氮限制的影响，使得模拟总初级生产力对土壤水敏感性的大小达到观测敏感性的89%，从而改善了原模型对于总初级生产力对土壤水敏感性严重低估（仅为观测敏感性的28%）的情况。改进后的模型能够更准确地模拟叶面积指数和总初级生产力对土壤水变化的响应，进而显著提升了对叶面积指数和总初级生产力年际变异的模拟精度。因此，本研究表明，通过对BiomeBGC模型的改进，特别是在土壤水分模块以及氮限制影响等方面的优化，显著提高了模型在模拟草地站点总初级生产力年际变异及其对土壤水分敏感性方面的准确性和可靠性。未来的研究应当充分考虑并深入了解氮对初级生产力的限制强度。 （2）通过改进土壤水分模块和增强土壤水分敏感性，模型不仅能准确反映自然条件下地上生物量的年际变异，还能较为精确地模拟在水氮添加条件下地上生物量的响应。这些模拟结果与控制实验的观测值高度一致。空白对照下，改进后模型在模拟叶面积指数、总初级生产力以及地上生物量的年际变异方面，相对于原模型，展现出更高的精度。具体来说，改进后模型模拟的总初级生产力的相关系数由0.35提升至0.80，而地上生物量的相关系数则从0.26提高到0.90。水氮添加下，改进后模型再现了水氮添加下地上生物量的年际变化，综合评价模拟效果值由原模型的0.26提高至0.86。基于生态系统生产力的可分解性，对地上净初级生产力进行组分分解的溯源分析表明，叶面积指数在模拟生态系统生产力对降水变化响应中起核心作用。特别是在考虑氮元素影响的情况下，叶面积指数对生态系统生产力的贡献显得尤为重要。这一发现不仅阐明模型间（原模型与改进后模型）生产力模拟差异的主要驱动因素，并强调了在生态系统生产力模拟研究中考虑叶面积指数的必要性。 （3）利用改进后的Biome-BGC模型，对沿降水梯度分布的四个草地站点进行模拟，以评估其总初级生产力和地上净初级生产力对降水变化情景的响应。结果表明，模型模拟的总初级生产力和地上净初级生产力与降水之间的空间关系斜率，均显著高于各站点基于年际变化的时间关系斜率。这一结果不仅与四站点的实际观测结果相符，而且也与其他经验数据一致。具体而言，模拟结果显示，总初级生产力与降水之间的空间（站点间）线性关系斜率达到2.31，显著高于生产力与降水时间（站点内）关系的斜率（最大值仅为0.85）。同样，地上净初级生产力与降水之间的空间线性关系斜率为0.57，也超过生产力与降水时间关系的斜率（最大值为0.32）。在正常年际降水变异条件下，模型预测显示，较干旱的站点（内蒙站、多伦站和海北站）的总初级生产力和地上净初级生产力对降水变化的响应呈现正不对称性，即这些站点对降水量增加的正向响应大于对降水量减少的负向响应。而在极端降水情景下，这些站点的总初级生产力和地上净初级生产力的响应则转变为负不对称，即对降水量减少的负向响应超过对降水量增加的正向响应。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 129 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209277]  |
| 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 | 程凯利. 基于改进 Biome-BGC 模型的草地初级生产力对降水响应的模拟研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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