中国及其草地样带蒸散的时空格局与驱动机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 马乐新 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 于贵瑞 ; 陈智 |
| 关键词 | 蒸散 环境响应 草地样带 通量观测 机器学习 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 蒸散作为水文循环的核心环节，涉及复杂的物理与生物过程，在地球系统的能量平衡与水循环中发挥关键作用。中国西北深居亚洲内陆，东部毗邻太平洋，受季风气候与复杂地形的影响，蒸散呈现显著的空间差异。位于东亚季风边缘、受青藏高原影响的中国草地样带，是蒸散变化幅度最大、不确定性最高的区域之一。该样带由温带草原与高寒草原构成，二者水分状况差异显著，为探究草地蒸散对环境因子的响应及湿度梯度效应提供了理想平台。基于此，本研究旨在：（1）整合通量观测数据，系统分析中国不同生态系统的蒸散特征及其主导驱动因素，并评估多源蒸散产品在中国的适用性与不确定性。通过比较生态系统间蒸散的差异及其与气候、植被和地理因子的相互作用，揭示蒸散时空分布的关键控制机制；（2）聚焦中国草地样带，探讨温带与高寒草地的蒸散特征及驱动机制，分析二者对气候变化的响应差异。构建适用于该区域的蒸散产品，解析蒸散的时空变化趋势及其对碳源汇格局的影响，以深化对草地生态系统水碳循环过程的理解。 基于上述研究目标，本研究在第三章整合了全国150个通量观测站点的数据，并采用地理-气候-植被的级联思路，探讨中国陆地生态系统蒸散空间变异的形成机制。鉴于站点观测数据的局限性，第四章进一步评估了中国陆域常用的9个蒸散产品的适用性，并基于评估结果解析蒸散的时空格局及其驱动机制。空间分析结果表明，受季风边缘影响的干旱与半干旱交界区蒸散不确定性较高，该区域正位于中国草地样带内。在此基础上，第五章以中国草地样带为研究对象，基于蒸散产品与观测数据，探讨草地蒸散及其对环境因子的响应随湿度梯度的变化规律。同时，考虑到现有蒸散产品主要应用于全球尺度，在草地样带地区存在较大不确定性，第六章利用机器学习方法结合通量观测数据，生成了适用于中国草地的蒸散产品，并进一步明确了干旱事件对草地样带蒸散的影响。主要结果如下： （1）中国陆地生态系统蒸散的空间格局及驱动机制：基于150个通量观测站点的数据，明确了中国不同生态系统的蒸散特征。结果表明，各生态系统的年均蒸散量介于146.95-1125.33 mm yr-1之间，平均值为551.00 ± 204.12 mm yr-1。气候和植被因素直接影响蒸散的空间分布，并存在复杂的级联关系。地理因素决定了气候的空间格局，而气候因素则主导植被的分布模式。尽管植被对蒸散的空间变化具有直接影响，但在考虑地理-气候-植被的级联关系后，气候因素的作用更为突出，其中降水是决定蒸散空间格局的关键变量。 （2）中国蒸散产品的适用性评估与时空格局分析：基于通量观测数据集，评估了2000-2020年间9种常用蒸散产品的适用性，包括基于物理模型的遥感产品（MODIS、CR、GLEAM）、再分析产品（ERA、GLDAS、MERRA）及集成分析产品（CAMELE、DOLC、EREA）。结果显示，这些产品在反演中国蒸散基本特征方面表现良好，相关系数在0.74-0.84之间，且集成分析产品整体优于再分析和遥感产品。然而，蒸散产品的准确性和不确定性随空间尺度和算法不同而变化，尚无单一产品完全适用于中国蒸散研究，相对而言，CR和CAMELE产品的表现较优。蒸散的空间分布呈现东南向西北递减趋势，与中国水热资源格局一致；时间动态上，几乎所有生态系统的蒸散均呈显著增加趋势，增速较快的区域集中在东北平原、黄土高原和云贵高原南部。 （3）中国草地样带蒸散的空间特征及主导因素：基于48个通量观测站点数据（2003-2020年）并结合蒸散产品，分析了中国草地样带（高寒草地与温带草地）蒸散的空间分布及其驱动机制。研究发现，草地样带的年均蒸散量为371 ± 132 mm yr-1，其中高寒草地（454 ± 119 mm yr-1）的蒸散量显著高于温带草地（320 ± 115 mm yr-1）。随着湿润程度的增加，饱和水汽压差和净辐射对蒸散的影响逐渐增强。解耦系数（Ω）在温带草地显著低于高寒草地，表明温带草地蒸散受饱和水汽压差的控制更强。叶面积指数和降水对蒸散的空间影响随湿润程度增加而减弱。此外，高寒草地的冠层导度及其对饱和水汽压差变化的敏感性高于温带草地，而温带草地的蒸腾/蒸散比对饱和水汽压差的敏感性更高，反映出其更为保守的水分利用策略。 （4）草地样带蒸散产品的构建及蒸散时空变化：针对现有蒸散产品在草地样带地区的不确定性，本研究基于机器学习方法和通量观测数据，生成了一套适用于中国草地样带的蒸散产品，并通过站点尺度的评估验证了其精度和可靠性。结果表明，该产品在该区域的适用性优于现有产品，为草地蒸散的监测和评估提供了更精确的工具。过去四十年间，高寒草地的蒸散量持续增长，而温带草地在1999-2011年间经历了显著下降，这一趋势与降水减少密切相关，并与全球范围内1998年后的蒸散下降现象一致。高寒草地的蒸散增加可能源于青藏高原特殊的水文气候条件及全球变暖背景下饱和水汽压差的增强。此外，高寒草地表现出显著的碳汇特征，而温带草地的碳源汇动态则与降水的年际波动高度相关。 综上，本研究从全国尺度到草地样带尺度，系统解析了蒸散的空间格局、驱动机制及其时空演变，不仅深化了对草地生态系统水碳循环过程的理解，也为蒸散估算与干旱评估提供了更可靠的数据支持。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 160 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217254]  |
| 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 | 马乐新. 中国及其草地样带蒸散的时空格局与驱动机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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