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辽河三角洲芦苇湿地局地气候变化特征及地-气相互影响关系研究

贾庆宇  
【摘要】:湿地和大气之间通过不断地进行感热、潜热、CO_2、H_2O等的能量和物质交换而相互作用,形成了独特的湿地生态系统和特有的气候环境。地-气系统的水分循环、碳循环及热传输等诸多方面存在紧密联系,对局地气候具有重要的指示意义,直接影响和决定区域大气边界层的形成和性质。全球气候变化引起湿地生态系统环境要素发生了改变,地-气之间相互影响也发生了变化,影响了湿地的稳定性和局地气候调节功能。不同湿地的气候、水文、植被状况各不相同,并且环境要素存在着相互影响的关系。辽河三角洲有全国面积最大的滨海芦苇(Phragmites australis)沼泽湿地,目前在辽河三角洲芦苇湿地对以上问题缺乏足够的认识,长时间序列的数据明显滞后于其他高生产力的滨海芦苇湿地生态系统,由于缺少足够地-气之间物质和能量交换数据和地表环境数据,影响了陆面过程模式和大尺度预测的准确度,制约着我国应对气候变化方案中准确估算该地“碳汇”这部分内容,因此在辽河三角洲开展以上研究具有非常重要的意义。本研究分析了芦苇湿地局地气候变化特征与趋势,利用涡动协方差法对地-气相互作用进行了连续四年(2012-2015)定位观测,计算了芦苇湿地地-气间物质(二氧化碳通量、水汽通量)和能量(感热、潜热)交换过程的基本物理参数和变化特征;同步分析了环境因子(气象、植被、水文、土壤等要素)变化规律;分析地-气相互作用与环境因子之间的关系,找出了环境因子对物质和能量交换贡献率,建立了统计模型;并采用机理模型对碳收支进行了模拟。研究结果对辽河三角洲芦苇湿地局地气候变化特征和地-气相互作用等方面有了新的认知,建立了针对辽河三角洲芦苇湿地的地-气之间物质和能量交换的计算方法,能为数值模式模拟气候变化、全球生态系统模型、陆面过程模式和遥感反演、温室气体减排方案提供本地化精准数据。主要结论如下:(1)近55年芦苇湿地年平均气温9.11℃,平均气温呈明显上升趋势,倾向率为0.31℃·10a~(-1),1988年以后增温明显。年平均相对湿度66%,上升趋势不显著。年平均蒸发量1540mm,显著下降,倾向率为55mm·10a~(-1),突变时间在1986年,该地供水充足,蒸发量降低与风速减小有关。年平均日照时数2697.6hr,呈降低趋势,倾向率-25hr·10a~(-1)。年平均降水量643.88mm,降水量减少趋势不明显,但年际波动大。年平均风速为呈显著降低趋势。7、8月平均气温、相对湿度、蒸发量和降水量数值最大,说明7、8月太阳辐射对地表加热作用引起的湍流交换作用最强。风速受地表粗糙度和海陆热力梯度影响在4月和11月有2个峰值。日照时数在5月和9月有2个峰值。由于湿地表面有水层覆盖,热容量大,白天吸收太阳辐射能力较强并储存太阳热能,夜晚释放辐射能减慢地面气温降低的速率,在地表形成的气温、相对湿度层次间差异较小,风速受地表粗糙度影响层次间差异较大。气温日变化与相对湿度日变化的动态趋势相反,在近地层存在逆湿现象,因此该芦苇湿地具有保温、调节湿度的功能。(2)近4年CO_2的平均浓度为380.85±13.25umol·mol~(-1),升高率高于全球平均,季节变化明显,8月浓度最低、12月浓度最高。冬季白天CO_2浓度有明显的上升过程,夏季白天有明显下降过程。年固定CO_2平均为2229 g CO_2·m~(-2),是全球植被的平均固碳能力的4.0倍,固碳能力远高于我国其他滨海芦苇湿地。生长季6~7月CO_2吸收量占到全年的70%,CO_2吸收通量在白天较大夜间较小,在正午时段达到最大值,非生长季表现为弱的排放,4月和9~10月排放量最大。年平均实际蒸散量为597.38±90.25mm·m~(-2)。年降水量越大蒸散量越小,湿地可以通过蒸散向大气补充水分,5-9月蒸散量占全年的72.58~81.42%。水汽通量白天为正值,变化幅度大,生长季蒸散量在一天内随温度的升高而增加。年净辐射累积量为2868.32±163MJ·m~(-2),冬季的净辐射有逐年降低趋势。夏季净辐射瞬时最大值能达到860W·m~(-2)。潜热通量年累积量为1496.89±231.18MJ·m~(-2)。感热年平均值为550.96±80.94MJ·m~(-2),感热在6-7月数值最小。潜热通量平均日变化的峰值不超过320W·m~(-2),感热通量平均日变化的峰值不超过160 W·m~(-2)。从能量分配角度分析,净辐射有41~63%分配给潜热通量,其次为存储通量,感热通量最少。(3)近4年芦苇湿地局地气候为气温升高、降水减少、风速降低、相对湿度降低、日照时数降低。冬季和春季增温明显,2013-2015年气温平均值高于多年平均值;除2012年的降水为极多外,其他三年的降水均低于多年平均值,主要因为夏季的降水量低;日照时数低于多年平均值减少趋势明显。土壤不同层次之间温度梯度变化不大,冻土层最大厚度70cm。水层厚度和含盐量呈线性相关的关系,生长季水层厚度维持在7.14cm,生长季含盐量维持在0.2%。芦苇株高能达到272cm、生物量能达到2563 g·m~(-2)和叶面积最大为5.1。湿地地-气相互作用是多因子共同作用的结果,由于不同因子间存在交互效应,采用偏最小二乘法(PLS)探讨多因子对地-气相互作用的影响,水位和土壤温度因子对CO_2收支贡献率最大,气温和土壤温度对蒸散量影响最显著,株高和风速对感热影响最显著。分别建立了不同因子对地-气相互作用的统计回归方程,拟合模型可以解释86.3%的CO_2收支变化、89.2%的蒸散变化,模拟的效果较好,对感热通量解释仅有28.5%。(4)采用实测数据参数化生物地球化学模型,模型结果与观测结果呈显著的线性相关,相关系数R~2=0.68,结合1984-2013年气候和地表水位变化的数据,模拟了近30年逐年芦苇湿地的固碳功能变化,平均年固定碳量为1502.24g·CO_2·m~(-2),其中1994、1997和2001年固碳量最大,变化呈波动上升趋势,是明显的碳汇。人工灌溉措施控制水位和盐度,使芦苇生长保持较高的水平,进而形成良好的湿地环境,可以预测在气温升高、降水量减少条件下,不会引起CO_2吸收减少。


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