艾比湖流域荒漠生态系统碳交换过程及年际碳收支估算与评价

发布时间：2017-05-24 08:22

  本文关键词：艾比湖流域荒漠生态系统碳交换过程及年际碳收支估算与评价，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：陆地生态系统碳交换过程及其碳收支估算与评价是目前我国碳通量研究的重点内容之一。通过对新疆艾比湖流域湖泊-河流影响下的荒漠生态系统开展通量观测研究,在采用主流处理软件对通量数据进行处理和结果对比分析的基础上,进一步讨论了研究区数据插补模型及特征,分析了荒漠生态系统NEE在时间尺度上的变化规律和能量平衡特征,研究了艾比湖流域荒漠生态系统碳通量贡献区时空变化特征,探讨了下垫面优势植物、水域以及土壤对碳收支的影响及贡献,最后,估算了艾比湖流域荒漠生态系统总初级生产力,运用站点尺度模型(CEVSA2)进行了模拟验证。研究将在干旱区“碳源/汇”研究上弥补观测数据的不足,为准确估算干旱区典型生态系统碳源/汇功能变化和碳循环过程机理研究提供理论依据和基础。主要结论总结如下:(1)艾比湖流域荒漠生态系统碳通量受环境影响强烈,原始CO2浓度和碳通量异常值多集中于冬季(占比40%),不同天气下(晴天、阴天、雨天、大风、雪天、霜冻)碳通量表现出各自规律性。EdiRe和EddPro软件经参数修订后均能有效处理通量数据,且结果相似(R2=9776,P0.05),仅在负值区域略有差异,全年水平拟合度较小(R2=0.7670,P0.05);二者计算显热通量差异较小,而EddyPro计算的潜热通量约为EdiRe的2倍。EddyPro计算数据更合理,波动较小,数据质量等级较EdiRe弱,但可提高数据连续性和完整性,因此,EddyPro软件是艾比湖流域荒漠生态系统通量数据处理的最优选择。(2)2012年全年碳通量有效数据占比54.42%,空白数据、传感器异常、检验剔除以及不合理阈值占比分别为18.21%、9.43%、2.72%和15.22%;4月23日和10月18日为生态系统净CO2交换量(NEE)正负转变临界日;生长季昼间NEE使用Michaelis-Menten光响应模型插补,2012年初始光能利用率(α)、饱和光强生态系统碳同化能力(Pmax)和日间生态系统呼吸速率(Reco,d)最大值分别为0.01511 mgCO2?μmol-1?quantum-1、38.640和2.599μmol?m-2?s-1,且分别出现在7月、6月、7月,2014年7~9月α、pmax和reco,d最大值分别为0.01825mgco2?μmol-1?quantum-1、20.540和2.2180μmol?m-2?s-1;生长季夜间nee与温度(ta)符合lloydtaylor呼吸方程,且指数拟合较理想(r2=0.6222,p0.05),25℃下的生态系统呼吸速率为3.438μmol?m-2?s-1;采用van’thoff指数方程对非生长季数据进行拟合插补,-15~22℃土温变化范围内nee变化幅度仅为0~2.5μmol?m-2?s-1。(3)生长季湍流碳通量(fc)日均值为-2.519μmol?m-2?s-1,非生长季昼间fc波动较大,其日均值为1.803μmol?m-2?s-1,表明植物冠层上方到大气下界面,生长季吸收co2和而非生长季释放。fc占nee95%以上,而co2储存通量多在±1.0μmol?m-2?s-1间波动;非生长季nee最大月均值在4月,为1.019μmol?m-2?s-1;5~9月nee均为正,6月为最大月均值(2.025μmol?m-2?s-1),9月均值为一年最小(-0.638μmol?m-2?s-1)。2012年7~9月平均nee均小于2014年,其中8月差异最大,后者为前者的1.89倍,表明2012年艾比湖流域荒漠生态系统co2吸收能力弱于2014年,且2014年8月生态系统碳累积最大。(4)2012和2014年研究区盛行东南风和西北风;大气稳定度整体呈中性特征,2014年9月大气稳定度最高,达0.842;2012年在270o~360o方位上通量贡献区最大,2014年生长季在70o~360o方位上通量贡献区均略有增加;四季典型日能量平衡各分量均表现为昼间高夜间低,正午高凌晨低的单峰曲线,春季感热通量为主要耗能方式,夏、秋、冬季潜热大于感热;年尺度上潜热通量整体呈春夏增长、秋冬降低,夏季波动较大的趋势,水分是决定感热和潜热通量配比的关键因子;相比于干旱区不同下垫面,荒漠生态系统潜热通量在能量支出中均具有较高的比例,同时其波文比小于干旱区平均水平。(5)下垫面优势植物分别为胡杨、梭梭和芦苇,7月与9月,三种植物净光合速率(pn)排序均表现为:胡杨芦苇梭梭,即乔木草本灌木,7月乔木显著大于草本和灌木,而9月三种植物之间净光合速率无显著差异;7月不同植物pn和nee变化规律基本相同,夜间植物呼吸对nee贡献排序为:梭梭芦苇胡杨;昼间(7:00~17:00)优势植物pn对nee贡献比为42.31%,而夜间(19:00~次日凌晨5:00)优势植物呼吸对NEE贡献比则为54.66%;9月夜间优势植物呼吸作用对NEE贡献为46.3%。(6)下垫面林地和水域内空气温度、空气相对湿度以及潜在蒸发量变化趋势一致且差异较小,二者仅在风速上表现出较大差异;水域上湍流碳通量、水汽通量及NEE均大于林地,分别为后者的2.08、1.97和2.30倍;距河岸由近及远,土壤体积含水量减小,土壤温度变化不大,而60cm土壤电导率变化较大;总体上土壤呼吸速率离河由远及近增大,7月生态系统夜间土壤呼吸对NEE的贡献为82.90%,而植物暗呼吸贡献为17.10%,9月夜间土壤呼吸对NEE贡献为26.93%,而植物暗呼吸贡献比则高达73.07%,表明9月夜间生态系统呼吸以植物暗呼吸为主。(7)2012年生长季艾比湖流域荒漠生态系统总初级生产力(GPP)总体呈先增后减趋势,4月下旬GPP仅为1.109 gC?m-2?d-1,7月上中旬达到最大值,10月上中旬GPP则接近0,而生态系统日累积NEE变化趋势与GPP总体相反;2012年生长季生态系统NEE,Reco和GPP分别为-229.34、364.89和594.23 gC?m-2;2012年和2014年7~9月GPP分别为349.99和365.81 gC?m-2,2014年比2012年具有更高的NEE,差值为15.82 gC?m-2;2012年非生长季CEVSA2模拟数据大于实测数据,生长季小于实测数据,2014年GPP变幅较大,2012和2014年实测数据和模拟数据的相关系数分别为0.6177和0.7082,站点尺度模型CEVSA2能够较好的模拟艾比湖流域荒漠生态系统GPP。
【关键词】：干旱区 荒漠 碳通量 土壤呼吸 优势种 光合作用
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171.1
【目录】：

• 摘要2-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 国内外研究进展15-19
• 1.2.1 森林生态系统15-16
• 1.2.2 农田生态系统16-17
• 1.2.3 草地生态系统17-18
• 1.2.4 湿地生态系统18
• 1.2.5 荒漠生态系统18-19
• 1.3 国内外研究方法及进展19-21
• 1.3.1 生物量法20
• 1.3.2 箱式法20
• 1.3.3 卫星遥感技术20-21
• 1.3.4 涡度相关法21
• 1.3.5 模型模拟法21
• 1.4 研究目的及意义21-23
• 第二章 研究内容与方法23-33
• 2.1 主要研究内容23-24
• 2.2 研究区自然概况24-26
• 2.2.1 气候特征24
• 2.2.2 地形地貌24-25
• 2.2.3 土壤特征25
• 2.2.4 植被概况25-26
• 2.3 监测样区概况26
• 2.4 试验设计26-30
• 2.4.1 野外实时监测数据的获取26-28
• 2.4.2 样方调查数据的获取28-29
• 2.4.3 同步观测指标29-30
• 2.5 室内实验和模型模拟30-31
• 2.5.1 室内实验30
• 2.5.2 CEVSA2模型30-31
• 2.6 数据分析31-32
• 2.7 技术路线32-33
• 第三章 艾比湖流域荒漠生态系统通量处理方法33-53
• 3.1 原始通量数据分析33-37
• 3.2 基于两种不同软件的通量数据处理37-51
• 3.2.1 数采通量数据自处理结果与分析38-40
• 3.2.2 基于Ed Rie软件的通量数据处理结果与分析40-43
• 3.2.3 基于EddyPro软件的通量数据处理结果与分析43-46
• 3.2.4 不同软件处理结果对比与软件评价46-51
• 3.3 讨论51-53
• 第四章 艾比湖流域荒漠生态系统通量数据剔除与插补53-67
• 4.1 通量数据的剔除与插补53-65
• 4.1.1 通量数据的剔除53-55
• 4.1.2 通量数据的插补55-65
• 4.2 讨论65-67
• 第五章 不同时间尺度下生态系统净碳交换变化规律研究67-80
• 5.1 艾比湖流域荒漠生态系统碳通量分量研究67-71
• 5.1.1 湍流通量过程变化规律67-69
• 5.1.2 植物冠层对碳存储通量的评估69-71
• 5.2 不同时间尺度下生态系统净碳交换变化规律71-78
• 5.2.1 生态系统净碳交换量典型日变化71-73
• 5.2.2 生态系统净碳交换量季节变化73-76
• 5.2.3 生态系统净碳交换量年际变化76-78
• 5.3 讨论78-80
• 第六章 艾比湖流域荒漠生态系统通量贡献区及能量平衡特征80-94
• 6.1 风速风向特征分析80-83
• 6.2 通量贡献区分析83-85
• 6.2.1 大气稳定状况83-84
• 6.2.2 通量贡献区84-85
• 6.3 能量平衡分析85-92
• 6.3.1 时间尺度上能量平衡各分量变化特征86-89
• 6.3.2 能量闭合性89-91
• 6.3.3 波文比特征分析91-92
• 6.4 讨论92-94
• 第七章 优势植物种对碳交换过程的影响94-112
• 7.1 下垫面植物分布、结构与组成分析94-96
• 7.2 不同植物光合作用特征分析96-108
• 7.3 优势植物与大气碳交换关系108-111
• 7.4 讨论111-112
• 第八章 水体和土壤对碳交换过程的影响112-130
• 8.1 水体与碳交换过程的关系112-118
• 8.1.1 林地与水域环境差异性分析112-114
• 8.1.2 水体对碳交换的影响分析114-118
• 8.2 土壤与碳交换过程的关系118-128
• 8.2.1 下垫面土壤空间异质性118-120
• 8.2.2 土壤呼吸日变化120-126
• 8.2.3 土壤呼吸与碳交换126-128
• 8.3 讨论128-130
• 第九章 艾比湖流域荒漠生态系统生产力估算和CEVSA2模型模拟130-138
• 9.1 艾比湖流域荒漠生态系统生产力估算130-133
• 9.2 CEVSA2模型对荒漠生态系统碳交换的模拟133-136
• 9.3 讨论136-138
• 第十章 结论与展望138-142
• 10.1 结论138-140
• 10.2 展望140-142
• 参考文献142-152
• 在读期间参加科研项目和发表论文152-154
• 致谢154-156

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 顾峰雪;陶波;温学发;于贵瑞;李克让;;基于CEVSA2模型的亚热带人工针叶林长期碳通量及碳储量模拟[J];生态学报;2010年23期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 曲奕威;豫北平原冬小麦—夏玉米典型农田生态系统碳通量的研究[D];河南农业大学;2008年

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本文编号：390252