陆地生态系统溶解性有机碳的时空分布格局与通量估算——基于中国三大河流进行分析

摘要

本论文以陆地生态系统碳循环为主题，针对陆地不同生态系统中溶解性有机碳(DOC)从陆源到水生系统的定量输出这一科学问题展开。DOC的横向运输在连接陆地生态系统和海洋生态系统碳循环中起着重要作用。忽视这部分碳的横向流动会导致陆地生态系统有机碳的低估。因此，整合陆地生态系统DOC浓度和通量数据进入碳循环模型中是十分有必要的，尤其是对于直接连接陆地和海洋碳循环模型的发展。然而，要完成此目标就需要更加精确的信息去掌握和预测DOC的动态变化过程。本论文通过全球陆地不同生态系统土壤溶液DOC以及中国三大河流DOC数据的搜集建库并分析其与环境因子，土壤状况及植被净初级生产力(NPP)各因子间的关系，归纳总结了陆地不同生态系统以及中国三大河流DOC循环的研究现状及不足，并提出其研究的技术路线，用于量化全球陆地不同生态系统以及中国三大河流DOC输出通量。具体地，分析并估算了全球陆地不同生态系统及中国三大河流DOC浓度的分布及输出通量，确定了其DOC的来源及驱动因子等一系列工作，详细阐明了DOC在陆地生态系统碳循环中发挥的重要作用。本研究为全球陆地不同生态系统DOC从陆源进入水生系统的碳通量估算提供一定的数据支撑和为基于生态过程的陆地与海洋碳模型的对接提供数据支撑与验证。其主要结果和结论如下:
　　(1)全球陆地不同生态系统土壤溶液DOC浓度与各因子相关性及其通量输出估算。基于全球陆地不同生态系统土壤溶液DOC实测站点的搜集建库基础上，阐述了陆地不同生态系统土壤溶液DOC浓度的垂直分布以及与土壤状况，环境因子间的相关性分析，明确了森林系统和湿地生态系统中DOC通量输出的主要影响因子。其次，在全球陆地不同生态系统土壤溶液DOC数据库建立基础上，通过土壤溶液DOC输出通量与环境因子以及土壤状况等因子间的关系，建立了经验统计模型，从而对全球森林生态系统和湿地生态系统中土壤溶液DOC输出通量进行了估算，分别是北方森林DOC通量输出约为18.4 Tg·yr-1;温带森林DOC通量输出估算约为15.5 Tg·yr-1;热带森林DOC通量输出估算约为30.4 Tg·yr-1;湿地中DOC通量输出估算约为21.1 Tg·yr-1。
　　(2)黄河流域溶DOC通量输出及其浓度的空间分布特性。黄河流域处于干旱半干旱的气候区，区域内温度和降雨量成为影响河流DOC浓度变化的重要因子。由于受到流域内气候环境的影响导致气温高，蒸发量大，降雨少，DOC通量输出减少。研究结果表明黄河流域DOC的年均入海通量为0.06 Tgyr-1，流域内年均DOC浓度是2.70±0.38 mg L-1，且DOC浓度表现出明显的季节动态变化。
　　(3)长江流域DOC通量输出及其与相关因子的关系。长江流域DOC的年均入海通量是1.85 Tgyr-1，流域内年均DOC浓度是2.24±0.53 mg L-1且有明显的季节动态变化。研究结果表明区域内植被NPP与DOC浓度呈显著正相关关系。由于长江流域处于温带和亚热带气候区，温度的适宜和雨量的充沛，导致植被NPP较高，所以区域内植被NPP是引起河流DOC浓度变化的重要因素之一。
　　(4)珠江流域DOC的通量输出及其影响因子的确定。珠江流域处于温带和亚热带气候区，温度和降雨不再是限制DOC通量的限制性因子，结果表明区域内植被NPP与河流DOC浓度呈显著正相关关系，说明珠江流域区域内NPP是引起河流DOC浓度变化的重要因素。总体地，珠江流域DOC年均入海通量是0.82 Tgyr-1，流域内年均DOC浓度是1.51±0.09 mg L-1。
　　(5)中国三大流域溶解性有机碳的对比性分析。三大河流中DOC的总体入海通量估算约为2.73 Tgyr-1。研究结果表明在三大河流中DOC通量与径流量之间均呈显著性正相关关系，而DOC浓度与区域内植被NPP呈现较强的相关性（黄河除外）。在三大流域中，长江流域DOC年均通量最高，其次是珠江流域，最低是黄河流域。相应的三大流域中DOC浓度为:黄河流域DOC浓度最高，其次是长江流域，珠江流域最低。由于中国三大流域位于不同的气候带，因此三大流域中的DOC浓度和通量具有显著性差异。其中，黄河流域DOC通量要明显低于长江和珠江流域，主要是由于黄河流域中DOC通量受到了低降雨量，高蒸发量以及较少植被覆盖的限制。本研究是基于地理信息系统的基础上对区域内DOC浓度和通量的差异性进行分析，这将有助于提升对中国河流DOC输出通量估算的整体理解。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 陆地生态系统中溶解性有机碳研究进展

1．2．1 DOC与土壤中碳吸附

1．2．2 土壤DOC与温室气体排放

1．2．3 土壤DOC的环境影响

1．2．4 土地利用变化对DOC的影响

1．3 淡水生态系统(以河流为主)溶解性有机碳研究进展

1．3．1 河流DOC的环境影响

1．3．2 河流DOC的输出

1．4 研究中亟待解决的问题

1．5 本论文结构

第二章 研究内容、方法和技术路线

2．1 研究目的

2．2 研究内容

2．3 研究方法

2．3．1 数据的整合与分析

2．3．2 统计分析方法

2．4 研究思路与技术路线

第三章 不同生态系统土壤溶液溶解性有机碳的通量输出

3．1 引言

3．2 陆地不同生态系统DOC的研究现状

3．3 数据来源及分析方法

3．3．1 数据来源

3．3．2 数据分析方法

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 陆地不同生态系统中DOC实测站点的空间分布

3．4．2 陆地不同生态系统DOC垂直分布变化

3．4．3 不同土壤类型下土壤溶液DOC含量

3．4．4 全球陆地不同生态系统土壤溶液DOC浓度和输出通量

3．4．5 全球森林和湿地生态系统土壤溶液DOC通量输出估算

3．5 小结

第四章 黄河流域溶解性有机碳通量估算及时空分布格局

4．1 研究区域

4．2 数据来源与分析方法

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 DOC与径流量间的相关性

4．3．2 DOC的季节动态变化

4．3．3 DOC与气象因子的关系

4．3．4 DOC与NPP的关系

4．3．5 黄河流域溶解性有机碳浓度和通量输出估算

4．4 小结

第五章 长江流域溶解性有机碳的时空分布格局及通量估算

5．1 研究区域

5．2 数据来源与分析方法

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 DOC与径流量间的相关性

5．3．2 DOC浓度和通量的季节性动态变化

5．3．3 DOC与气象因子的关系

5．3．4 DOC与NPP的关系

5．3．5 长江流域溶解性有机碳输出通量的估算

5．4 小结

第六章 珠江流域溶解性有机碳通量估算及时空分布格局

6．1 研究区域

6．2 数据来源与分析方法

6．3 结果分析与讨论

6．3．1 DOC与径流量间的相关关系

6．3．2 DOC的季节动态变化

6．3．3 DOC与气象因子的关系

6．3．4 DOC与NPP的关系

6．3．5 珠江流域溶解性有机碳浓度和输出通量的估算

6．4 小结

第七章 中国三大流域溶解性有机碳的对比性分析

7．1 中国三大河流有机碳整合分析研究

7．2 研究区域总体概况

7．3 三大流域溶解性有机碳入海通量输出值比较

7．4 小结

第八章 总结与展望

8．1 主要结论

8．2 论文主要研究特色

8．3 不足及展望

8．3．1 研究不足

8．3．2 陆地生态系统碳输出通量估算类型增加及加入模型对比验证

8．3．3 陆地生态系统中溶解性有机碳的研究启示

参考文献

附录

致谢

作者简介