陆地生态系统潜在水分利用效率模型及其应用研究

发布时间：2020-07-08 13:57

【摘要】：水分利用效率(WUE)定义为总初级生产力(GPP)与蒸散发(ET)的比值,它是联系陆地生态系统碳循环和水循环的关键指标。通过耦合水汽压差(VPD)对WUE的非线性影响,本论文提出并验证了陆地生态系统潜在水分利用效率(uWUE)模型。在此基础上,建立了陆地生态系统蒸散发分离的新方法——uWUE方法,并将其应用于黑河流域的3个典型生态系统。基于4个陆地生态系统模型,分析了uWUE对20世纪全球环境变化的响应特征。将基于植物气孔的碳水交换过程与最优化气孔导度模型相结合,理论推导得到uWUE(=GPP·VPD~(0.5)/ET)模型。在日内半小时尺度上,证明uWUE模型相比IWUE(=GPP·VPD/ET)或WUE(=GPP/ET)模型更稳定。建立GPP-ET-VPD日内滞后模型,进一步验证了GPP·VPD~(0.5)与ET的强相关关系。在日尺度上,证明日平均VPD可以替代日有效VPD,保证uWUE模型升尺度的稳定性。日尺度GPP·VPD~(0.5)与ET之间(r=0.85)的线性相关系数比GPP·VPD与ET之间(r=0.81)更高。基于uWUE与IWUE模型模拟日尺度GPP,发现uWUE模型(r=0.81)的模拟效果显著好于IWUE模型(r=0.59)。提出潜在uWUE(uWUEp=GPP·VPD~(0.5)/T)和表观uWUE(uWUEa=GPP·VPD~(0.5)/ET)的概念,采用uWUEa与uWUEp的比值估算生态系统蒸腾比(T/ET)。在单一植被类型的站点,uWUEp保持相对稳定,且站点uWUEp与叶片尺度uWUE基本一致。对于落叶植被,T/ET与植被覆盖度之间呈现强线性相关关系。uWUE方法为生态系统蒸散发分离提供了一个简单的新途径,将进一步推动全球通量观测在蒸散发分离方面的应用。将uWUE方法应用于黑河流域的3个典型生态系统,并与传统的蒸散发分离方法进行对比。在生长高峰期,采用uWUE方法估算日尺度T/ET与稳定同位素及蒸渗仪/涡动相关方法具有较好的一致性。uWUE方法与茎流计方法估算的蒸腾具有一致的季节及日内变化过程。此外,采用uWUE方法能避免尺度不匹配问题,且能有效捕捉植被变化及灌溉等因素对T/ET的影响。最后,提出了一个综合归因分析方法,采用4个陆地生态系统模型,分析了1901-2010年间全球环境变化因子的趋势和年际变异性对陆地生态系统uWUEa变化的贡献。发现大气CO_2浓度的增长趋势对uWUEa的趋势起决定作用,而气候的年际变异性是决定uWUEa年际变异性的主要因素。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X171.1
【图文】：

论文研究,主要内容,框架

第 1 章绪论腾比与植被指数的线性相关关系，揭示了植被覆盖度的季节变化对生态系统比的控制作用。第 5 章对比分析了黑河流域上、中、下游三种典型的气候及植被条件下UE 与蒸腾比的年际及季节变化特征。将 uWUE 方法与稳定同位素、蒸渗仪流计等方法对比，一方面验证了 uWUE 方法分离蒸散发的有效性，另一方面示出，在实际应用过程中，uWUE方法相比这些传统方法的优越性。第 6 章采用生态系统模型的手段，分析了气候变化、大气 CO2浓度升高地利用变化以及氮沉降等全球变化因素对 uWUE 多年变化趋势及年际变异性献。同时，从植物生理变化和冠层结构变化的角度，分析了大气 CO2浓度升生态系统 uWUE的影响机理。第 7 章对本研究进行了总结和展望，包括论文的主要结论和创新点，研存在的不足之处及对后续研究的展望。

正弦曲线,站点,滞后期,滞后模型

2.2 US-Ne1 站点（a）GPP，（b）VPD，（c）GPP VPD，（d）GPP VPD0别与 ET 的日内相关关系（2002 年 6 月 24 日）。从 GPP、ET 和 VPD 日内滞后关系的角度出发，建立三者的日内滞从而分析 VPD 对于消除 GPP 与 ET 之间滞后期的作用。本研究中，曲线模拟 GPP、ET 和 VPD 的日内变化过程（Zhang et al., 2014）。之间的滞后期，建立滞后模型如下： = 0 (2 0) （2- = 0sin2 ( 1) 0（2- = 0sin2 ( 2) 0（2- 0 02, 1 2 0 04，ET0、GPP0、VPD0分别表示三者日内过程的峰值，T0为正弦曲线

日平均,分布特征,比值,类型

植被类型日有效 VPD 与日平均 VPD 的比值 λ 的分布特征。模型（k=0.5）；（b）IWUE 模型（k=1）。 2006 年 US-Goo 站点日有效 VPD 与日平均 VPD 的线性相关

【参考文献】