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《西北农林科技大学》 2012年
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陆地生态系统CO_2通量及其碳稳定同位素的研究

党雪瑞  
【摘要】:碳问题和地球息息相关,是当今科学家研究的热点。陆地生态系统碳源与碳汇研究是全球碳循环研究的核心问题之一。遥感、涡动协方差通量观测以及稳定同位素技术等的发展大大推动了陆地生态系统碳循环的研究进程。现阶段,模型是研究区域/全球陆地生态系统碳收支的重要手段之一。发展模型与通量及遥感数据融合,提高观测和模拟的精度,可以极大地加深对陆地生态系统碳循环的理解,模拟和预测。 本文选取8个(Howland Forest, Harvard Forest, Wind River Forest, Rannells Prairie,Freeman Ranch, Chestnut Ridge, Metolius and Marys River)不同类型陆地生态系统作为研究对象,通过对对生态系统CO_2通量及其碳稳定同位素的观测和模拟,证实了大气边界层模型可以用于区域尺度碳通量的估算;发现了生态系统呼吸碳的稳定同位素与PPF、 TA和VPD正相关,与SWC负相关;警示了在利用碳同位素反演模型时,要考虑生态系统对碳稳定同位素判别A的年际变化。主要研究结果如下: 1观测和比较了4个不同生态系统(Howland Forest, Harvard Forest, Wind RiverForest, Rannells Prairie)CO_2通量特点、年际变化、季节变化;解释了影响生态系统CO_2通量年际变化、季节变化的因素;发现了生长季的降水量是影响生态系统(除了Howland Forest)NEE年际变化的一个重要因子。 2介绍了观测和模拟CO_2通量的方法,比较了各个通量模拟(观测)方法;分析了各个方法的不确定性影响因子。通量塔涡动协方差法的影响因子主要是:测量仪器的缺陷(比如:低波动使光谱失去能量);过度简单化理论假设(复杂下垫面的零假设);以及通量塔代表性误差(通量塔的位置是否能代表主要植被类型)。本研究所用的CBL反演模型的影响因子包括:CO_2测量误差(地表层和对流层);大气边界层高度和垂直交换速度的估算误差;以及对大气边界层的稳态假设超过了时间的范围。EC-MOD法估算NEE通量的影响因子在于:通量塔的测量结果误差;植被覆盖;模型结构;地点的代表性;以及对石化燃料的排放的忽视。 3详细介绍了CBL模型。用CBL模型模拟了4个生态系统碳通量。发现了大气边界层高度的季节变化明显,7月最高,冬季偏低。并详细进行了CBL模型的一系列的误差分析,讨论了对于月平均尺度稳态大气边界层H2O和CO_2交换,评价了CBL模型模拟区域CO_2通量的成功和不足之处和需要注意事项。 4评价了EC-MOD法对区域尺度碳通量的估算和分析了EC-MOD法估算的NEE通量误差。 5分析了影响模拟值和观测值的不一致的原因。第一个不一致是CBL模型高估冬季通量(除了Wind River site),EC-MOD的模拟结果和塔的观测相似。影响CBL模型高估的原因是冬季石化燃料的排放。第二个不一致是因为尺度的不匹配,通常通量塔的测量值只代表几公里的地方特征,而模拟的NEE代表相对较大的空间面积(106km2),反演模型往往得出较小通量。6比较了8个不同生态系统(Howland Forest, Harvard Forest, Wind River Forest,Rannells Prairie, Freeman Ranch, Chestnut Ridge, Metolius and Marys River fir)冠层上空大气CO_2碳稳定同位素δ(13)~C特点;发现了明显的δ(13)~C的季节变化和年际变化;分析了影响生态系统δ(13)~C年际变化、季节变化的因素。发展了生态系统冠层上空大气CO_2混合浓度及其碳稳定同位素δ(13)~C的变化关系相反,是植物光合作用对碳稳定同位素的判别的结果,反映了生物活动对大气层的作用。比较了不同生态系统大气边界层和对流层CO_2混合浓度和(13)~C的差的特点。7模拟了生态系统净碳交换的稳定同位素值(δ(13)~Cbio),比较了不同生态系统δ(13)~Cbio的特点。Rannells prairie的δ(13)~Cbio最小。对每一个生态系统,δ(13)~Cbio年际变化不大。相比之下,Harvard Forest各年一致性最强,Howland Forest年际变化较大。不同月份的δ(13)~Cbio变化也不大,Wind River Forest5-9月δ(13)~Cbio几乎一样,月变化最大的是Freeman Ranch和Rannells prairie。8观测和比较了生态系统呼吸碳的稳定同位素(δ(13)~CR)。生态系统δ(13)~CR的季节变化明显(特别是在针叶林生态系统),冬季δ(13)~CR低于生长季,出现夏季峰值。森林生态系统的δ(13)~CR值较高,介于-24‰和-30‰之间;草地生态系统δ(13)~CR值偏低,介于-12‰和-18‰之间。Freeman Ranch生态系统δ(13)~CR值变化幅度最大,介于-16‰和-30‰之间9详细分析了生态系统呼吸碳的稳定同位素和环境因子的关系。发现了生态系统冠层呼吸碳的稳定同位素与PPF、TA和VPD正相关,与SWC负相关。在周和水平的相关性高于月水平。10用通量权重法模拟了生态系统对碳稳定同位素的判别A,比较了不同方法(树木年轮晚材、叶子、keeling-plots和通量权重法)模拟的A值。并分析了A和环境因子的关系。森林生态系统的A的值介于17.3‰和20.0‰之间,平均值为18.5‰。不同方法估算的A比较结果显示了三个主要特点:1)在Wind River Forest, Keeling-plots估算的A比树木年轮碳同位素值(15-16.7‰)高1-2‰;2)Keeling-plots估算的A值与通量权重法估算的A值类似,平均值为~19‰(2002-2007at the Wind Riversite);3)叶子碳同位素值估算的A值与树木年轮碳同位素值估算的类似,但是比Keeling-plot估算的稍低。 A值与生长季可用水正相关。这主要是因为气孔对干旱胁迫的反应的结果。 A值的变化幅度18‰-20‰反映了Ci/Ca大概0.59-0.68的变化。11用不同方法估算了和比较了6个生态系统(Howland Forest, Harvard Forest, WindRiver Forest, Freeman Ranch, Metolius和Marys River)水分利用率WUE。FreemanRanch和Metolius的WUE较低。发现了生态系统的WUE与大气饱和压亏缺(VPD)负相关。Harvard Forest和Metolius Ponderosa Pine相关系数分别最高和最低。碳同位素法估算的生态系统水分利用效率与涡动协方差估算的WUE在Howland Forest, HarvardForest, Wind River Forest and Metolius Ponderosa Pine Forest高度一致。涡动协方差法低估了(与碳同位素法相比)Freeman Ranch和Marys River Fir两个生态系统水分利用效率。可能因为Freeman Ranch是一个C3和C4植物混合草地生态系统;Marys River Fir临海,受海雾信号影响。LE高估了冠层蒸散,造成EC WUE高于(13)~CR-WUE。 12综合评价了4个生态系统。Harvard Forest净生态系统交换(NEE)和生态系统总初级生产力(GPP)保持最大。Howland forest生态系统的呼吸(R)比较大。森林生态系统的储碳能力大于草地,三个森林生态系统的储碳能力顺序是: Harvard Forestsite Howland Forest Wind River Forest。 Howland Forest的年净碳吸收量可以和Harvard Forest相比,与Harvard Forest不相上下。但是Howland Forest生长季长与Harvard Forest。Harvard Forest的最大吸收峰大于Howland Forest。研究中也分析了4个生态系统储碳能力都有增加的趋势和所在区石化燃料排放增加的趋势(特别是Harvard Forest)。
【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】:2012
【分类号】:S181

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【参考文献】
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