中亞熱帶人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的觀測(cè)和模擬研究.pdf

1、森林生態(tài)系統(tǒng)水熱和CO<,2>傳輸過(guò)程是國(guó)際研究的前沿問(wèn)題。理解森林生態(tài)系統(tǒng)水、能量和CO<,2>傳輸機(jī)制有助于了解森林生態(tài)系統(tǒng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循-環(huán)中的作用，并認(rèn)識(shí)森林生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與功能對(duì)干旱與氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。本研究將基于生理生態(tài)學(xué)過(guò)程，模擬生態(tài)系統(tǒng)下墊面與大氣之間碳水通量交換的綜合模型-EALCO(Ecological Assimilation of Land and Climate Observation)模型引入國(guó)內(nèi)，將其

2、應(yīng)用在中亞熱帶人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化與初始化使其能夠較好地連續(xù)模擬該生態(tài)系統(tǒng)三年連續(xù)的碳、水和能量通量交換狀況，同時(shí)用通量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，利用EALCO模型揭示該生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及季節(jié)性干旱對(duì)人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)碳吸收及其碳水通量耦合關(guān)系的影響，模擬和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化情景下人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和碳收支狀況，以期為我國(guó)估計(jì)大區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的時(shí)間和空間格局特征提供模型儲(chǔ)備。 本

3、文的主要研究成果如下： (1)將EALCO模型進(jìn)行參數(shù)化和初始化，并改變模型的光合作用時(shí)段和落葉機(jī)制等，使之能夠較好地模擬亞熱帶人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量狀況，利用通量站的觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)了模型對(duì)水和能量通量特征的模擬效果： 結(jié)果表明模型對(duì)兩個(gè)重要的中間變量，即冠層溫度和水勢(shì)的模擬結(jié)果較為理想。通過(guò)將冠層氣孔導(dǎo)度的模擬值與利用Penman-Monteith公式計(jì)算的表面導(dǎo)度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除2005年模

4、型模擬的冠層導(dǎo)度偏高外，對(duì)其它兩年的模擬效果較為理想。凈輻射三年的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，模擬效果理想。模擬結(jié)果表明，被森林地面吸收的凈輻射(R<,n,s>)和被冠層吸收的凈輻射(R<,n,c>)之間的比率也表現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)變化形式，比率的月平均值在4或5月份達(dá)到最大值0.35左右，之后逐漸減小，至12月或1月降至最低值0.05左右。2003年和2004年潛熱通量與顯熱通量的模擬結(jié)果好于2005年?？傮w來(lái)看，三

5、年潛熱通量和顯熱通量模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)平均分別為0．82和0.62。模擬結(jié)果顯示，森林地面日平均潛熱通量的模擬值介于5-40Wm<'-2>之間，2003-2005年森林地面年總潛熱通量分別占年總冠層潛熱通量(LE<,s>/LE<,e>)的8％、11％和12％。觀測(cè)與模擬的生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量(LE<,e>)占凈輻射(R<,n>)的比例在年初至春季(DOY120)之前較小，在30％-50％之間，進(jìn)入生長(zhǎng)旺季，LE<,e>/R<,n>逐漸

6、增加，在50％-80％之間。顯熱通量的日平均值無(wú)明顯的季節(jié)變化規(guī)律，較高的顯熱通量通常在春季(DOY1OO前后)出現(xiàn)。 (2)檢驗(yàn)了模型對(duì)碳通量特征的模擬效果： 從碳通量的日變化來(lái)看，模型能夠較好的模擬碳通量的日變化形式，對(duì)2003-2005年的模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，模型對(duì)NEP的模擬相關(guān)系數(shù)為0.67，斜率及標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.90和3.96μmol C m<'-2> s<'-1>，可見(jiàn)模型可以在很大程度上反應(yīng)出該生態(tài)

7、系統(tǒng)NEP的日變化趨勢(shì)。模型對(duì)土壤呼吸在半小時(shí)尺度上的模擬值接近或略高于靜態(tài)箱．氣象色譜法的土壤呼吸觀測(cè)值。從碳通量的季節(jié)變化來(lái)看，模型對(duì)2003．2005年GPP、R<,e>和NEP的模擬結(jié)果也較為理想，2003年7月和10月生態(tài)系統(tǒng)受到干旱脅迫期間，模型對(duì)GPP和R<,e>。均存在高估現(xiàn)象。利用箱式法的觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬的土壤呼吸日總量進(jìn)行了對(duì)比，除2005年生長(zhǎng)季期間的模擬值與觀測(cè)值差異較大，其它年份的模擬值與觀測(cè)值基本一致。對(duì)生

8、態(tài)系統(tǒng)各種呼吸組分的模擬結(jié)果顯示，該生態(tài)系統(tǒng)自養(yǎng)呼吸占生態(tài)系統(tǒng)總呼吸的比例較為固定為88％。就生態(tài)系統(tǒng)自養(yǎng)呼吸來(lái)講，在全年中，植被的維持呼吸均大于生長(zhǎng)呼吸。2003-2005年維持呼吸占自養(yǎng)呼吸的比例分別為77％、72％和76％。對(duì)土壤呼吸各組分的模擬結(jié)果表明，三年中，模擬的根系自養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的70％。 (3)分析了季節(jié)性干旱對(duì)人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的影響： 研究結(jié)果表明深層土壤水分含量是決定冠層導(dǎo)度的主要因素

9、，進(jìn)而影響GPP的大?。桓珊祵?duì)GPP的影響比對(duì)尺。的影響更為強(qiáng)烈，因此碳吸收能力的下降主要由GPP下降劇烈引起，對(duì)GPP下降的環(huán)境因素進(jìn)一步分析表明，在晴天正午之前對(duì)光合作用能力產(chǎn)生抑制的因素主要是深層土壤水分，正午之后深層土壤水分匱缺與高溫共同影響生態(tài)系統(tǒng)光合作用能力，兩者對(duì)光合作用能力的削弱作用各占一半。2003年高溫干旱期間，生態(tài)系統(tǒng)呼吸值下降33％左右，生態(tài)系統(tǒng)呼吸的降低主要是由植物自養(yǎng)呼吸和土壤異養(yǎng)呼吸的減小共同作用引起。其中

10、自養(yǎng)呼吸的減小主要是由生長(zhǎng)呼吸的減小所導(dǎo)致。2003年持續(xù)的夏季高溫致使生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力下降，2004年10月的水分匱缺對(duì)生態(tài)系統(tǒng)呼吸的影響更為強(qiáng)烈，因此碳吸收能力并未受到影響，可見(jiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的兩個(gè)組分R<,e>和GPP對(duì)干旱響應(yīng)的方式與程度有所不同，是造成森林生態(tài)系統(tǒng)源/匯強(qiáng)度變化的根本原因。此外，干旱還會(huì)使植物碳水之間的耦合關(guān)系發(fā)生改變。 (4)分析了人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng): 研究結(jié)果表明，氣候變