陆地生态系统水分利用效率的时空变异及调控机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 豆晓军 |
| 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 | 陆地生态系统 通量观测 水分利用效率 时空变异 调控机制 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 生态系统水分利用效率（WUE）作为表征陆地生态系统水碳耦合过程的关键指标，其时空格局演变与调控机制解析是应对全球气候变化背景下碳汇管理的重要科学命题。准确获取陆地生态系统WUE 的分布格局和变异机制，对综合提升碳汇能力、削减大气CO2 浓度、实现“碳中和”战略目标具有重要意义。基于通量观测融合多源数据与模型集成方法的模拟评估，可以系统揭示WUE 的空间异质性、动态演变规律及影响因子调控机制，为气候变化背景下水碳平衡与协同管理提供理论支撑和科学依据。 本研究根据中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）的实测数据结合多源遥感数据升尺度研制了中国首套基于通量观测的WUE 栅格数据集，并分析了中国WUE 的时空变异特征和规律。为了验证中国区域的特征规律能否适用于区域差异更大的全球尺度， 本研究在收集国际通量研究网络数据集(FLUXNET,AmeriFLUX, ICOS, OzFlux)的基础上，综合气象、植被、CO2 浓度、氮沉降等影响因素使用机器学习模型升尺度研制了全球栅格数据集。基于数据集分析了WUE 的格局特征和时空变异，筛选了主要影响因素，解析了环境因素对水碳耦合过程的调控机制，探究了多因素协同的综合效应。主要结果如下： （1）采用多种机器学习模型算法模拟评估了中国和全球陆地水碳通量，对比发现随机森林模型（RF）的预测结果最优。本研究实现了1982-2021 年0.05°×0.05°分辨率的年尺度模拟，研制了中国陆地首套基于通量数据升尺度模拟WUE 的数据集，并将全球陆地生态系统WUE、GPP 和ET 的模拟精度分别提高到0.63、0.75 和0.65，显著优于前人数据产品。 （2）中国区域WUE 的多年平均值为2.12±0.71 g C kg-1 H2O (Mean±SD)，总初级生产力（GPP）和蒸散发（ET）的多年平均值分别为1208.40±580.61 g Cm-2 yr-1 和516.84±120.93 kg H2O m-2 yr-1。在过去40 年中国区域WUE 显著增加，平均每年增加4.88×10-3 g C kg-1 H2O yr-1。在不同植被类型中，森林和农田的WUE 最高。中国区域WUE 具有高度空间异质性，随经纬度、海拔和气候梯度变化而改变，整体从东南向西北递减。理论上华南地区WUE 最高，不过当GPP超过2200 g C m-2 yr-1 后出现了“饱和”现象。站点观测结果表明植被因素（GPP、植被覆盖度FVC）是驱动WUE 格局变化的主要直接因素，而气候条件则主要通过GPP 间接影响WUE。区域分析结果印证了植被因素的重要性，叶面积指数（LAI）和气温（Ta）的升高显著促进了WUE 的增加，而氮沉降(NOy)和饱和水汽压差（VPD）则表现为抑制作用。CO2 浓度上升显著促进了植被生长从而间接提高了WUE。中国水碳通量之间存在着强烈的保守性，但地区差异显著，通过提高WUE 实现增汇的理想地区是ET 处于400~500 kg H2O m-2 yr-1 的区域。 （3）全球WUE 的多年平均值为2.07±0.65 g C kg-1 H2O，GPP 和ET 的多年平均值分别为1063.15±720.49 g C m-2 yr-1 和493.89±225.64 kg H2O m-2 yr-1。全球水碳通量整体存在显著的分异规律，WUE 的高值区集中在欧洲大部、北美洲东南部、东南亚以及南美亚马孙地区，GPP 和ET 的空间分布整体相似，高值区集中在热带地区。本研究发现WUE 在环境因素上存在最适区间，光合作用主导了WUE 的增加阶段而蒸散发主导下降阶段。全球WUE 在2012 年后出现了快速增加，因子分析发现FVC、向下长波辐射（DLR）和铵态氮沉降（NHx）具有显著的促进作用而土壤温度（Ts）显著抑制。为了探究多因素协同带来的综合作用，本研究通过构建公式[FVC×DLR/Ts]较好地反映了WUE 的变化过程（R2=82.27%），其中FVC 占据主导地位。CO2 施肥效应和VPD 对WUE 的影响并不显著。从水碳耦合循环角度来看，碳循环主导了全球WUE 的变化，GPP 的增速快于ET 从而使得WUE 升高时并未带来ET 的等比增加，并且这种异质效应在全球尺度比站点尺度更为明显。全球和南北半球GPP 的持续增长得益于FVC 的增加，但FVC 对南北半球ET 的影响并不一致，表现为促进南半球而抑制北半球，这种区域补偿效应使得两个半球的影响相互抵消，削弱了FVC 对全球ET 的总体影响，进而将ET 的主控因子由南北半球的FVC 转变为全球的Ts。综合以上研究结果，本研究发现中国和全球陆地生态系统的WUE 存在着高度空间异质性，环境因素对WUE 的调控存在非线性阈值效应。本研究通过多源数据融合构建了站点向区域升尺度的水碳通量数据集，提高了模型泛化能力。此外，WUE 在1982-2021 年间整体增加，植被因素在提高水碳耦合过程中发挥了关键作用。模拟评估结果揭示了中国和全球陆地生态系统WUE 的演变规律与驱动机制，阐明了碳汇功能提升的水分约束边界，挑战了CO2 浓度升高直接促进WUE 的传统观点，对优化“碳中和”路径下的生态建设布局具有重要科学价值。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 180 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217256]  |
| 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 | 豆晓军. 陆地生态系统水分利用效率的时空变异及调控机制研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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