中国水分限制区干旱演变特征及其植被响应研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 姚亭亭 |
| 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 | 刘苏峡 |
| 关键词 | 气候变化 骤旱 植被生产力 水分限制区 海河流域 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 气候变化背景下，全球干旱正在向骤旱发生转变。骤旱是一类在短期内迅速爆发、强度大且破坏性强的干旱事件，多发生在次季节尺度。作为一种特殊的干旱，骤旱以快速发展为主要特征，通常在极端的气象条件下发生。由于预见期短、发展迅速，与缓慢发展的干旱事件相比，骤旱更加难以预测和应对，往往会对生态系统造成严重损害。水资源有限地区生态系统对极端天气格外敏感，在全球气候变化和人为活动的影响下，中国水分限制区成为最脆弱的地区之一。然而，随着全球干旱风险增加，水分限制区生态系统如何响应骤旱仍不清楚，对区域性骤旱响应过程和差异知之甚少。因此，迫切需要深入研究区域性骤旱的发生发展过程和演变特征，厘清不同气候条件下植被对骤旱的响应差异，为骤旱预警和应对措施提供科学依据与决策支持，进而有效地减轻骤旱带来的危害和损失。 本研究首先基于跨部门影响模型比较计划（Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project-3a，ISIMIP3a）的气候驱动数据和全球陆表特征参量（Global Land Surface Satellite，GLASS）的植被总初级生产力（Gross primary productivity，GPP）数据，量化气候变化背景下极端干旱变化特征及其对植被生产力的影响，明确短期次季节干旱的重要性；然后基于土壤湿度对骤旱进行再定义，通过分析发生在海河流域的2019年典型骤旱事件的发展过程，探究骤旱期间的水文气象异常和植被异常，定量评估典型骤旱事件对植被生产力的影响；接着以我国水分限制区为研究区，检测不同气候区的历史骤旱事件，分析区域性骤旱的时空差异；最后利用日光诱导叶绿素荧光（Solar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）和GPP定量计算植被生态系统对骤旱的抵抗力与恢复力，结合统计方法分析植被抵抗力与恢复力的时间变化和空间特征，并基于线性混合效应模型探究影响植被抵抗力和恢复力的主要环境影响因素。论文主要研究结果及结论如下： （1）长期气候趋势加剧了海河流域历史极端干旱事件，导致极端干旱事件更加严重，持续时间和严重程度均显著增加。然而从不同时间尺度干旱的对比来看，自1980年以来短期干旱的严重程度逐渐增加，表明短期次季节干旱正变得越来越严重，影响也越来越大，因此需加强对短期次季节干旱（如骤旱）的关注。（2）在骤旱定义中，当持续时间阈值过短（15天）时，识别的骤旱事件会出现高估现象，部分事件对植被没有形成生长限制。综合考虑骤发性、干旱限制和持续时间，对骤旱事件进行了重新定义：候平均土壤湿度百分位数从40%以上下降至20%以下，且下降速率不小于每候5%；当百分位数恢复至20%以上时，骤旱终止，总持续时间不少于20天；并以总持续时间来衡量骤旱事件的严重程2001–2019年期间，海河流域平均发生了14次骤旱事件，总持续时间分布在25天至40天之间，其中2019年5月发生的骤旱事件最严重，总持续时间约为40天。 （3）骤旱在我国水分限制区内存在明显的时空分异性。2001–2022年期间全区骤旱频率平均约为每十年发生3.5次，持续时间平均约为55天，强化速率平均约为20%，发生时间主要集中在夏季。在时间上，持续时间显著增加，发生面积、强化速率和持续时间变化趋势不显著。在空间上半湿润地区的发生频率和强化速率高于干旱、半干旱地区，干旱地区的持续时间比半湿润地区更长，即随着干燥度的加剧，骤旱持续时间增加，而发生频率和强化速率降低。 （4）SIF能更好地表征植被对骤旱的响应。相比归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI），SIF和SIF产额（SIFyield）对骤旱期间不同植被类型的响应更敏感，骤旱期间的SIF损失与GPP损失的变化高度一致，且SIF损失与GPP损失的相关性更高（R2=0.3501，p<0.01）。 （5）2001–2022年期间水分限制区植被生态系统的稳定性有所下降。水分限制区植被对骤旱的抵抗力没有显著的变化，但植被恢复力在全区呈现波动下降的趋势（斜率为-0.015，p<0.01）。由于水的可用性不同，抵抗力与恢复力之间存在着一定的空间权衡关系。空间特征表明，随着干燥度的增加，植被对骤旱的抵抗力逐渐降低（依次为0.66、0.58、0.52），而恢复力逐渐增强（依次为0.49、0.51、0.55）。同时不同植被的抵抗力与恢复力存在不同的空间权衡方式和权衡程度，这说明抵抗力与恢复力二者之间的空间权衡主要由水的可用性决定，不同植被类型之间没有表现出稳定的植被类型权衡关系。线性混合效应模型的结果显示，干燥度指数（抵抗力的系数为0.064，p<0.001；恢复力的系数为-0.031，p<0.001）、饱和水汽压差（抵抗力的系数为-0.059，p<0.001；恢复力的系数为0.041，p<0.001）和温度（抵抗力的系数为0.041，p<0.001；恢复力的系数为-0.036，p<0.001）是影响抵抗力和恢复力的三个最主要的外部环境因素，且影响因子对抵抗力和恢复力的作用方向相反。 综上，本论文基于站点实测数据、多源遥感数据与气候模式数据，对我国水分限制区骤旱演变特征以及植被响应规律进行量化研究。核心创新点在于改进了基于土壤湿度的骤旱识别方法，揭示了植被响应的区域性特征，探明了SIF检测植被对骤旱的动态响应能力。研究成果有助于深入认识区域性骤旱演变特征和植被响应过程，对气候变化下骤旱监测预警和生态系统风险管理具有重要的理论意义和现实指导。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 139 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217278]  |
| 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 | 姚亭亭. 中国水分限制区干旱演变特征及其植被响应研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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