耦合植物水力学和气孔优化理论的VIP模型碳水通量模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 谢舒笛 |
| 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 | 莫兴国 |
| 关键词 | 水碳耦合 植物水力学 最优气孔理论模型 干旱响应 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 作为陆地表层物质与能量交换的核心环节，生态系统的碳循环与水循环通过气孔调控的蒸腾作用和光合作用紧密耦合。在全球气候变化的背景下，干旱发生的频率和强度显著增加，加剧了碳—水循环预测的不确定性。然而，当前大多数陆表模型未能显式描述植物的水力调节机制，而是依赖经验性土壤水分胁迫函数来参数化干旱对碳水循环的影响。这一方法缺乏坚实的植物生理学理论支撑，已被证实会引入较大的不确定性。因此，亟需发展新的建模框架，以改进陆面过程模型中干旱胁迫的表征，并提升模型对植被—气候相互作用的预测能力。这一挑战是当前地球系统科学研究亟待突破的关键问题。 本论文首先基于Vegetation Interface Process（VIP）模型对中国典型干旱半干旱区—三北防护林工程区的蒸散发（ET）和总初级生产力（GPP）进行模拟，并对其时空变化特征及驱动机制进行深入分析，以评估VIP模型在不同时间尺度和空间区域的适用性。这些分析不仅有助于全面理解基准模型的模拟性能，还为后续的模型改进奠定基础。其次，构建了新的植物水力学模块，并耦合到VIP模型中（VIP-PHS模型），考虑叶片水容和木质部水容对植物水通量的调节作用，并以叶水势代替土壤水来表征植物水分胁迫，再利用马尔科夫链蒙特卡洛法进行模型参数优化，在全球30个涡度相关站点进行模拟验证，以探究植物水力对ET和GPP模拟的影响。VIP-PHS模型以叶水势而非土壤水分作为限制碳水通量的植物水分胁迫函数，推动了干旱胁迫表征的发展。然而，这本质上仍属于经验性的β函数。鉴于此，最后，在纳入植物水力学的基础上，进一步构建了基于“水力损害”的最优气孔行为理论模型，假设植物通过调节气孔导度，使瞬时碳增益与水力成本之间的差值最大化，并在多尺度上评估该新模型（VIP-SOY模型）在模拟植物干旱响应中的表现。 本论文的主要结论如下： （1）VIP模型在三北防护林工程区ET和GPP的年际变化、时空分布及驱动机制方面均表现良好，模拟结果与观测数据及已有研究较为一致。VIP模型模拟的子流域ET与基于GRACE-TWS数据计算的ET吻合较好（RMSE = 45.48 mm yr⁻¹）。森林、草地和农田模拟年GPP和站点实测年GPP的RMSE为191 gC m-2、133 gC m-2和138 gC m-2。长期变化分析表明，VIP模型模拟的年均ET为217 ± 148 mm，接近基于VIC模型模拟的254.2 mm。四个分区的ET均呈上升趋势，其中黄土高原分区增长速率最高（1.58 mm yr⁻¹），与利用Budyko框架模拟的结果（1.34 mm yr⁻¹）接近。分区分析表明，蒙新区降水对ET和GPP的相对贡献率最大，而在黄土高原区、东北区和华北区净辐射变化和植被变化是驱动ET变化的主导因子，CO2浓度上升和植被变化是驱动GPP变化的主导因子。总体而言，VIP模型较好地再现ET和GPP的时空变化及其对主要驱动因子的响应，适用性良好。但模型对干旱胁迫的表征简化，可进一步通过考虑对植物生理过程的耦合进行模型改进。 （2）用马尔科夫链蒙特卡洛法反演的重要植物水力参数Ψ₅₀与可用的实际测量值较为一致。与经验土壤水力方案（VIP-SHS）相比，VIP-PHS提高了研究站点的ET和GPP模拟精度，将均方根误差(RMSE)降低了0.02-0.27 mm day-1和0.04-0.52 g C m-2 day-1。在常绿针叶林中，VIP-PHS可使ET和GPP的RMSE分别降低45%和55%。与VIP-SHS相比，VIP-PHS降低了ET和GPP对土壤水的敏感性，显著提高了低土壤水分条件下ET和GPP的模拟效果。敏感性分析表明，植物茎水容越大，日最小茎水势越大（负值越小），木质部水分胁迫缓解效果越好，为植物提供的可利用水越多，植物固定的碳越多。这些发现进一步展示了在未来气候变化和极端干旱条件加强的情景下将植物水力学纳入下一代地球系统模型的必要性。 （3）VIP-SOY模型较好地再现了不同植物在光照、二氧化碳浓度和水分胁迫条件下的气孔调节机制，其模拟结果与文献报道的趋势一致。模型中的Ψ₅₀调控了对环境响应的敏感性，预测显示抗空化能力较强的植物在更干旱和较低二氧化碳条件下仍能维持较高的气孔导度。在叶片尺度上，VIP-SOY模型相比VIP-β模型，在模拟气孔导度对土壤干旱的响应时表现更优，VIP-β模型在较湿润条件下便预测气孔迅速关闭，低估了实际的气孔导度。在站点尺度上，VIP-SOY模型的参数校准结果显示，大多数植物功能类型的校准水力参数（Ψ₅₀和a值）均在观测均值的合理范围内。VIP-SOY模型能够较好地再现不同森林生态系统的季节性ET和GPP变化，并且在日尺度和月尺度上的模拟精度与稳定性较VIP-β模型显著提升。 本论文的主要创新点包括：（1）构建了新的植物水力学模型，考虑了叶水容和茎水容对植物水通量的调节作用，以叶水势代替土壤水来表征植物水分胁迫，并为模型提供了一个计算效率更高的解析解算法，提高了模型对干旱胁迫影响的模拟能力和计算效率。（2）在将植物水力纳入模型后，构建新的基于“水力损害”的气孔优化模型，建立了水分传输与气孔导度的直接联系，克服了传统植物水力学模型的局限性。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 152 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217303]  |
| 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 | 谢舒笛. 耦合植物水力学和气孔优化理论的VIP模型碳水通量模拟研究[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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