陆地生态系统总初级生产力响应干旱的全球格局及控制因子
文献类型：学位论文
| 作者 | 王易恒 |
| 答辩日期 | 2024-12 |
| 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 | 牛书丽 |
| 关键词 | 干旱 总初级生产力 全球格局 非对称响应 地球系统模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 干旱是影响陆地生态系统生产力、稳定性和碳循环的重要气象事件之一。自工业革命以来，随着全球变暖的加剧，干旱的强度和频率不断增加，这可能对陆地生态系统的健康、服务及其碳汇功能构成巨大的挑战。陆地生态系统是全球最重要的碳汇之一，每年可抵消约30%的人为温室气体排放，在减缓全球变暖和应对气候变化方面发挥着不可替代的作用。总初级生产力（Grossprimary productivity，GPP）是生态系统碳吸收的主要来源，也是生态系统内能量流动和物质循环的基础。因此，准确评估GPP 对干旱的响应对于预测生态系统生产力的变化、维持和提高陆地生态系统的碳汇能力，以及保护生态环境等具有十分重要的意义。然而，以往的相关研究多针对单个干旱事件，GPP 对干旱强度和频率变化的响应，特别是响应的全球分布格局及控制因子仍存在较大争议。此外，在气候变化背景下，湿润事件也在不断增加，然而湿润事件带来的GPP 增加能否抵消干旱引起的GPP 损失尚不明确。因此，本研究结合地面观测和遥感数据，量化了全球陆地生态系统GPP 对干旱强度和频率的响应，揭示了其分布格局和控制因子。在此基础上，探究了GPP 对干旱和湿润事件的响应差异（非对称响应），并通过分析陆地生态系统光合物候和生理过程对干旱的响应，揭示了GPP 响应干旱的关键过程。本研究取得的主要成果如下： （1） 利用标准化降水蒸散发指数（Standardized precipitationevapotranspiration index，SPEI）作为干旱指数，结合多种GPP 数据产品，量化了不同干旱强度下全球陆地生态系统的GPP 损失，揭示了其空间分布格局。以FLUXCOM GPP 为例，在全球范围内，中度干旱（−1.5 < SPEI ≤ −1），严重干旱（−2 < SPEI ≤ −1.5）和极端干旱（SPEI ≤ −2）分别导致了平均6.2%，7.8%和9.4%的GPP 损失。GPP 损失最显著的区域出现在萨赫勒和中亚等半干旱区，平均GPP 损失高达10~15%。从生态系统类型来看，草地和农田GPP 对极端干旱最为敏感。在大多数生态系统类型中，GPP 损失随干旱强度的增加呈非线性增加。其中草地和农田的增幅最大，而寒带森林和苔原等生态系统的增幅较低。此外，年均温和根系深度是决定干旱下GPP 损失的最重要因素。GPP 损失随年均温的增加而增加，直至年均温达到25~30°C 时不再增加，而GPP 损失随根系深度增加先增加后减少。 （2）干旱频率增加对气候变化背景下全球GPP的增长趋势具有显著影响，其影响仅次于CO2 浓度变化的影响，而超过了温度、降水和干旱强度的作用。在站点和全球尺度上，干旱频率的增加导致干旱生态系统GPP 减少，但却显著增加了湿润生态系统的GPP。在研究期间（2001—2020 年），每增加一次干旱事件，全球干旱生态系统年际GPP 平均降低0.85 g C m−2 yr−1，而湿润生态系统年际GPP 平均增加0.6 g C m−2 yr−1。这可能是由于干旱频率的增加显著降低了干旱生态系统中的土壤水分，并增加了大气饱和水汽压差，从而导致了GPP 的降低；而在湿润生态系统中，干旱频率的增加显著增加了光合有效辐射，促进了植物的光合作用，导致了GPP 的增加。而地球系统模型（Earth system models，ESMs）显著低估了GPP 对干旱频率增加的响应，并因此低估了湿润生态系统中GPP 随时间的增长趋势。 （3）在全球范围内，揭示了GPP对干旱和湿润事件响应的非对称性，并量化了不同降水变化水平下和不同生态系统类型中的非对称响应指数（Asymmetry index，ASMI），明确了GPP 对干旱和湿润事件非对称响应的全球分布格局和控制因子。当降水变化较小时（0~25%），草地、灌木、苔原和稀树草原呈现正非对称响应，表明湿润条件下GPP 的增加超过了干旱条件下GPP 的损失。而森林、湿地和农田则呈现负非对称响应，表明干旱条件下GPP 的损失超过了湿润条件下GPP 的增加。在中度和极端降水变化条件下（25~100%），所有生态系统类型均表现出负非对称响应。因此，随着未来干旱和湿润事件的同时增加，湿润事件带来的GPP 增加无法抵消干旱对GPP 的负面作用，可能对全球陆地碳汇产生更不利的影响。通过量化不同生态系统类型中和不同降水变化水平下的ASMI，本研究构建了总初级生产力与降水之间的非对称响应模式，有助于更准确地预测在干旱和湿润事件同时增多的背景下，全球陆地生态系统GPP 的变化趋势。 （4）干旱可以通过调节生态系统的光合物候和生理过程，进而影响GPP。具体而言，干旱通过改变生长季的开始和结束时间（the start/end of the growingseason，SOS/EOS）以及最大GPP（maximum GPP，GPPmax）这三个关键指标，对年际GPP 产生了显著影响。SOS、EOS 和GPPmax 的干旱敏感性在全球范围内存在显著的季节性和空间差异：春季干旱导致寒冷湿润地区SOS 提前，但却推迟了温暖干旱地区的SOS；夏季和秋季干旱导致EOS 提前；而春季和夏季干旱显著降低GPPmax。此外，SOS、EOS 和GPPmax 的干旱敏感性在过去20 年中呈现出一致的增长趋势。具体来说，SOS 对春季干旱的敏感性以每年0.89 daySPEI−1 的速率上升；EOS 对夏季和秋季干旱的敏感性分别以每年6.3 和4.4 daySPEI−1 的速率上升；而GPPmax 对春季和夏季干旱的敏感性分别以每年0.23 和0.17 g C m−2 day−1 SPEI−1 的速率上升。这些指标干旱敏感性的提高与全球陆地生态系统土壤水分的减少和大气饱和水汽压差的增加密切相关。最后，ESMs 能够较准确地模拟SOS 和EOS 的干旱敏感性，但高估了GPPmax 的干旱敏感性。综上所述，本研究从多个维度上量化了全球陆地生态系统GPP 对干旱的响应，揭示了响应的空间格局和控制因子，明确了不同气候区和生态系统类型中GPP 对干旱响应的差异，同时扩展了对于陆地生态系统生产力对干旱和湿润事件非对称响应的认识，并从生态系统光合物候和生理过程的角度阐释了GPP 响应干旱的过程。研究结果为理解干旱强度和频率的增加对全球陆地生态系统GPP 和碳循环的影响提供了重要依据，表明气候变化背景下，干旱可能会进一步限制陆地生态系统生产力和碳汇的增长。最终，本研究为更好地理解生态系统及全球碳循环对干旱的响应提供了理论依据，为优化ESMs 以更准确地预测未来陆地生态系统碳汇的变化提供了参考，为制定生态系统保护措施和气候变化适应政策提供了支持。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 137 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217238]  |
| 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 | 王易恒. 陆地生态系统总初级生产力响应干旱的全球格局及控制因子[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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