北半球多年冻土区冻融作用对生态系统碳循环的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 朱瑜 |
| 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 | 郑度 ; 赵东升 |
| 关键词 | 多年冻土区 碳循环 生物地球化学模型 气候变化 冻融作用 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 冰冻圈是全球气候系统多圈层相互作用的核心纽带，其对于气候变化高度敏感并具有强烈的反馈作用。冻土是冰冻圈的重要组成部分，而本文关注的多年冻土区尤为关键，其面积占据了北半球陆地总面积的约四分之一。多年冻土区土壤中储存有大量的有机质，是陆地生态系统巨大的碳、氮库，这与该区域寒冷气候对土壤有机物分解的抑制密切相关。气候变化下全球高纬度与中纬度高海拔地区的快速升温导致了多年冻土的普遍退化，主要表现为融化深度的增加，该趋势预计在未来将进一步加强。多年冻土生态系统中封存的大量有机碳氮因此面临气候变化和冻融过程的扰动，经微生物分解后进一步参与生态系统碳氮元素循环，对区域碳循环乃至全球碳收支动态造成影响。 在气候变化背景下，探明生态系统碳循环对冻融作用的响应对于明晰气候变化对于多年冻土区的作用过程具有重要意义。冻融过程对生态系统碳循环的作用机制复杂。一方面，冻融过程通过调整土壤水热状态，直接影响植被生产与土壤有机质分解；另一方面，冻融过程通过释放被冻结的深层土壤养分和调整植被物候的发生来影响生态系统的固碳过程。本文整合遥感数据、实测数据与多个模型方法，建立基于遥感方法的模型参数化方案，基于多源数据改进生物地球化学模型，模拟了北半球多年冻土区及青藏高原典型多年冻土区内冻融作用对于草地生态系统的影响，探究了冻融作用的影响机制。总体而言，本文首先在北半球多年冻土区尺度上基于遥感方法揭示了冻融过程对于碳循环动态的影响路径，基于模型方法揭示了冻融过程对于碳循环动态的影响程度与影响机制。并随后在典型的青藏高原多年冻土区开展区域模拟，以预测未来气候变化下冻融作用对典型研究区碳循环动态的影响。本文的主要结果如下： （1）冻融过程通过影响植被物候进程及生理进程来调节植被生产力及其年内分配。针对北半球多年冻土区生态系统，本文基于植被生产力遥感数据与气候再分析数据，提取植被生产力物候参数与生理参数，计算植被春季碳吸收起始日物候的温度敏感性，建立植被生产力与植被物候及生理过程的关系。基于地表冻融状态遥感数据与再分析土壤温度数据，本文提取土壤冻融指标，分析土壤冻融过程对植被物候、生理过程的影响，探究土壤冻融过程对植被生产力的影响路径。结果表明基于生长季碳吸收期长度（ ）、稳定峰值期长度（ ）及峰值生产力（ ）的植被物候-生理协同指标( + )∙ 对于北半球多年冻土区植被年生产力的变异解释程度超过87%，指征了物候过程对于植被生产力大小的控制作用。植被春季碳吸收起始日的温度敏感性指示了植被采取的物候策略，高温度敏感性植被通过延后春夏物候指标影响植被生产力的年内分配。在此基础上，土壤解冻期长度通过同步植被碳吸收期长度、延长解冻期以提升植被生产力；春季解冻时间通过调节植被春季生长的响应速度来改变碳吸收起始日的温度敏感性，进而影响植被生产力的年内分配。总的来说，北半球多年冻土区的土壤冻融作用可以调整植被物候与生理进程，从而影响植被生产力及其年内分配。因此，为了准确模拟北半球多年冻土区的碳循环过程，需要进一步优化生物地球化学模型对植被物候过程的表征。 （2）冻融作用、气候变化及大气二氧化碳共同调控北半球多年冻土区草地生态系统碳循环过程，冻融物候与植物物候的不匹配削弱了冻土融化释放营养对植物生产的积极作用。针对北半球多年冻土区草地生态系统，本文发展了基于遥感方法的QUINCY模型物候过程参数化方案，该方案考虑了北半球多年冻土区不同区域特征参数的异质性。结果表明，在0°C积温计算阈值的基础上，春季生长季起始日的最大积温需求阈值在温带干旱草原多年冻土区与其他北半球多年冻土区分别对应于550 °C days与50 °C days；秋季生长季结束日的衰亡温度阈值在环北极高纬度冻土区与青藏高原分别对应于3.5°C与0°C。冷激需求项对气候变化并不敏感，可以考虑从模型中剔除。随后应用提取的模型物候参数改进QUINCY模型以提升模型在北半球多年冻土区的适用性，并基于改进模型对研究区内18个具代表性的草地生态系统站点开展模拟与模型验证。结果表明，改进的QUINCY模型具有良好的模拟效果（R2=0.79）。生态系统总生产力、净生产力及土壤异养呼吸在1901-2019年间持续增加并在1960年后加速上升，植被碳库及土壤表层碳库相应增加，生态系统在研究期间持续表现为碳源。冻土融化的营养作用、大气二氧化碳及气候变化共同作用使植被多年平均总生产力提升超过60 g C m-2。在这三种作用中，冻土融化释放的营养对于植被生产力提升的作用微弱，这是因为土壤融化峰值与植被生产力峰值不匹配，导致植被无法完全利用由于解冻过程而增加的土壤深层矿化无机氮营养。 （3）随着气候变暖的持续，青藏高原典型多年冻土区土壤有机碳密度持续下降，冻融过程对土壤有机碳密度的影响持续增强。青藏高原多年冻土区具有与环北极冻土区不同的水热条件，并表现出区域内部典型的地理分异。而基于点位的QUINCY模型无法在区域上模拟碳循环过程。本文以青藏高原典型多年冻土区为研究区，耦合CENTURY模型与Kudryavtsev冻土模型以表征研究区内的土壤冻融过程，结果表明在模型中考虑冻融过程能够有效提升多年冻土区碳循环过程模拟的准确性。1961-2015年间，青藏高原典型多年冻土区平均土壤碳密度为2.12 kg·C·m–2，呈现出从研究区南部向研究区北部逐渐减少的空间分布特征。在CMIP5所有未来气候情景下，青藏高原典型多年冻土区平均土壤碳密度呈现显著的下降趋势（-4%~-9%），下降区域主要分布在覆被有高寒草甸的岛状多年冻土及季节冻土区。随气候变暖的持续，土壤有机碳密度的损失预计在未来将更加显著。冻融作用对土壤有机碳损失的影响随着气候变暖而逐渐加剧，并将在未来持续增加，造成在2050年末RCP8.5情景下约10%的土壤有机碳损失。冻融作用同时作用于植被生产与土壤呼吸，但对植被生产的刺激不足以抵消对土壤呼吸的增加作用，促使青藏高原典型冻土区由碳汇向碳源转变。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 193 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217283]  |
| 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 | 朱瑜. 北半球多年冻土区冻融作用对生态系统碳循环的影响[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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