全球变化背景下中国陆地生态系统碳分配系数的时空变化研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐茜 |
| 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 | 碳分配 全球变化 群落结构 时空变化 生态系统碳汇 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 生态系统净初级生产力（NPP）在地上和地下器官之间的分配是植物重要的生理过程，决定了光照、水分和养分等资源的吸收能力，对陆地生态系统固碳能力及其对全球变化的响应起着至关重要的作用。当前对碳分配时空变化机制的理解不够深入，导致其成为了全球碳循环评估和未来碳汇模拟误差的重要来源之一。受观测数据的限制，以往研究聚焦于碳分配系数的空间分布格局和短期时间变化，缺乏对碳分配系数的长期时间变化分析。在其影响因素方面，全球变化不仅直接影响资源的可利用性，而且导致物种更替和群落结构改变，均可能导致碳分配系数发生改变。但已有研究仅考虑了环境条件的影响，忽视了群落结构改变的作用，尚未有研究回答全球变化背景下群落结构变化如何共同影响陆地生态系统的碳分配系数，且这种影响在不同生态系统类型是否存在差异尚未可知。位于东亚季风区的中国陆地生态系统是全球碳汇的主要贡献区，近年来受到全球变化的强烈影响，揭示其对碳分配系数的作用机制及对固碳能力的贡献具有重要意义。 本研究围绕中国陆地生态系统碳分配系数的空间分布格局和时间变化趋势问题，综合利用中国生态系统研究网络（CERN）9个典型荒漠、5个典型草原和33个典型森林生态系统样地的长期定位观测数据，量化了中国陆地生态系统地上和地下碳分配系数，比较了不同水分限制区域生态系统碳分配系数的空间分布格局和影响因素，进而完善了碳分配模式并生成了高精度碳分配系数的空间分布图，重点分析了不同生态系统间碳分配系数的时间变化差异，探究了全球变化因子和群落结构变化对碳分配系数的影响机制，以及评估了碳分配时间变化对陆地生态系统碳循环估算不确定性的重要影响。主要结论如下： （1）中国陆地生态系统地上碳分配系数的均值为57.97±15.21%，森林生态系统地上碳分配系数显著高于草地和荒漠生态系统（分别为66.37±6.48%、36.91±9.55%、39.14±11.80%）。在受到水分限制的荒漠和草地中，水分条件（降雨量）是影响碳分配系数空间格局的最主要的因素，而不受水分限制区域的森林中，林龄、温度和养分条件是影响碳分配系数空间变异的最主要因子。通过考虑这些影响因素优化了资源限制模式，将两个区域碳分配系数的空间变异模拟效果R2分别提高了0.27和0.19，RMSE下降了57%和60%。基于修正后的资源限制模式生成了高精度的中国陆地生态系统碳分配系数的空间分布格局，地上碳分配系数整体呈从东南向西北递减的趋势。与修正后的模式相比，原始的资源限制模式低估了地上分配系数5.86%。 （2）近20年荒漠和中幼龄林地上碳分配系数整体显著上升（0.99±0.45和0.49±0.12%yr-1，p<0.05），草地和老龄林地上碳分配系数显著下降（-1.28±0.33和-0.50±0.10%yr-1，p<0.05）。通过归因分析发现，全球变化通过影响水分的可利用性对碳分配系数有直接影响，暖湿化促进荒漠地上碳分配增加，而暖干化导致草地、老龄林和中幼龄林地上碳分配下降；群落结构变化调节了气候变化对碳分配系数的作用，在荒漠、草地和老龄林生态系统中，分配更易受环境因子变化的影响，群落结构变化表现为放大效应，因此荒漠地上碳分配系数显著上升，而草地和老龄林地上碳分配系数呈显著的下降趋势；而在较为稳定的中幼龄林中环境因子对分配的直接影响较低，群落结构变化的间接影响表现为缓冲效应，改变气候变化导致的碳分配系数的变化趋势，地上碳分配系数显著上升。 （3）采用资源限制模型的动态分配模式得到的碳分配系数的时间变化趋势与观测结果一致。与动态分配模式相比，固定分配模式整体低估了典型生态系统的碳输入和碳周转时间，导致净生态系统生产力（NEP）被低估了5.08~224.22gCm-2yr-1。固定分配导致的低估与碳分配系数时间变化的差异密切相关。动态分配模式中，荒漠和中幼龄林中地上部分（负责光合作用的叶和周转较慢的木质部）的碳分配系数增加，导致植被和土壤的碳输入和碳周转时间均高于固定分配模式，使两种生态系统NEP比固定分配增加较多（增加1.21和0.51倍）；相反地，草地和老龄林生态系统中，负责地下资源吸收的根系分配系数增加，与固定分配相比减少了干旱导致的生产力下降，植被和土壤的碳输入较高，土壤碳输入量的增加使两种生态系统土壤碳周转时间都比固定分配较长。由于森林中细根的周转率相对地上部分较快，草地中根系相对地上部分周转较慢，地下碳分配系数增加导致草地植被碳周转时间比固定分配较长、而森林植被碳周转时间较短，因此动态分配中老龄林NEP仅比固定分配增加了0.02倍，而草地NEP增加了3.33倍。 本研究系统地评估了中国陆地生态系统碳分配系数的空间分布和时间变化的调控机制，分析了碳分配的时间变化对生态系统碳循环和固碳能力的影响，可为全面理解陆地生态系统响应和适应全球变化提供见解。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 144 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209348]  |
| 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 | 徐茜. 全球变化背景下中国陆地生态系统碳分配系数的时空变化研究[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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