气候变化下陆地生态系统植被生长与土壤水分响应关系研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 常清青 |
| 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 | 何洪林 |
| 关键词 | 植被生长 土壤水分 非线性响应 动态敏感性 碳水耦合模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 政府间气候变化专门委员会最新的评估报告指出我们正在经历前所未有的气候变化时期，全球水文循环受到气候变暖的极大影响，极端事件和降水变异日益增加，进一步对陆地生态系统功能与人类社会生产生活构成了相当大的威胁。陆地生态系统植被生长作为全球碳循环的关键调节器，对气候变化具有高度的响应能力，同时在生态系统功能及其提供的衍生生态系统服务中发挥着重要作用。土壤水分作为植被生长最直接的水分来源库，调控和影响着陆地生态系统的诸多过程与功能。系统评估植被生长与土壤水分的响应关系对人们深入理解生态系统的碳水耦合过程，以及准确模拟和预测生态系统如何应对气候变化具有重要的理论和应用意义。 本研究以陆地生态系统为研究对象，使用基于遥感的总初级生产力（GPP）、太阳诱导叶绿素荧光（SIF）、归一化差异植被指数（NDVI）等多源数据集作为植被生长的指标，结合多种气候、土壤等再分析资料，综合评价了2001-2020年的气候变化背景，在此基础上评估了中国区域植被生长不对称响应的时空变化及其驱动因素，综合分析与量化了全球植被生长对土壤水分敏感性的时空变化模式，结合评估结果，发展和改进了一个基于生态学机理的生态系统碳水耦合模型。在模型数据融合框架下利用多源观测数据对模型中的关键参数进行了优化，提高了模型对生态系统碳水通量的模拟精度。主要研究结论如下： （1）植被生长不对称性印证了植被对水分的响应存在动态敏感性，中国56.7%的植被区域的生产力由正不对称性主导（2.3±9.4%），其中正不对称性广泛分布在中国西北部（主要是草原和稀疏植被生态系统），负不对称性在东北地区的森林生态系统中最为普遍。约三分之一植被区域的不对称性表现出了显著的变化，正不对称性增强趋势（0.95%year-1）高于负不对称性（-0.55%year-1），这对未来碳汇有利。随机森林的结果显示土壤水分是植被生长不对称响应时空变化的主要驱动因素，而非降水。在空间格局上，植被生长由正不对称性转向负不对称性的土壤水分阈值分别为：表层土壤水分20%-30%（体积含水量），和根区土壤水分200mm~350mm（等效水深）。结果强调了在研究中考虑植被生长对水分变量非线性响应过程的必要性。 （2）全球陆地生态系统植被生长对土壤水分的敏感性由正敏感性主导，面积占比约为62%，其中对深层土壤水分的敏感性更高。在研究期间全球经历了更广泛的干旱趋势，尽管在许多地区降水也有所增加，但全球更普遍的升温导致了SPEI的整体下降。在气候变化的影响下，植被对表层土壤水分的全球平均敏感性降低，而对深层土壤水分的敏感性加强。敏感性的变化格局与气候干旱或湿润趋势密切相关，在水分胁迫区域中，干旱趋势增强了植被对土壤水分的依赖，在北半球高纬度地区，干旱趋势缓解了土壤水分对植被生长的抑制作用，而在部分呈现湿润趋势的区域，土壤水分对植被生长的抑制作用有所增强。平均年降水量、年均温、土壤砂粒含量为自变量的多元线性模型可以捕捉敏感性空间格局的78%，通过对比干湿时期间敏感性的差异，采用非线性拟合的方式量化了植被生长与土壤水分的六种响应模式，为后续模型改进提供了数据与理论基础。 （3）基于对生态系统过程的理解和先前的评估结果，本文构建、发展并改进了一个碳水耦合模型ACM-SM-ET。通过引入基于生态学机理的蒸散发、冠层降水再分配、土壤水分与剖面更新、植物水分传输模块使得模型具备了较完整的水循环过程，并构建了土壤水分胁迫模块，使得碳水循环通过气孔导度与根系界面深度耦合。ACM-ET-SM模型在全球通量网（Fluxnet2015）的55个站点上进行运行与验证，改进后的模型与原始模型相比对GPP、蒸散（ET）在月尺度的模拟误差降低了22%与20%；进一步使用蒙特卡洛马尔科夫链（MCMC）算法对模型关键参数进行优化，得到了站点尺度的最优参数集，优化后的模型对GPP、ET、土壤水分（SM）年际变异的捕捉能力提升了61%、56%与5%。整体来看，模型可以捕捉GPP、ET、SM年际变异的93%、74%、58%，均方根误差（RMSE）分别为159.4gCm-2year-1、108.5mmyear-1、0.05m3m-3，模拟误差分别为12.7%、26.7%、17.2%。同时，改进后的模型能够捕捉90.1%的站点中植被生长的不对称性特征，以上共同表明改进、优化后的模型对生态系统碳水循环及其耦合过程以及生态系统的非线性响应关系都具有较好的模拟效果。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 153 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209346]  |
| 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 | 常清青. 气候变化下陆地生态系统植被生长与土壤水分响应关系研究[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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