TRIPLEX-HYDRA模型的构建及其对全球河流有机碳输送时空变化的模拟研究

发布时间：2020-04-09 21:57

【摘要】：河流作为陆地生态系统碳库流向海洋碳库的重要单向通道,是全球碳循环中关键组成部分。河流中一般存在以下4种形态的碳:可溶性有机碳(DOC)、颗粒性有机碳(POC)、可溶性无机碳(DIC)和颗粒性无机碳(PIC)。其中DOC和POC这两种有机碳作为河流和近海水体中微生物的重要碳源,深刻地影响了河流和近海生态系统的生物地球化学循环和生态环境状况。全球河流有机碳通量的估算一直以来都是全球碳收支评估中的一项重要工作。目前全球尺度有机碳通量的估算工作仍然停留在大规模的野外观测和简单的经验统计模型的层面上,得出的全球河流有机碳输出量也存在较大的不确定性。实际上,河流有机碳通量受到了多个生态水文过程和众多环境因子的影响,因而其数值也呈现出明显的时空异质性。生态过程模型是当前解决关键生态指标估算及时空变化模拟的重要工具。为模拟全球河流有机碳通量的时空变化,本研究提出一个基于生态水文过程的多元混合模型——TRIPLEX-HYDRA模型。该模型综合考虑了陆地-河流生态系统中碳水循环关键过程,重点模拟了DOC和POC两种有机碳的产生、运输和消耗等过程。模型包括植被动态与土壤碳循环子模块、水文过程子模块、DOC子模块和POC子模块等四个主要组成部分。由于DOC和POC涉及的生态过程不一致,土壤中DOC主要以淋溶的方式进入河流等水体,而POC一般通过土壤侵蚀的方式进入水体。因此,本研究构建了两个子模块分别用于模拟河流DOC和POC的时空变化。在对模型进行校正和验证后,将该模型应用于全球河流DOC、POC和总有机碳(TOC)通量的估算及其时空变化研究中。主要研究结果和结论如下:(1)径流作为有机碳运输的动力和载体,其时空变化的模拟是河流有机碳通量模拟的必要前提。为此,本研究采用了一种水文路径算法模型(Hydrological routing algorithm,HYDRA)来模拟土壤水从土壤传输至河流,以及在河流中的迁移过程,并最终用于全球河流径流量的时空变化模拟中。为检验水文过程子模块的模拟效果,一方面比较了模型模拟的不同河流河网分布及水流路径与实测河网空间分布的契合性,另一方面也根据全球26条河流的代表水文站点的长时间实测径流量,对相应站点的模拟径流量进行了验证。检验结果显示模型模拟的河网分布和长时间序列径流量都与实测值较为符合。此后,本研究应用TRIPLEX-HYDRA模型模拟了1951-2015年间全球河流入海径流量的时空变化。模拟结果表明全球河流总的径流量约为38540 km~3/yr。从空间分布上来看,全球径流量较高的河流主要位于热带地区、北半球高纬度地区以及温带的一些大型河流(如密西西比河、长江和珠江等)。在时间序列上,1951-2015年间部分河流的径流量呈现显著降低,如刚果河、尼日尔河、赞比西河和黄河等;而也有许多河流在该时间段内径流量显著增加,如密西西比河和伏尔加河等。(2)在土壤碳循环子模块和水文子模块的基础上,TIPLEX-HYDRA模型重点考虑了DOC的产生、吸附、在土壤和水体中降解以及在水体中迁移等重要过程。模型构建完成后,首先对该模块中涉及DOC变化的几个重要参数进行敏感性分析,最终挑选出R_(10)(10℃时土壤呼吸速率)和K_s(土壤有机碳溶解系数)两个最敏感的参数,对模型进行参数校正。然后,采用校正后的模型模拟全球河流DOC通量的时空变化,并采用前人数据库中71条河流DOC通量实测数据进行模型检验,验证结果表明TRIPLEX-HYDRA模型能够成功地模拟全球河流DOC通量(R~2=0.96,n=71)。模型验证成功后,应用该模型模拟了1951-2015年间全球河流DOC通量的时空变化。模拟结果表明全球河流每年大约向海洋输送0.24Pg的DOC。全球河流DOC通量主要来自于热带地区和北半球高纬度地区的大河流。在1951-2015年间,全球河流DOC通量呈现显著降低的趋势,每年大约减少0.38Tg C。按区域划分,热带区域大部分河流的DOC通量在该时间段内显著增加这可能与该区域陆地生态系统碳输入增加有关;而北半球高纬度地区DOC通量却呈现显著降低的趋势,这可能是由气候变暖后DOC迁移过程的水文路径增长以及迁移过程中DOC的降解和消耗量的增加所导致。(3)我们将修正后的通用土壤侵蚀方程(RUSLE)、土壤碳循环模块、水文过程模块和POC的降解、迁移以及被大坝拦截等过程耦合形成了TRIPLEX-HYDRA模型POC子模块。类似于DOC子模块,本研究也对POC子模块中与POC变化有关的一些重要参数进行了敏感性分析,并挑选出对POC通量最敏感的两个参数:ER(土壤侵蚀过程中有机碳富集率)和K_(poc)(水体中POC降解系数)。其次,根据已发表文献中河流POC通量对校正后的模型进行验证,结果表明TRIPLEX-HYDRA模型对POC通量与对应站点的观测值较为接近(R~2=0.61,n=67,p0.01)。模型模拟的结果表明全球陆地生态系统每年通过河流向海洋大约输送0.29Pg POC。空间分布上来看,低纬度地区(30°S-30°N)是全球河流POC通量的主要贡献区域(约61%)。时间序列分布上来看,全球1982-2015年间河流POC通量有较微弱的增加趋势(每年增加0.13 TgC),但变化未达到显著性水平。其中,北半球高纬度地区河流POC通量呈现显著增加趋势,而中低纬度地区许多流域(如长江和墨累河)POC呈现显著的降低趋势。北半球高纬度地区POC通量显著增加可能与该区域内径流量增加和全球变暖背景下冻土中有机碳释放增加有关;而中低纬度地区POC通量的降低可能是由于该区域内径流量的减少和人造大坝的兴建造成。(4)河流总有机碳(TOC)通量。将模拟的DOC通量与POC通量进行汇总,得出全球河流TOC通量的时空分布,以及全球流域DOC/POC(DOC通量与POC通量的比值)的分布规律。研究得出全球陆地生态系统每年通过河流向海洋共输送约0.53 Pg的有机碳。从空间分布上来看,60%的TOC通量主要来自于热带地区和北半球高纬度地区的河流。从时间分布上来看,1982-2015年间全球河流TOC总通量有较弱的降低趋势(-0.38TgC/yr),但变化未达到显著性水平。其中,北半球高纬度地区(60°N-90°N)的河流TOC通量在1982-2015年间显著增加,但南半球30°S-60°S地区的河流TOC通量却显著降低。此外,本论文也分析了全球河流DOC通量与POC通量的比值,即DOC/POC比。结果表明全球主要大型河流的DOC/POC一般大于1,而小流域DOC/POC一般小于1。大河流DOC通量较高的原因可能与其中下游地区地势较为平坦,更多的POC得以降解为DOC有一定关系;而小河流流域整体坡度相对较大,水体流速相对较快,对地表有较大的冲刷,产生较多的POC。
【图文】：

循环过程,河流,陆地,有机碳

第一章绪论台风季节，最高 DOC 浓度能达到 8 mg/L (Kao et al. 1997)。珠江流域观测表明，汛期DOC 和 POC 都会有明显的增加，其中 DOC 增长大约 20-90%，而 POC 则可能增加倍以上(魏秀国 2003)。当然，也有研究认为在汛期由于径流量较大，，可能稀释水体中有机碳浓度，使得汛期有机碳含量反而降低，即所谓的“稀释效应” (Liu and Zhan2010)。总的来说，河流有机碳的输送在时空分布上表现出显著的差异。这些差异可能是由多种因素造成的，比如陆源碳库的储量、流域内气候条件、植被覆盖、地形地貌以及人为活动等。1.2.3 河流有机碳的产生、运移和消耗过程及其影响因素1.2.3.1 土壤中有机碳的动态变化

空间分布,通量,因子相关性,河流

-2 河流 DOC 通量、DOC 通量与环境因子相关性分析(修改自 Luwdig et al. 1996)。注：方框中代表相关性系数。上部方框(橙色)代表与 DOC 通量的相关性；下部方框(绿色)代表与 POC 通量的相关性；灰色方框代表环境因子相互之间的相关性。ure 1-2 Correlations between DOC flux and POC flux with environment factors (modified and revisedfrom Luwdig et al. 1996).研究表明径流深度(Q，mm)、土壤有机碳含量(SoilC，kg C m-2)和坡度(Slope)是影流 DOC 通量(FDOC，ton C km-2yr-1)的主要因素；而 POC 通量(FDOC，ton C km-2yr-1要取决于侵蚀泥沙量(FTSS, ton Soil km-2yr-1)和泥沙中 POC 含量(POC%)。根据以上，Ludwig et al.(1996)分别构建了全球河流 DOC 和 POC 通量的经验模型，并推广球尺度，提供了全球 DOC 和 POC 通量的空间分布。(1-1) = 0.004 8.76 + 0.095 r=0.90; p<0.001, n=29(1-2) = % % = 0.16log ( 3) + 2.83( 2) 13.6log ( ) + 20.3
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X143

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