中国典型森林木本植物氮磷化学计量的时空变化及其对生态系统生产力的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 李晨溪 |
| 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 | 何洪林 |
| 关键词 | 养分限制 森林生态系统 化学计量特征 碳循环模型 生态系统生产力 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 氮（N）和磷（P）是维持高等植物生长和发育的关键营养元素，具有重要的生理和生化功能，影响着植物的生长和生产力，因此，N 和P 的供应状况在很大程度上决定了植物的养分限制状态，进而影响整个生态系统的元素循环和物质流动。近年来，全球变化带来了气候和土壤养分等方面的变化，这使得在此背景下研究植物N 和P 在不同环境条件中的分配与变化、以及养分限制对生态系统生产力的影响变得尤为重要。然而，目前缺乏植物多器官以及生态系统多组分的N和P 化学计量的综合研究，并且由于缺乏长期观测数据，目前其在时间维度上的变化研究也相对稀缺。因此，在全球变化的背景下，探讨植物N 和P 化学计量的时空变化及其与生态系统生产力的关系，对于理解植物乃至生态系统的响应机制十分关键。 中国生态系统研究网络（CERN）在我国不同气候带及不同类型的典型森林区域布设了长期定位观测台站，构建了较为完整的森林生态系统观测体系。本文围绕“中国典型森林木本植物氮磷化学计量的时空变化及其对生态系统生产力的影响”的主题，整合利用CERN 的11 个典型森林台站的22 个样地的数据，在乔木叶片、木本植物多器官、生态系统关键组分等不同的层次，系统探究中国典型森林生态系统中N 和P 化学计量的时空变化规律。结合生态过程模型DynamicAssimilation of Land Ecosystem Carbon (DALEC)和ChinaFLUX 站点的碳通量观测数据，探讨木本植物N 和P 动态和养分限制对生态系统生产力的影响。本文的主要研究工作和结论如下： （1）2005 至2020 年，中国典型森林优势乔木树种叶片N 浓度相对稳定，叶片P 浓度的显著降低（-0.01 g kg-1 yr-1）导致叶片N:P 显著升高（0.57 yr-1），尤其是亚热带东部地区的变化最为显著，而温带地区优势树种叶片N 和P 化学计量则无显著变化。气温和大气CO2 浓度的升高，以及土壤有效P 浓度的降低，是导致中国亚热带东部森林优势树种叶片N:P 升高的主要因素，表明该地区树种所经历的P 限制随着时间的推移而逐渐加剧。 （2）中国典型森林生态系统优势木本植物叶、茎和根的N 和P 化学计量具有相似的空间格局与时间变化趋势，表明木本植物器官间养分具有协同变异的特征。在空间尺度上，随着纬度的升高，各器官整体表现为“N 浓度降低—P 浓度升高—N:P 降低”的格局，气候因子和土壤属性共同解释了器官N 和P 化学计量20.5%-53.1%的空间变异。2005 至2020 年，中国优势木本植物叶、茎、根的P 浓度均降低，N:P 升高，其中根N:P 的升高速率最快（0.50 yr-1）。在不同的功能群和温度带中，常绿阔叶和亚热带木本植物的N:P 升高较快。环境因子的变化促使各器官N:P 协同升高，且高N 沉降的温暖地区，木本植物P 限制加剧更为剧烈。 （3）中国典型森林生态系统平均N 和P 储量分别为652.72 g m-2 和107.91g m-2，其中79.67%的N 和89.45%的P 储存在土壤中，远高于木本植物和凋落物。随着纬度升高，土壤N 和P 储量均显著升高、凋落物N 储量显著降低。此外，N 和P 储量在木本植物与土壤、以及凋落物与土壤间的分配比例也存在显著的空间差异，在热带地区的分配比例（N：0.48、0.03；P：0.27、0.008）高于亚热带（N：0.29、0.02；P：0.15、0.004）和温带（N：0.10、0.01；P：0.05、0.003）。2005 至2020 年，木本植物、凋落物和土壤中的N 储量均显著增加，这与环境因子变化以及其他组分N 储量的增加有关。然而，N 和P 储量在组分间的分配比例无显著变化，表明N 和P 在森林生态系统组分间的分配模式在时间上具有较强的稳定性。 （4）生态系统净初级生产力（NPP）与群落尺度叶片N:P 呈显著的倒“U”型关系，叶片N:P 过低和过高时，NPP 可能分别受N 和P 的限制，适当范围内的N:P 能产生较高的生产力。通过建立N:P 与环境因子的多元回归模型（R2=0.87），在DALEC 模型的光合模块中添加养分限制，有效解决了对总初级生产力（GPP）和净生态系统碳交换量（NEE）高估的问题，GPP 和NEE 的估算R2 分别提高了6.5%和15.2%。研究表明，考虑养分限制的碳循环模型有助于提高森林生态系统关键碳通量的模拟精度。 本研究通过多层次的分析，不仅揭示了中国典型森林生态系统中N 和P 化学计量的空间格局与时间变化趋势，还进一步深化了对养分限制如何调控生态系统生产力的理解。研究结果为评估全球变化背景下森林生态系统的养分动态提供了科学依据，同时也为陆地生态系统碳循环模型中养分限制过程的改进提供参考。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 165 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217362]  |
| 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 | 李晨溪. 中国典型森林木本植物氮磷化学计量的时空变化及其对生态系统生产力的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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