典型草原物候特征及其对生态系统功能的影响研究

摘要

植物物候反映的是植物(包括农作物)和环境(气候、水文、土壤条件)的周期性变化之间的相互关系。在气候变化背景下，植物物候已经发生了显著变化，并且对生态系统产生了重要影响。然而，目前的物候研究大多是针对木本植物，对于草本植物的研究则相对缺乏，而且草本植物的物候节律表现出较木本植物更为复杂的特征，不但受温度影响，亦受到水分因素的影响。
　　 本研究利用内蒙古典型草原区克氏针茅草原建群种羊草和克氏针茅自1985～2003年19年的物候资料和气象数据，分析了物候特征及气候因子的变化趋势，探究了两种植物返青期和枯黄期的主导因子。结果表明，克氏针茅草原近20年来的气候发生了显著的变化，总体表现为温度升高、降水量降少、土壤水分含量减少。与以往物候研究结果不同的是，羊草和克氏针茅返青期在气候变暖的背景下却显著滞后。相关分析显示返青前期土壤水分是导致返青滞后的主要原因。对于枯黄期的相关分析同样显示水分因子是制约两种植物生长季结束的关键因子。在检验现有返青期和枯黄期物候模型对于典型草原适用性的基础上，本研究选择应用广泛、计算简便的CTM(Cumulative Temperature Model)模型作为改进返青期物候模型的基础，在其中加入了水分的影响，使得改进返青期物候模型可以很好的模拟典型草原植物返青期，模拟误差小于7天。同时，构建了考虑水分和温度共同影响的枯黄期模型。改进后的物候模型提高了DCTEM(Dynamic Chinese Terrestrial Ecosystems Model)模型的模拟精度。
　　 基于耦合改进物候模块的DCTEM模型对影响生态系统NPP(Net PrimaryProductivity)、NEP(Net Ecosystem Productivity)和AET(Annual Evapotranspiration)的因子加以分析。结果显示，降水量是影响克氏针茅草原生态系统功能的主要因子，其对于NPP、NEP、AET以及土壤异养呼吸等均有不同程度的影响。其次，生长季长度变化对于克氏针茅生态系统功能呈现出显著的影响作用，其影响程度仅次于降水量。
　　 为了量化在实际的气象条件下单位生长季长度变化所引起生态系统NPP、NEP和AET的变化幅度，设置了三个引起生长季长度变化的物候模拟情景(动态枯黄情景、动态返青情景、动态起止情景)以及对照情景。研究结果显示，不同情景下植物生长季长度变化对于生态系统功能有着不同程度的影响。动态枯黄情景下由于草原枯黄期使整个生长季每延长一天NEP增加3.11％，NPP为0.34％，对于AET的影响最小为0.06％；动态返青情景下，由于草原返青期波动使得整个生长季延长一天则NEP增加1.54％，NPP为0.15％，对于AET的影响最小为0.01％;在动态起止情景下，生长季延长一天则NEP增加3.37％，NPP为0.39％，对于AET的影响最小为0.06％。总体而言，由于枯黄期引起的生长季变化对生态系统功能影响程度比由于返青期引起的程度高。此外，不同的生态系统功能要素对于物候变化的影响程度也有所不同。在几种模拟情景下，NEP受到生长季变化的影响最大，其次为NPP，AET受物候变化影响最小。

目录

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第一章前言

第二章植物物候及其对生态系统功能影响研究综述

2.1植物物候研究意义

2.2植物物候的影响因素

2.2.1温度

2.2.2光照

2.2.3水分

2.2.4其它影响因素

2.3植物物候的地带性规律

2.4植物物候对气候变化的响应

2.4.1气候变化

2.4.2植物返青期对气候变化的响应

2.4.3植物花期对气候变化的响应

2.4.4植物生长季长度对气候变化的响应

2.5植物物候模型

2.6物候变化对生态系统功能的影响研究

2.7研究目的

第三章数据和方法

3.1技术路线

3.2研究地点

3.3研究数据

3.3.1物候数据

3.3.2气候数据

3.3.3土壤属性数据

3.4物候模型

3.4.1返青期物候模型

3.4.2枯黄期物候模型

3.5动态中国陆地生态系统模型(DCTEM)

3.5.1 DCTEM模型简介

3.5.2 DCTEM模型验证

3.6统计分析

第四章典型草原物候特征及其影响因子分析

4.1数据处理

4.2典型草原气候变化特征

4.3典型草原羊草和克氏针茅物候特征

4.4典型草原主要物种物候主导因子分析

4.5讨论

4.6小结

第五章动态中国陆地生态系统模型物候模块改进

5.1 DCTEM物候模块

5.2植物返青期模型改进

5.3植物枯黄期模型改进

5.4改进物候模块对DCTEM模型模拟结果的影响

5.5讨论

5.6小结

第六章典型草原生态系统功能的影响因子分析

6.1 DCTEM模型运行及参数

6.2典型草地生态系统功能特征

6.3影响生态系统功能因子分析

6.4影响生态系统功能的单因子分析

6.5讨论

6.6小结

第七章物候变化对生态系统功能的影响评估

7.1物候影响评估方法

7.2物候变化对生态系统功能的影响分析

7.3受物候变化影响的因素的影响程度分析

7.4小结

第八章结论

8.1典型草原物候特征及其主导因子

8.2动态中国陆地生态系统模型物候模块改进

8.3典型草原生态系统功能的影响因子分析

8.4物候变化对生态系统功能的影响评估

参考文献

致谢

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