基于改进光能利用率模型的青藏高原草地总初级生产力模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李睿 |
| 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 | 李宝林 |
| 关键词 | 青藏高原 高寒草地 总初级生产力 光能利用率模型 光胁迫 植被覆盖度 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 准确估算总初级生产力（GPP）对于理解全球碳循环、气候变化及其对生态系统的影响具有重要意义。青藏高原作为全球最大的高寒草地分布区，其生产力变化会对全球碳循环平衡、牧区民众生计以及草地资源可持续利用产生深远影响。光能利用率（LUE）模型因其简洁性和与遥感数据的高度兼容性，成为GPP估算的主流方法。本研究针对青藏高原植被生长状况以及辐射环境的高时空变异特征，拟建立改进的光能利用率模型以提高青藏高原草地GPP模拟精度，为揭示其时空变化规律及驱动机制提供更为可靠的数据支撑。本研究取得的主要进展如下： （1）提出了考虑植被覆盖度以改善具有非绿色植被冠层分布区域的光合有效辐射吸收比例估算方法 Beer-Lambert定律的植被冠层为均匀混浊介质假设，使得在非绿色植被冠层存在的情况下，会低估叶片之间的相互遮挡作用，从而低估冠层对太阳辐射的透射率，高估植被对太阳辐射的吸收能力，进而导致光合有效辐射吸收比例（FAPAR）高估。因此本研究提出的估算方法，首先根据植被覆盖度（FVC）确定绿色冠层分布区域比例，然后基于FVC将像素（样地）的平均叶面积指数（LAI）转换为实际绿色冠层分布区域的LAI，进而计算绿色冠层分布区域的FAPAR，最终基于FVC得出像素（样地）的平均FAPAR。基于BigFoot项目的FAPAR和LAI以及对西非塞内加尔热带稀树草原的原位测量结果验证表明，与MODIS FPAR产品和基于MODIS LAI计算的FAPAR相比，考虑FVC后的FAPAR平均绝对百分比误差（MAPE）分别减少52.1%和25.6%，平均百分比误差（MPE）分别减少82.4%和71.6%。 （2）建立了考虑光胁迫和非绿色植被冠层影响的改进LUE模型改善青藏高原草地GPP模拟方法 鉴于青藏高原高度时空变异的植被生长特征，如果根据经典方法基于Beer-Lambert定律通过LAI估算FAPAR，会导致FAPAR的高估；青藏高原剧烈的太阳辐射变化使得光强对光能利用率的影响在青藏高原地区表现得尤为突出。因此，本研究建立了考虑光胁迫和非绿色植被冠层影响的改进光能利用率模型来改善青藏高原草地GPP模拟方法。该方法通过考虑FVC解决存在非绿色植被覆盖下的FAPAR高估，通过考虑光胁迫因子来解决由于太阳辐射剧烈波动导致的光能利用率大幅度变化。研究结果表明，与不考虑FVC的模型相比，在高寒草原和高寒草甸30分钟尺度上，考虑FVC的模型R2分别提高了4.3%和5.6%，RMSE分别降低了7.2%和7.4%；8天尺度上，考虑FVC的模型R2分别提高了5.6%和9.9%，RMSE分别降低8.6%和6.8%。考虑光胁迫因子模型精度要优于不考虑模型，考虑光胁迫的模型与不考虑光胁迫的模型相比，30分钟尺度上，在高寒草原和高寒草甸R2分别提高了21.6%和6.3%，RMSE分别降低了28.9%和20.7%；8天尺度上，在高寒草原和高寒草甸R2分别提高了5.3%和5.1%，RMSE降低了22.7%和21.9%。另外，研究结果也表明在全球尺度上也可以改善FVC波动较大草原区的GPP估算精度。 （3）初步验证了考虑光胁迫LUE模型在青藏高原高寒草地可靠性 在微观层面，植物光能利用率对光的响应主要受光系统II（PSII）的控制，基于在青海三江源地区实测的GPP、光合有效辐射（PAR）、PSII量子产率（QY）以及真实LAI，确定了高寒草地的LUEmax和光胁迫因子函数，并与改进LUE模型参数优化得到的LUEmax和光胁迫因子函数进行对比，以验证改进LUE模型参数优化得到的LUEmax和光胁迫因子函数的可靠性。研究结果表明，基于双曲线的光胁迫因子函数具有较强的稳健性，但当PAR低于500 mol m−2 s−1之时，其与实测光系统II效率函数还存较大的差异，当PAR高于500 mol m−2 s−1之时二者较为一致；不同LUE模型参数优化得到的LUEmax具有很大的差异，其原因主要在于不同LUE模型参数优化得到的LUEmax具有不同的物理意义。 （4）近20年青藏高原草地GPP模拟揭示了时空格局变异 从GPP的空间分布格局来看，其大小主要反映了水热条件对植被生产力的控制作用。研究发现，温带草甸的GPP高于高寒草甸，温带草原的GPP高于高寒草原，这主要是由于高海拔地区地势较高、生长期较短的气候特征导致的生产力差异。其次，关于青藏高原GPP的长期变化趋势，有51.0%草地年均GPP呈现显著增长态势，即2023年的模拟GPP较2003年的模拟GPP存在显著增加。研究发现，人类活动在青藏高原GPP增长中占据主导作用，这一特征在变化幅度最大的区域表现尤为突出。GPP显著增加区域主要集中在四个区域，一是三江源中西部地区，主要为包括至多西部、曲麻莱和玛多、达日、甘德、玛沁等县域，其中三江源国家公园增加更为突出。二是可可西里地区，包括青海治多县西部、格尔木市的唐古拉山乡以及西藏那曲西北部（唐古拉山以北）等地。三是在青海共和盆地。四是在祁连山东部高寒灌丛、高寒草甸分布区。其中三江源西部地区和青海共和盆地GPP增加最为突出。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 174 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217351]  |
| 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 | 李睿. 基于改进光能利用率模型的青藏高原草地总初级生产力模拟研究[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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