华北土石山区植被水碳耦合机制研究

华北土石山区植被水碳耦合机制研究

论文摘要

随着人类活动加剧以及水质恶化等问题,华北土石山区水资源短缺日益严重。在全球气候变化背景下,本研究以华北土石山区为研究区域,以水碳循环特征为切入点,将最能反映水碳耦合关系的水分利用效率(WUE)作为研究对象,基于CASA模型和气象、土地覆被、遥感等数据,估算2000-2018年间研究区净初级生产力(NPP),将估算得到的NPP结合蒸散发(ET)计算区域植被WUE,分析植被ET、NPP与WUE的时空分布与趋势特征,基于水碳循环与气象因子及植被因子的关系,探讨区域WUE对气候变化及植被变化的响应,以期定量评价气象因子与植被因子对区域水碳耦合的阈值,研究结果如下:(1)1957-2018年间降水量的平均值是503.5mm,呈不显著下降趋势,平均降值约为0.13-6.57mm/10yr;气温的平均值是8.6℃,有明显上升趋势,平均增温约为0.025-0.46℃/10yr。从2000年到2018年,林地与草地覆盖率呈增加趋势,农地覆盖率减少了 1.96%。(2)2000-2018年间ET的年际变化范围是289.9-462.5mm,总体以3.72mm/yr的速率呈波动上升趋势。年内ET分布不均匀呈单峰型分布,有明显的季节性差异,由大到小的顺序为夏季>春季>秋季>冬季。年平均ET有较为明显的空间异质性,由东南向西北方向逐渐减少,空间年变化率介于-25.8~62.97mm/yr;不同季节ET的空间变化趋势差异较大,其中春、秋季节增加速率为2.01与2.45 mm/yr,夏季增加速率为5.87mm/yr,冬季增加速率仅为0.073mm/yr。不同植被类型ET由大到小的顺序为阔叶林(464.02mm/yr)>混交林(419.20mm/yr)>针叶林(380.35 mm/yr)>灌木(365.72 mm/yr)>草地(341.22 mm/yr)>农地(311.97 mm/yr)。ET 对气象因子的敏感性差异明显,每降水、太阳辐射与气温增加10%时,ET将分别增加3.26%、2.25%与1.05%,而干旱指数每增加10%,ET将减少2.73%,降水是影响ET最突出的气象因子。ET与NDVI及LAI均呈显著正相关,NDVI、LAI每增加10%,ET将分别增加2.07%与1.84%。(3)采用其他模型的模拟结果及MODIS NPP数据对CASA模型估算的NPP值进行对比验证,发现CASA模型对研究区NPP的模拟结果较好,具有一定的可靠性,适用于研究华北土石山区NPP的时空分布与趋势变化。(4)2000-2018 年间 NPP 的年际变化范围是 230.57-498.81gC/m2·yr,总体以 7.18 gC/m2·yr的速率呈波动上升趋势。NPP年内分布不均匀,有明显的季节性差异,由大到小的顺序依次为夏季>春季>秋季>冬季。年平均NPP有较为明显的空间异质性,由东南向西北方向逐渐减少,空间年变化率介于-32.38~45.87 gC/m2·yr。区域内不同植被类型的NPP均呈上升趋势,农地NPP平均增幅为9.27gC/m2·yr;草地NPP平均增幅为6.83 gC/m2·yr;针叶林、阔叶林、混交林在生态恢复工程实施前NPP就已经很高,增幅小于农地与草地,平均增幅分别为4.09、5.86、5.99gC/m2·yr;灌木NPP平均增幅为2.86 gC/m2·yr。2000-2018年间降水、气温、太阳辐射与干旱指数的协同效应可解释68%植被NPP的变化,植被覆被变化是影响区域植被NPP变化的重要因素,将NPP较低的农地面积转换为NPP较高的林地、灌木与草地会导致区域NPP的增加。(5)采用其他模型的模拟结果对WUE的估算结果进行对比验证,发现本研究WUE的模拟结果是合理可信的,适用于研究华北土石山区WUE的时空分布与趋势变化。2000-2018年间WUE的平均值是0.985 gC/mm·m2,表明通过蒸散发每损失1mm的水分,由植被生长固定下来的C02大约有0.985g。年内WUE呈单峰型分布,有明显的季节性差异,由大到小的顺序依次为夏季>春季>秋季>冬季。年均WUE有较为明显的空间异质性,空间年变化率介于-0.265~0.389gC/mm·m2。不同植被类型WUE的动态变化差异明显,由大到小的顺序为林地(1.111 gC/mm.m2)>草地(0.901gC/mm.m2)>灌木(0.832 gC/mm.m2)>农地(0.747 gC/mm.m2)。(6)植被WUE变化主要以LAI、气温、降水为主导因子,累积贡献率为79.43%。2000-2018年间植被WUE与降水量、气温呈二次曲线关系,在年降水量处在490-510mm、年均气温为13℃时植被WUE达到阈值即研究区植被对水分利用程度最高;植被WUE与LAI的关系非线性,当LAI为1.27m2m-2时,植被WUE达到阈值即2.866 gC/mm·m2。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1. 引言
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究进展
  •     1.2.1 蒸散发研究进展
  •     1.2.2 NPP研究进展
  •     1.2.3 水碳关系的定量评价-WUE
  •     1.2.4 不同空间尺度植被的水-碳耦合
  •   1.3 拟解决的科学问题
  • 2. 研究区概况
  •   2.1 研究区自然概况
  •     2.1.1 地理位置
  •     2.1.2 地质地貌
  •     2.1.3 气候和水文条件
  •     2.1.4 水文
  •     2.1.5 土壤
  •     2.1.6 植被
  •     2.1.7 社会经济
  • 3. 研究内容与方法
  •   3.1 研究目标
  •   3.2 研究内容
  •   3.3 技术路线
  •   3.4 CASA模型
  •     3.4.1 CASA模型介绍
  •     3.4.2 CASA模型的计算
  •     3.4.3 CASA模型适用性分析
  •     3.4.4 CASA模型不确定性分析
  •   3.5 数据来源与预处理
  •     3.5.1 遥感数据及其预处理
  •     3.5.2 干旱指数(DSI)数据处理
  •     3.5.3 气象数据及其预处理
  •     3.5.4 土地利用数据
  •   3.6 研究方法
  •     3.6.1 线性回归分析
  •     3.6.2 对比与相关性分析
  •     3.6.3 Mann-Kendall检验
  • 4 华北土石山区气象及地表覆被变化分析
  •   4.1 区域气象因子变化分析
  •     4.1.1 降水变化规律
  •     4.1.2 气温变化规律
  •   4.2 区域地表覆被现状及其变化分析
  •     4.2.1 地表覆被现状及其变化
  •     4.2.2 地表覆被利用程度分析
  •   4.3 区域植被覆被动态转换及变化分析
  •   4.4 小结
  • 5. 华北土石山区植被ET时空分布与变化特征
  •   5.1 区域植被ET时间变化特征分析
  •     5.1.1 植被ET年际变化规律及趋势分析
  •     5.1.2 植被ET年内变化规律及趋势分析
  •     5.1.3 植被ET季节变化规律及趋势分析
  •   5.2 区域植被ET空间分布及趋势变化特征
  •     5.2.1 年均ET的空间分布及趋势分析
  •     5.2.2 季节ET的空间分布及趋势分析
  •   5.3 不同植被类型ET的特征及变化趋势
  •   5.4 气象因子对区域植被ET的影响
  •     5.4.1 ET与气象因子的相关性分析
  •     5.4.2 ET对气象因子的敏感性分析
  •   5.5 植被因子对区域植被ET的影响
  •     5.5.1 ET与植被因子的相关性分析
  •     5.5.2 ET对植被因子的敏感性分析
  •   5.6 小结
  • 6. 华北土石山区植被NPP时空分布与变化特征
  •   6.1 NPP的验证
  •   6.2 区域植被NPP时间变化特征分析
  •     6.2.1 NPP年际变化规律及趋势分析
  •     6.2.2 NPP年内变化规律及趋势分析
  •     6.2.3 NPP季节变化规律及趋势分析
  •   6.3 区域植被NPP空间分布及趋势变化特征
  •     6.3.1 年均NPP的空间分布及趋势分析
  •     6.3.2 季节NPP的空间分布及趋势分析
  •   6.4 不同植被类型NPP的特征
  •   6.5 气象因子对区域植被NPP的影响
  •   6.6 植被覆被变化对区域植被NPP的影响
  •   6.7 小结
  • 7. 华北土石山区衡量植被水-碳关系WUE时空分布与变化特征
  •   7.1 WUE验证与分析
  •     7.1.1 WUE的验证与可靠性分析
  •     7.1.2 WUE不确定分析
  •   7.2 区域植被WUE时间变化特征分析
  •     7.2.1 WUE年际变化规律
  •     7.2.2 WUE年内变化规律
  •     7.2.3 WUE季节变化规律
  •   7.3 区域植被WUE空间分布及趋势变化特征
  •     7.3.1 年均WUE的空间分布及趋势分析
  •     7.3.2 季节WUE的空间分布及趋势分析
  •   7.4 不同植被类型WUE的特征
  •   7.5 小结
  • 8. 华北土石山区植被水-碳耦合关系与权衡对策
  •   8.1 气象因子与植被因子对区域植被水碳耦合的影响
  •     8.1.1 区域WUE与气象因子的相关性分析
  •     8.1.2 区域WUE与植被因子的相关性分析
  •     8.1.3 主成分分析
  •   8.2 气象因子与区域植被水碳耦合的阈值分析
  •     8.2.1 降水与区域WUE的阈值分析
  •     8.2.2 气温与区域WUE的阈值分析
  •   8.3 植被因子与区域植被水-碳耦合的阈值分析
  •     8.3.1 LAI与区域WUE的阈值分析
  •   8.4 区域植被优化及水碳权衡对策
  •   8.5 小结
  • 9 结论与展望
  •   9.1 结论
  •   9.2 本文特色及创新点
  •   9.3 展望
  • 参考文献
  • 个人简介
  • 获得成果目录
  • 导师简介
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 王丹丹

    导师: 余新晓

    关键词: 华北土石山区,蒸散发,净初级生产力,水碳耦合,影响因素

    来源: 北京林业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学

    单位: 北京林业大学

    基金: 国家自然科学基金重点项目“基于稳定同位素的典型森林生态系统水,碳过程及其耦合机制研究”(项目号:41430747),国家自然科学基金面上项目“季节性干旱的树木水分利用适应机制研究”(项目号:41877152),国家重点研发计划课题“坝上高原及华北北部山地沙化土地治理及沙产业技术研发及示范”(编号:2016YFC0500802),科技创新服务能力建设-协同创新中心-林果业生态环境功能提升协同创新中心(2011协同创新中心(CEFF-PXM2019_014207_000099)

    分类号: Q948

    DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000162

    总页数: 153

    文件大小: 13249K

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