中亚热带人工针叶林生态系统碳水通量的观测和模拟研究

摘要

森林生态系统水热和CO<,2>传输过程是国际研究的前沿问题。理解森林生态系统水、能量和CO<,2>传输机制有助于了解森林生态系统在陆地生态系统碳水循-环中的作用，并认识森林生态系统过程与功能对干旱与气候变化的响应规律。本研究将基于生理生态学过程，模拟生态系统下垫面与大气之间碳水通量交换的综合模型-EALCO(Ecological Assimilation of Land and Climate Observation)模型引入国内，将其应用在中亚热带人工针叶林生态系统，对模型进行参数化与初始化使其能够较好地连续模拟该生态系统三年连续的碳、水和能量通量交换状况，同时用通量观测数据对模拟结果进行检验，利用EALCO模型揭示该生态系统碳水通量的驱动机制及季节性干旱对人工针叶林生态系统碳吸收及其碳水通量耦合关系的影响，模拟和预测未来气候变化情景下人工针叶林生态系统对气候变化的响应和碳收支状况，以期为我国估计大区域尺度生态系统碳平衡的时间和空间格局特征提供模型储备。 本文的主要研究成果如下： (1)将EALCO模型进行参数化和初始化，并改变模型的光合作用时段和落叶机制等，使之能够较好地模拟亚热带人工针叶林生态系统碳水通量状况，利用通量站的观测数据与模型模拟结果进行比对，检验了模型对水和能量通量特征的模拟效果： 结果表明模型对两个重要的中间变量，即冠层温度和水势的模拟结果较为理想。通过将冠层气孔导度的模拟值与利用Penman-Monteith公式计算的表面导度进行对比发现，除2005年模型模拟的冠层导度偏高外，对其它两年的模拟效果较为理想。净辐射三年的模拟值与实测值之间的相关系数均在0.98以上，模拟效果理想。模拟结果表明，被森林地面吸收的净辐射(R<,n,s>)和被冠层吸收的净辐射(R<,n,c>)之间的比率也表现出比较明显的季节变化形式，比率的月平均值在4或5月份达到最大值0.35左右，之后逐渐减小，至12月或1月降至最低值0.05左右。2003年和2004年潜热通量与显热通量的模拟结果好于2005年。总体来看，三年潜热通量和显热通量模拟值与实测值的相关系数平均分别为0．82和0.62。模拟结果显示，森林地面日平均潜热通量的模拟值介于5-40Wm<'-2>之间，2003-2005年森林地面年总潜热通量分别占年总冠层潜热通量(LE<,s>/LE<,e>)的8％、11％和12％。观测与模拟的生态系统潜热通量(LE<,e>)占净辐射(R<,n>)的比例在年初至春季(DOY120)之前较小，在30％-50％之间，进入生长旺季，LE<,e>/R<,n>逐渐增加，在50％-80％之间。显热通量的日平均值无明显的季节变化规律，较高的显热通量通常在春季(DOY1OO前后)出现。 (2)检验了模型对碳通量特征的模拟效果： 从碳通量的日变化来看，模型能够较好的模拟碳通量的日变化形式，对2003-2005年的模拟结果进行统计分析表明，模型对NEP的模拟相关系数为0.67，斜率及标准差分别为0.90和3.96μmol C m<'-2> s<'-1>，可见模型可以在很大程度上反应出该生态系统NEP的日变化趋势。模型对土壤呼吸在半小时尺度上的模拟值接近或略高于静态箱．气象色谱法的土壤呼吸观测值。从碳通量的季节变化来看，模型对2003．2005年GPP、R<,e>和NEP的模拟结果也较为理想，2003年7月和10月生态系统受到干旱胁迫期间，模型对GPP和R<,e>。均存在高估现象。利用箱式法的观测数据与模型模拟的土壤呼吸日总量进行了对比，除2005年生长季期间的模拟值与观测值差异较大，其它年份的模拟值与观测值基本一致。对生态系统各种呼吸组分的模拟结果显示，该生态系统自养呼吸占生态系统总呼吸的比例较为固定为88％。就生态系统自养呼吸来讲，在全年中，植被的维持呼吸均大于生长呼吸。2003-2005年维持呼吸占自养呼吸的比例分别为77％、72％和76％。对土壤呼吸各组分的模拟结果表明，三年中，模拟的根系自养呼吸占土壤总呼吸的70％。 (3)分析了季节性干旱对人工针叶林生态系统碳水通量的影响： 研究结果表明深层土壤水分含量是决定冠层导度的主要因素，进而影响GPP的大小；干旱对GPP的影响比对尺。的影响更为强烈，因此碳吸收能力的下降主要由GPP下降剧烈引起，对GPP下降的环境因素进一步分析表明，在晴天正午之前对光合作用能力产生抑制的因素主要是深层土壤水分，正午之后深层土壤水分匮缺与高温共同影响生态系统光合作用能力，两者对光合作用能力的削弱作用各占一半。2003年高温干旱期间，生态系统呼吸值下降33％左右，生态系统呼吸的降低主要是由植物自养呼吸和土壤异养呼吸的减小共同作用引起。其中自养呼吸的减小主要是由生长呼吸的减小所导致。2003年持续的夏季高温致使生态系统的碳吸收能力下降，2004年10月的水分匮缺对生态系统呼吸的影响更为强烈，因此碳吸收能力并未受到影响，可见生态系统碳平衡的两个组分R<,e>和GPP对干旱响应的方式与程度有所不同，是造成森林生态系统源/汇强度变化的根本原因。此外，干旱还会使植物碳水之间的耦合关系发生改变。 (4)分析了人工针叶林生态系统对气候变化的响应: 研究结果表明，气候变暖会增加ET，从而降低土壤的水通量。但在气候变暖与CO<,2>浓度升高的共同作用下，ET可能会减少，主要原因在于CO<,2>浓度的变化导致了冠层气孔导度的变化。气候变暖会提高生态系统的生产力。与降水增加相比，CO<,2>浓度的增加更能有效地提高生态系统的生产力。CO<,2>浓度升高所引起的总初级生产力的提高，不会被由温度增加所导致的呼吸速率增加而抵消，NEE仍然有增加趋势。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及使用授权声明

第一章陆地生态系统碳水通量模型研究进展

第一节研究意义

1.1全球变化的影响

1.2陆地生态系统碳水通量研究的必要性

1.3模型是生态系统碳水循环研究的关键手段

第二节国内外研究进展

2.1陆地生态系统碳水通量模拟模型研究进展

2.2模型在陆地生态系统碳水通量研究中的应用

第三节研究的目标、思路及主要研究内容

3.1研究目标

3.2研究内容

3.3总体思路和技术路线

参考文献

第二章研究区域与观测系统概述

第一节千烟洲通量观测站概况

1.1千烟洲试验区概述

1.2通量观测系统概述

第二节千烟洲通量观测站的气候特征

2.1降水和土壤含水量

2.2辐射

2.3温度和空气饱和差

2.4风向和风速

第三节通量观测的空间代表性评价

3.1影响通量贡献区的因素

3.2通量贡献最大的点和源权重函数最小的点

3.3通量贡献区的大小

第四节能量闭合状况分析

参考文献

第三章EALCO模型描述及其参数化和初始化

第一节EALCO模型中的能量传输过程

第二节EALCO模型中的水传输过程

2.1冠层的蒸腾

2.2根系吸水

2.3植物水储存量的变化

第三节EALCO模型中的植物及土壤碳氮过程

3.1植物的光合作用

3.2维持呼吸

3.3植物的生长及生长呼吸

3.4植物的凋落

3.5凋落物及有机物的分解与异养呼吸

3.6植物的结构建成

第四节 模型的参数化及初始化

附录

参考文献

第四章亚热带人工针叶林生态系统能量和水通量特征模拟

第一节根系吸水与蒸腾作用

1.1人工针叶林生态系统冠层及土壤水势的模拟结果

1.2根系吸水与冠层蒸腾作用

第二节人工针叶林生态系统冠层温度的模拟结果

第三节人工针叶林生态系统冠层导度的模拟

第四节人工针叶林生态系统净辐射、感热和潜热通量的模拟结果

4.1模拟结果的检验

4.2净辐射吸收

4.3潜热通量

4.4显热通量

4.5波文比

第五节人工针叶林生态系统蒸发散模拟

第六节讨论与小结

参考文献

第五章亚热带人工针叶林生态系统CO2通量特征模拟

第一节人工针叶林生态系统CO2通量的日变化及其模拟

1.1土壤呼吸的日变化及其模拟结果

1.2 NEP的日变化及其模拟结果

第二节人工针叶林生态系统CO2通量的季节变化及其模拟

2.1土壤呼吸的季节变化及其模拟结果

2.2 GPP、Re和NEP的季节变化及其模拟结果

2.3叶面积指数的模拟结果

第三节年碳收支状况及其模拟

第四节模型对生理参数和变量的敏感性分析

第五节讨论与小结

参考文献

第六章季节性干旱对亚热带人工针叶林碳水通量的影响

第一节干旱的表示方法

第二节季节性干旱对亚热带人工针叶林水热通量的影响

2.1季节性干旱对人工针叶林生态系统冠层导度的影响

2.2季节性干旱对人工针叶林能量分配的影响

2.3季节性干旱对人工针叶林冠层与大气耦合程度的影响

第三节季节性干旱对亚热带人工针叶林CO2通量的影响

3.1季节性干旱对人工林生态系统GPP的影响

3.2季节性干旱对人工针叶林生态系统呼吸的影响

3.3季节性干旱对人工针叶林生态系统NEP的影响

第四节季节性干旱对亚热带人工针叶林碳水耦合关系的影响

第五节讨论与小结

附录解耦系数的计算

参考文献

第七章人工针叶林生态系统对气候变化的响应敏感性分析

第一节未来气候变化情景的设计

第二节未来气候变化情景下人工针叶林生态系统的响应

2.1气候变化对EALCO模型中关键过程的影响

2.2人为规定的气候变化情景下人工针叶林生态系统的响应

第三节本章小结

参考文献

第八章主要结论与展望

第一节主要研究结论

第二节本文创新点与特色

第三节研究展望

在学期间发表论文目录

致谢