气候变化背景下陆地植被响应对干旱的影响机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李紫薇 |
| 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 | 孙福宝 |
| 关键词 | 干旱 气候变化 地表可用水 植被响应 蒸散发 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 干旱是全球影响范围最广且危害最严重的自然灾害之一，给自然生态系统和人类社会带来了严重威胁。植被作为陆地生态系统的重要组成部分，其与大气间复杂的反馈作用增加了干旱预测的难度与不确定性。植被对气候变化的响应反过来会显著改变气候系统，然而，当前大部分研究仅仅关注植被变化对气候平均态的影响，其对极端气候例如干旱的影响和反馈作用仍缺乏系统性认识。深入理解气候变化背景下陆地植被响应对干旱的影响机制，对于制定科学合理的植被建设、生态环境保护策略以及基于自然解决方案的防灾减灾等具有重要指导意义。本论文基于全球多源观测数据和多个气候模式CO2敏感性模拟实验数据，从干旱指数和地表可用水两个角度表征干旱，阐明了陆地植被与干旱之间的相互作用关系，构建了干旱对植被变化的生物物理敏感性的理论解析，定量刻画了CO2植被生理效应（即大气CO2浓度升高直接影响植被生理生态过程）对干旱的影响，并探讨了CO2植被生理效应增加地表可用水但未缓解干旱的作用机制。主要研究结论如下： （1）通过全球遥感与气象观测数据分析，刻画了陆地植被与干旱的时空变化特征，揭示了两者之间的相互作用关系，为陆地植被变化影响干旱提供了观测证据。研究发现，全球陆地植被绿化趋势显著，但干旱趋势取决于所选用的干旱指数：采用SPI指数和其描述的干旱事件特征（包括干旱烈度、频率和历时）表明干旱呈缓解趋势，然而采用SPEI指数干旱呈增加趋势，但其描述的干旱烈度和频率呈显著下降趋势。滞后相关分析结果表明，全球超过40%的区域LAI和SPI（SPEI）之间呈显著正相关关系；超过70%的区域LAI和干旱事件特征之间呈负相关关系。通过格兰杰（Granger）因果关系检验，发现全球约60%（30%）的区域LAI是引起SPI（SPEI）变化的格兰杰原因；约37%的区域LAI是引起干旱事件特征变化的格兰杰原因。 （2）定量揭示了CO2植被生理效应对干旱的影响，发现随着CO2浓度升高，全球大部分区域CO2植被生理效应对干旱事件特征变化的贡献呈显著下降趋势。研究发现，采用SPI、SPEI_PM和SPEI_Rn三个指标，CO2植被生理效应分别导致全球约56%、67%和70%的区域干旱指标值下降（干旱加剧）；约61%、69%和78%的区域干旱烈度增加，均表明CO2植被生理效应导致全球干旱形势变得更加严峻；随着CO2浓度升高，全球大部分区域植被生理效应对干旱烈度变化的贡献呈显著下降趋势，全球平均下降速率分别为-1.2/100 ppm、-0.9/100 ppm和-0.4/100 ppm（p<0.01）。基于关键干旱事件特征（干旱频率与历时）和典型时间尺度（1月、3月、6月和9月）的分析均证实了这一显著下降趋势。在4×CO2气候状态下，采用SPI、SPEI_PM和SPEI_Rn三个指标，CO2植被生理效应对全球干旱指标值（干旱烈度）变化的贡献分别为21.9%、24.5%和25.4%（23.3%、22.6%和28.1%）。 （3）基于正态分布假设，根据地表可用水概率密度分布的左尾变化刻画干旱强度和频率变化，构建了干旱对植被变化的生物物理敏感性的理论解析关系，并应用于五个典型区域，明晰了植被变化对区域干旱趋势的作用。研究发现，在北美、非洲中部和澳大利亚地区，地表可用水十五分位数对植被变化的敏感性为正，表明植被增加有助于减轻干旱强度；相反，在欧洲和亚马逊地区，这一敏感性呈负，表明植被增加会加剧干旱强度。另一方面，在北美、欧洲、亚马逊和澳大利亚地区，干旱频率对植被变化的敏感性为正，表明植被绿化增加干旱频率，而在非洲中部地区情况相反。总体而言，在欧洲和亚马逊地区，植被变化促进了干旱强度和频率的增加趋势，在欧洲贡献分别为61%和67%，在亚马逊贡献分别为4%和7%。相反，在非洲中部地区，植被变化抑制了干旱强度和频率的增加趋势，贡献分别为31%和9%。在北美地区，植被变化对缓解干旱强度（频率）趋势具有积极（负面）影响，贡献为8%（47%）。澳大利亚地区植被变化趋势微弱，因此对区域干旱趋势的贡献几乎可忽略不计。 （4）构建了地表可用水平均态和年际变异性的驱动因子归因方法，发现了CO2植被生理效应对地表可用水平均态和年际变异性的差异性影响，阐明了CO2植被生理效应增加地表可用水但不代表干旱缓解的作用机制。研究发现，CO2植被生理效应显著影响地表可用水平均态，且其影响程度具有明显的区域分异性。然而，CO2植被生理效应对地表可用水年际变异性（与干旱密切相关）的影响程度在不同区域大致相当，约为33%。这一差异可能是由于驱动CO2植被生理效应引起的蒸散发（ETPHY）平均态和变异性的因子不同所致：ETPHY平均态主要受LAI影响，其次是气孔导度以及其与LAI之间的交互作用效应影响，蒸发对ETPHY平均态的影响不到10%，但却是控制其年际变异性最重要的因素之一。ETPHY平均态和变异性的驱动机制不同，导致其对地表可用水平均态和变异性的影响不同。因此，ETPHY增加平均地表可用水的作用不能反映在与其变异性密切相关的干旱中。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 173 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209324]  |
| 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 | 李紫薇. 气候变化背景下陆地植被响应对干旱的影响机制研究[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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