生物多样性调控下的植被对气候变化的响应与适应性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 申鹏举 |
| 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 | 吴朝阳 ; 汪箫悦 |
| 关键词 | 生物多样性 植被物候 物候异步 极端气候 生产力 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 在全球变化背景下，植被物候演变与生产力波动已成为表征生态系统响应的重要指标。作为气候变暖的敏感指示器，植被春季展叶期的时序变化不仅调控植物生长节律，更通过改变生态系统碳水循环与能量分配影响生态功能。值得注意的是，气候变暖在导致植被春季物候提前的同时，因不同物种的响应差异而引发物候异步现象，可能触发连锁生态效应，从而影响生态系统的物种组成和功能稳定。尽管全球变化对植被物候的影响已得到广泛关注，但现有研究大多聚焦于气候因子的作用，尤其是温度对物候的直接影响，而生物因子（如生物多样性）对植被物候的调控作用与机制尚不明确。此外，虽然不同植物物种对气候变化的响应差异已被广泛证实，但由此产生的植物物候异步现象尚未得到系统性评估，其空间格局、变化趋势、驱动因素仍不清晰，可能引发的物候错配、食物链断裂、竞争加剧与多样性损失等潜在生态风险亦未引起足够重视。另一方面，生物多样性作为维持生态系统稳定性的关键因素，可通过增强物种间的功能冗余性和互补性来提高生态系统对外部环境变化的适应能力。然而在复合极端气候事件频发的情况下，生物多样性能否继续维持其稳定效应仍存在很大的不确定性。 在这一背景下，本研究旨在深入解析气候变化、植被动态和生物多样性间的交互作用机制，重点关注生物多样性在植被响应气候变化过程中的调节机制。为此，本研究从全球森林生物多样性倡议（GFBI）选用了实测和机器学习模拟的两套生物多样性数据集，包括775,388条地面观测记录，覆盖全球大部分的森林区域。同时，结合MODIS的500米高分辨率植被物候数据集、基于AVHRR GIMMS-3G+ NDVI数据利用多种算法提取的植被物候数据集、BEPS过程模型生成的GPP和日光诱导叶绿素荧光（CSIF）等多套生产力指标、CMIP6项目的13种地球系统模型4种未来发展情景数据集、SoilGrid土壤属性数据集和ERA5气候因子等数据集，首先系统分析了北半球中高纬度地区植被春季物候1982-2100年的历史变化、未来演变以及气候适应性；其次，分析了生物多样性对植被春季物候的调控机制，评估了当前一些地球系统模型的局限性；再者，揭示了区域内植被物种的春季物候异步现象和变化趋势；进一步评估了植物物候异步对生物多样性和生态系统生产力的影响，并解析了其影响机制；最后验证了复合极端气候背景下生物多样性的稳定效应依旧存在，但可能随干旱加剧而丧失。主要结论如下： （1）研究表明，北半球的植被春季展叶期普遍提前，但不同地区、功能类型和气候区下的植被物候变化特征存在差异。非线性模型显示，季前气候条件，尤其是季前温度，是影响植被展叶的主要因素，其主导区域约占60%。在未来气候情景分析中，4种不同的排放情景下春季物候均持续提前，且高排放情景下提前幅度更大，尤其在SSP5-8.5情景下，春季物候提前速率较快。尽管在低排放背景下物候提前现象依然存在，但植被的气候敏感性逐渐降低，提前幅度逐年减弱，甚至在2060年后出现大部分区域春季物候推迟的现象。 （2）研究发现，生物多样性在很大程度上缓冲了植被春季展叶期对升温的响应。进一步的评估表明，生物多样性对植被物候的影响甚至超过了气候因素。深入分析其作用机制后发现，生物多样性可能通过改善土壤理化性质、增加养分供应、增强抗逆能力和提高生产力等途径调节植被物候。此外，生物多样性驱动的植被根系变化也是潜在的原因之一。研究还发现，现有的部分地球系统模型未能捕捉到生物多样性与温度敏感性之间的负相关关系，这进一步凸显了在预测气候变化对物候和生态系统影响时，纳入生物多样性缓冲效应的必要性。 （3）研究表明，2001-2023年间，北半球78.0%的区域植被春季物候异步性呈上升趋势，欧洲72.7%的物候站点进一步验证了物种间物候异步加剧的现象。深入分析发现，温度敏感性差异加之区域内春季温度和春季升温速度的变异性，可能是导致这一现象的内在原因。此外，研究还发现早展叶物种对气候变化的响应更加敏感，比晚展叶物种提前的幅度更大，可能进一步加剧物候异步。研究还表明，生物多样性在缓解物候异步方面发挥了显著的作用，可能的机制是通过降低植被的温度敏感性来间接调节物候。除了生物多样性外，土壤有机碳、冠层复杂性和植被覆盖度也是驱动植被物候异步性变化的重要因素。 （4）研究表明，在北半球中高纬度地区，75.5%的区域植被春季展叶期的异步性对生产力产生了负面影响，并且这种负面影响在不同的生态区、植被功能类型、空间尺度表现一致。因果分析（DoWhy与CCM）进一步证实了这一结论。此外，研究还发现，在56.3%的区域，植被物候异步负面效应在很大程度上抵消了春季物候提前带来的GPP增益。机制分析表明，物候异步导致资源利用效率下降，尤其是水分和光能的利用效率降低，可能是生产力损失的重要原因。同时，物候异步加剧了物种竞争、资源分配不均和生物多样性损失，也可能是导致生产力下降的关键因素。 （5）研究表明，在1983-2018年间，全球复合干旱-热浪事件的频率、强度和持续时间均呈显著上升趋势，其强度增幅远超单独干旱或热浪事件。进一步分析发现，复合事件的时空叠加特性导致植被生产力受损的范围（58.2%的显著负相关区域）远超单一事件（热浪28.1%、干旱30.5%）。此外，研究还发现，在约 68.3%的区域内，生物多样性依然发挥着稳定效应，有助于植被抵御复合干旱-热浪事件的侵害，并且这种稳定效应会随着物种丰富度和均匀度的增加而得到增强。然而，研究还发现，干旱的加剧可能会导致生物多样性稳定效应的丧失。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 131 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217349]  |
| 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 | 申鹏举. 生物多样性调控下的植被对气候变化的响应与适应性研究[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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