（地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)論文）黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究.pdf

黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究 摘要 全球氣候變化越米越引起各國科學(xué)家 政府的關(guān)注 研究干旱區(qū)是全球氣候變暖中響應(yīng) 機(jī)制和變化是非常重要的問題 黑河流域內(nèi)分布著高曲冰雪帶一山區(qū)森林草原帶一綠洲一荒 漠 是一個(gè)研究不同景觀在氣候變化中的響應(yīng)變化的理想?yún)^(qū)域 與傳統(tǒng)研究手段相比 生態(tài)模型克服了時(shí)空 設(shè)備和資金上的限制 解決了景觀研究中 的不可重復(fù)性 可以從多尺度研究景觀生態(tài)的動(dòng)態(tài)變化和預(yù)測(cè) 本論文利用陸地生態(tài)系統(tǒng)模 擬模型t e s i m 將黑河流域按照植被分為闊葉林生態(tài)系統(tǒng) 針葉林生態(tài)系統(tǒng) 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 荒漠生態(tài)系統(tǒng) 草甸草原生態(tài)系統(tǒng) 灌木生態(tài)系統(tǒng)和典型草原生態(tài)系統(tǒng) 模擬了1 9 7 1 2 0 0 5 年黑河流域3 5 年的動(dòng)態(tài)變化 對(duì)于模擬結(jié)果 本論文采用了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù) 渦度相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證 驗(yàn)證 結(jié)果表明 t e s i m 模型能夠較好的模型黑河流域的動(dòng)態(tài)變化 但是在營養(yǎng)元素結(jié)果輸出 地 下部分的模擬還存在不足 本論文通過當(dāng)前氣候情景下的黑河流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬 對(duì)模擬結(jié)果中的凈初級(jí)生產(chǎn) 力 朋叩 異養(yǎng)呼吸 艦 和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 朋妒 的季節(jié)動(dòng)態(tài) 年際動(dòng)態(tài)和空間 分布進(jìn)行了分析 通過g c m s 模型對(duì)未來氣候情景的預(yù)測(cè)結(jié)果 對(duì)未來的氣候變化進(jìn)行情景 假設(shè) 分為降水增 j i 2 0 氣溫升高1 4 c 降水增n 2 0 氣溫升高1 4 c 三種情景進(jìn)行模 擬 得出未來可能的氣候變化情景下黑河流域生態(tài)系統(tǒng)的m 叩和 e p 的變化情況 通過對(duì)當(dāng) 前氣候情景和未來氣候情景假設(shè)的模擬結(jié)果的分析 得出以下規(guī)律 一 年際動(dòng)態(tài) 從整個(gè)黑河流域來看 1 9 7 1 一2 0 0 5 年的3 5 年間 j d 尸和m 妒總的變化趨勢(shì)是上升 n e p 的年際間變化幅度較大 超過 p p 的幅度 黑河流域的 j 妒在上世紀(jì)7 0 年代n 8 0 年代中期 正值和負(fù)值數(shù)目大體相當(dāng) 交替充當(dāng)著 碳匯 和 碳源 的角色 在其后約2 0 年內(nèi) 基本上起 著 碳匯 的作用 從各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來看 灌木林 草甸草原 針葉林的年n p p 最低值和最高值分別出現(xiàn) 溫度的最低年和最高年 荒漠的n p p 與降水成正相關(guān) r o 6 5 p 針葉林 灌木林 草甸草原 農(nóng)田 典型草原 荒漠 從不同生態(tài)系統(tǒng)的n p p 總量來看 從高到底的順 序依次為 草甸草原 荒漠 典型草原 灌木林 農(nóng)田 針葉林 闊葉林 從碳儲(chǔ)量的分布來看 上游的面積最小卻是碳的主要貯存區(qū) 而下游有廣闊的面積 但是單位面積的碳儲(chǔ)量很低 整個(gè)黑河流域的碳產(chǎn)量呈現(xiàn) 大面積貧瘠 小面積富集 的特點(diǎn) 三 未來氣候變化情景下的動(dòng)態(tài)變化 l 降水和氣溫同時(shí)改變的疊加效應(yīng)要超過單獨(dú)一個(gè)因子變化的效應(yīng) 2 不同氣候變化情景對(duì)朋p 尸和n e p 的作用是不相同的 降水增加2 0 n p p 和異養(yǎng)呼吸增加 n p p 的增幅要超過異養(yǎng)呼吸 從而使n e p 也增 加 都充當(dāng) 碳匯 的作用 溫度升高1 4 c n p p 和異養(yǎng)呼吸增加 部分植被生態(tài)系統(tǒng)n e p 降低 成為 碳源 但 是整個(gè)黑河流域的朋妒是增加的 充當(dāng)著 碳匯 的作用 降水增加2 0 氣溫升高1 4 c n p p 和異養(yǎng)呼吸增加 但是不同生態(tài)系統(tǒng)的n p p 和 異養(yǎng)呼吸增幅不同 部分生態(tài)系統(tǒng)n e p 下降且成為 碳源 大部分增加 整個(gè)黑河流域仍 然是 碳匯 3 各個(gè)植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水和氣溫的改變的響應(yīng)不同 未來氣候變化情景的不同對(duì)n p p 的影響是不同的 通過n p p 對(duì)不同情景的響應(yīng)進(jìn)行分 析 發(fā)現(xiàn)不同的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)方式是不同的 針葉林 荒漠對(duì)降水增加要比對(duì)氣溫升高更加敏感 草甸草原 闊葉林 灌木林對(duì)氣 溫升高比對(duì)降水增加更加敏感 其中的原因各不相同 有些是由其所處的環(huán)境影響的 有些 是由于模型的處理方案造成 4 草本植物對(duì)氣溫升高和降水增加的敏感程度要超過木本植物 通過對(duì)未來氣候變化下的情景模擬 模型可以較好的模擬出相應(yīng)的變化 各植被生態(tài)系 統(tǒng)對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)結(jié)果可以得到較好的解釋 關(guān)鍵詞 黑河流域t e s i m 情景設(shè)置凈初級(jí)生產(chǎn)力凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 s t u d yo nd y n a m i csi m u l a t i o no fe c o s y s t e m i nh e i h er i v e r b a s i n p e n gh o n g c h u n c a r t o l o g ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e n g g u o d o n g a b s t r a c t g o v e r n m e n t sa n ds c i e n t i s t si nt h ew o r l da l ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt og l o b a lc l i m a t e c h a n g e s t u d yo nt h er e s p o n s eo fa r i dr e g i o nt ot h eg l o b a lw a r m i n gi sa ni m p o r t a n ti s s u e t h e r e a r ea l p i n ei c e s n o wb e l t f o r e s t s t e p p ez o n e o a s i sa n dd e s e r ti nh e i h er i v e rb a s i n w h i c hi sa n i d e a ls t u d yr e g i o no nar e s p o n s eo fd i f f e r e n tl a n d s c a p et oc l i m a t ec h a n g e c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s a ne c o l o g i c a lm o d e lc o n q u e r st e m p o r a la n ds p a t i a l e q u i p m e n ta n df u n dl i m i t s a n dr e s o l v e st h en o nr e p e a t a b i l i t yo fl a n d s c a p er e s e a r c ha n ds t u d i e s a n dp r e d i c t sd y n a m i cl a n d s c a p ec h a n g ef r o mm u l t i p l es c a l e s t h i sa r t i c l es i m u l a t e dt h ed y n a m i c s o fh e i h er i v e rb a s i nf r o m19 71t o2 0 0 5w i t ht e s i mm o d e lw h i c hc l a s s i f i e dt h ev e g e t a t i o ni n t o7 c l a s s e s b r o a d l e a ff o r e s t n e e d l e l e a ff o r e s t c r o p d e s e r t m e a d o w s t e p p ea n ds c r u be c o s y s t e m s s i m u l a t e dr e s u l t sw e r ev a l i d a t e dw i t hd a t af r o mm e a s u r e m e m sa n dr e m o t es e n s i n ge d d y c o v a r i a n c em e t h o d t h ev a l i d a t i o ns h o w st h a tt e s i mm o d e lw a sa b l et os i m u l a t et h ed y n a m i c so f h e i h er i v e rb a s i ni naw h o l e w h e r e a ss i m u l a t e dn u t r i e n te l e m e m sa n db e l o w g r o u n dp a r t s p o o r l y t h i sa r t i c l e a n a l y s i z e d t h es i m u l a t e dr e s u l t so fn e tp r i m a r yp r o d u c t i v i t y m 9 尸 a n d h e t e r o t r o p h i cr e s p i r a t i o n 艦 a n dn e te c o s y s t e mp r o d u c t i v i t y n e p f r o ms e a s o n a la n d i n t e r a n n u a ld y n a m i c s t h et h r e es c e n a r i os e t t i n go ff u t u r ec l i m a t ec h a n g ei nh e i h er i v e rb a s i n w h i c hw e r ei n c r e m e n t so f2 0 p r e c i p i t a t i o na n d1 4 a i rt e m p e r a t u r ea n dt h es i m u l t a n e o u s c h a n g eo fb o t h w e r ea s s u m e dw i t hg c m sp r e d i c t i o na n dt h ec l i m a t ed y n a m i c so ft h ep a s t3 5 y e a r s t h er e s u l t so fc u r r e n ta n df u t u r ec l i m a t es c e n a r i o ss h o w e d 1 i n t e r a n n u a ld y a n m i c s t h ef i e n do fn ppa n dn e pf r o m19 71t o2 0 0 5w a si n c r e a s i n gg e n e r a l l y t h ei n t e r a n n u a l c h a n g eo fn e p w a sm o r ei n t e n s i v et h a nt h a to fn p p n e pi nh e i h er i v e rb a s i nw a sp o s i t i v ea n d n e g a t i v ev a l u e si nt u r nf r o m19 7 0 st ot h em i d d l eo f19 8 0 s w h i c hm e a n st h a th e i h er i v e rb a s i n i i i p l a y e dr o l ei n c a r b o ns i n k a n d c a r b o ns o u r c e h e i h er i v e rb a s i nw a sa c a r b o ns i n k t h e r e a f t e r 2 c a r b o nf i x a t i o n t h em e a n 朋叩 w a s6 2 2g m a t o t a ln p pw a s8 0 0 t g c a 1i nt h ep a s t3 5y e a r s t h e i n c r e m e n to ft o t a lm 叩w a s2 7 7t g c 礦1a n di n c r e a s e d4 0 f r o m19 71t o2 0 0 5 t h es i m u l a t e d n e pm e a nw a s5 7 2g m 2 9 1 a n d t o t a ln e pw a sa b o u to 7 4 t g c a 1 w h i c hs h o w st h a th e i h e r i v e rb a s i nw a sa c a r b o ns i n k d u r i n gt h ep e r i o d t h et o t a lc a r b o ns t o r a g ec a p a c i t yi nh e i h e r i v e rb a s i nw a s3 4 5 3t g c i nw h i c hs t o r a g ec a p a c i t yo fv e g e t a t i o na n ds o i lw e r e2 2 0t g ca n d 3 2 3 3t g cr e s p e c t i v e l y t h es e q u e n c eo fn p po f v e g e t a t i o ne c o s y s t e m sp e ra r e aw a sb r o a d l e a ff o r e s t n e e d l e l e a f f o r e s t s c r u b m e d o w s c r o ps t e p p ea n dd e s e r te c o s y s t e m sf r o mh i g ht ol o w a n do ft o t a ln p pw a s m e a d o w s d e s e r t s t e p p e s c r u b c r o p n e e d l e l e a f a n db r o a d l e a ff o r e s t s s p a t i a l l yt h ec a r b o ns t o r a g ec a p a c i t yw a sd i s t r i b u t e dt h eu p p e rr a n g eo ft h er i v e rm o s t l y w h i c hi st h es m a l l e s tp a r ti nt h ew h o l eb a s i n d e s p i t eo ft h el a r g e s ta r e a t h es t o r a g ec a p a c i t yp e r u n i ti nt h el o w e rb a s i nw a sl e s s t h ed i s t r i b u t i o no fc a r b o ns t o r a g ec a p a c i t yw a sc h a r a c t e r i z e db y e n r i c h m e n ti nas m a l lz o n e p o v e r t yi nal a r g ez o n e 3 d y n a m i c so ff u t u r ec l i m a t es c e n a r i o s t h ei n t e r a c t i v ee f f e c to fp r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ec h a n g es u r p a s s e do n e so fo n e f a c t o r c h a n g e t h ee f f e c to fd i f f e r e n tc l i m a t es c e n a r i o so nn p pa n dn e pw a sd i f i e r e n t 1 nt h es c e n a r i oo f p r e c i p i t a t i o nc h a n g e t h ei n c r e m e n to f2 0 p r e c i p i t a t i o na u g m e n t e dn p pa n dh r b e c a u s et h e i n c r e m e n to tn p pe x c e e d e dt h a to f n e p n e po fa l le c o s y s t e mw e r e 呻a n da l le c o s y s t e m ss e r v e d a sa c a r b o ns i n k i nt h es c e n a r i oo ft e m p e r a t u r ec h a n g e t h ei n c r e m e n to f1 4 ca u g m e n t e dn p pa n dh r a n d n e po fp a r to fe c o s y s t e m sd e c r e a s e d t h ee c o s y s t e m ss e r v e da s c a r b o ns o u r c e s b u tn e po t w h o l eb a s i ni n c r e a s e d a n dh e i h eb a s i np l a y e dar o l ei n c a r b o ns i n k i nt h es c e n a r i oo fs i m u l t a n e o u sc h a n g eo fp r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r e t h ec h a n g e a u g m e n t e dn p pa n dh r d i f f e r e n te c o s y s t e m sh a dd i f f e r e n ti n c r e m e n t n e po fp a r te c o s y s t e m s w e r ed o w na n ds e r v e da s c a r b o ns o u r c e s a n dt h e o t h e r su p i naw h o l e h e i h eb a s i nw a sa c a r b l o ns i n k i nt h i ss c e n a r i o i v r e s p o n s e so fd i f f e r e n te c o s y s t e m st op r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ec h a n g e sw e r ed i f f e r e n t n e e d l e l e a fa n dd e s e r te c o s y s t e m sw e r es e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e t h ee c o s y s t e m so f m e a d o wa n db r o a d l e a ff o r e s t sa n ds c r u bt ot h ep r e c i p i t a t i o nc h a n g e d i f f e r e n te c o s y s t e m sh a d d i f f e r e n tr e a s o n sf o r t h es e n s i t i v i t y w h i c ho fp a r te c o s y s t e m sw e r eb e c a u s eo fe n v i r o n m e n t a l f a c t o r a n do fp a r t sw e r et h es c h e m eo ft h em o d e lw h i c hs u b s t i t u t e dw a t e rp o t e n t i a lo fs o i lb o u o m f o ram o d e lo fb e l o w g r o u n dw a t e r t h eh e r bv e g e t a t i o n sw e r em o r es e n s i t i v et ot h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o nt h a n t h i sa r t i c l es i m u l a t e dt h ed y n a m i c so fh e i h er i v e rb a s i n w i t ht e s i mm o d e l a n dt h e s i m u l a t e dr e s u l t sr e f l e c t e dt h ed y n a m i c so fh e i h ee c o s y s t e mi nt h es c e n a r i o so fc u r r e n ta n df u t u r e c l i m a t ec h a n g e s a n dt h er e s u l t sw e r ee x p l a i n e dw i t hp r o p e rr e a s o n s k e y w o r d s h e i h er i v e rb a s i n t e s i mm o d e l s c e n a r i os e t t i n g n e tp r i m a r yp r o d u c t i v i t y n e t e c o s y s t e mp r o d u c t i v i t y v 原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文 是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成 果 學(xué)位論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果 數(shù)據(jù) 觀點(diǎn)等 均已明確 注明出處 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的科研成果 對(duì)本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文 中以明確方式標(biāo)明 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 研究生簽名 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品 知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬中國科 學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 本人完全了解中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程 研究所有關(guān)保存 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保存或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu) 送交論文的紙質(zhì)版和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)中國科學(xué)院寒區(qū) 旱區(qū)環(huán)境與工程研究所可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 檢索 可以采用任何復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本人離所后發(fā)表 使用論 文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí) 第一署名單位仍然為中國科學(xué)院寒 區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 研究生簽名 導(dǎo)師簽名 必午繼蝌 第一章前言 1 1 1 論文的選題背景 第一章前言 1 1 研究目的和意義 i p c c 的研究表明 從1 8 6 1 年開始 地球氣候的變化趨勢(shì)是變暖 地球表面 的平均溫度大約升高了0 6 z w i e r se ta 1 2 0 0 0 圖1 1 全球氣候變化越來 越引起各國科學(xué)家 政府的關(guān)注 它所引起的環(huán)境變化也越來越與人類的生存息 息相關(guān) 我國西北干旱區(qū)是全球變化中一個(gè)比較敏感的地區(qū) 其生態(tài)環(huán)境極為脆 弱 自然災(zāi)害十分頻繁 全球氣候變化和人類活動(dòng)誘發(fā)的土地沙漠化 土壤鹽漬 化 草地退化 河湖水質(zhì)惡化 生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重 全球氣候持續(xù)變暖 氣候異常和區(qū)域人類活動(dòng)的干擾對(duì)中國干旱區(qū)山地一綠洲一 荒漠生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響 圖卜i1 8 6 0 年以來全球氣溫的變化 引自i p c c2 0 0 1 年報(bào)告 橫坐標(biāo)代表年份 縱坐標(biāo)代表溫度 單位是攝氏度 準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候變化和未來氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的可能影響已經(jīng)成為 國際 地圈一生物圈計(jì)劃 i g b p 的主要研究目標(biāo) 丹麥理論生態(tài)學(xué)家j o r g e n s e n 1 9 8 8 中國科學(xué)院博士學(xué)位論文 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究 說 要想了解復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的功能 在生態(tài)學(xué)中應(yīng)用模型幾乎是必不可少的 近年來 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)研究得到了迅速發(fā)展 這類研究為陸地 生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的定量化提供了較為科學(xué) 有效和理想的方法 極具潛力 在許多方面不可替代 比如 對(duì)區(qū)域甚至全球尺度碳循環(huán)格局及其變化的研究 對(duì)碳源碳匯未來格局變化的預(yù)測(cè) 只能在模式研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行 又如利用模式 所作的控制試驗(yàn)具有獨(dú)特作用 可以通過設(shè)定實(shí)際觀測(cè)很難見到的各種狀況研究 碳循環(huán)的許多關(guān)鍵過程 研究人類活動(dòng)的影響等 也可通過控制試驗(yàn)研究碳循環(huán) 的未來變化 在各種生態(tài)系統(tǒng)模型中 具有物理基礎(chǔ)的機(jī)理模型克服了概念模型 及統(tǒng)計(jì)模型的不足 可在時(shí)間尺度上進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化研究 具有廣泛適 用性 從而使得生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理模擬成為過去1 0 年碳循環(huán)研究中發(fā)展最快的領(lǐng)域之 一 實(shí)驗(yàn)手段 觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展 大力推動(dòng)了生態(tài)系統(tǒng)模擬 過去 1 0 年以大型試驗(yàn)環(huán)境控制 渦度相關(guān)測(cè)定和定量遙感為代表的新技術(shù)手段的發(fā) 展和應(yīng)用推動(dòng)了多尺度 長期生態(tài)試驗(yàn)和觀測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的建立 獲得和積累了 大量的試驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù) 推動(dòng)了模型的發(fā)展和應(yīng)用 在過去的2 0 年里 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及遙感等數(shù)據(jù)獲取獲取手段 的革命性進(jìn)展 使生態(tài)模型尤其是宏觀植物生態(tài)模型得到廣泛應(yīng)用并日漸完善 w a m i n g r u n n i n g 1 9 9 8 對(duì)真實(shí)生態(tài)系統(tǒng)的模擬成為可能 衛(wèi)星遙感觀測(cè) 第一次為大尺度提供了生態(tài)觀測(cè)證據(jù) 特別是t u c k e r 等人 1 9 8 5 有關(guān)地面對(duì)可 見光和近紅外吸收的的差別 n d v i 與植被光合作用相關(guān)性的開拓性研究以來 遙感已成為生產(chǎn)力變化研究的主要手段 遙感是目前進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)變化大尺度 連續(xù)和定量觀測(cè)的唯一可行手段 它在生態(tài)系統(tǒng)研究中的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)環(huán)境條 件 植被分布格局與活動(dòng)和土地利用等動(dòng)態(tài)變化 為生態(tài)系統(tǒng)模型運(yùn)行提供高分 辨率和實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù) 1 1 2 研究意義 本文將通過模型模擬的方法對(duì)黑河流域生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究 具有 以下意義 l 有助于科學(xué)地認(rèn)識(shí)我國西部干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變化 預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì) 2 第一章前言 2 不同景觀對(duì)氣候變化響應(yīng)是否一致 是一個(gè)非常重要的問題 尤其是研 究大面積人工灌溉綠洲與荒漠景觀之間對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異 對(duì)于合理有效的 流域管理具有重要的意義 3 對(duì)極端干旱環(huán)境下的生態(tài)環(huán)境的變化特點(diǎn)及其規(guī)律進(jìn)行探討 1 2 1 國外研究進(jìn)展 1 2 國內(nèi)外研究進(jìn)展 隨著全球氣候變化 各國科學(xué)家越來越關(guān)心與人類息息相關(guān)的環(huán)境問題 作 為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的部分一一植被 其對(duì)氣候變化中的適應(yīng)和反饋 作用越來越被重視 植物生理生態(tài)特性的變化會(huì)帶來生態(tài)系統(tǒng)的變化 最終是陸 地碳循環(huán)過程發(fā)生改變 所以對(duì)植物生理生態(tài)過程的模擬非常重要 1 2 1 1 光合作用模型 現(xiàn)有的光合作用模型按各類不同的建模目的和數(shù)據(jù)條件可以歸納為三種類 型 基于經(jīng)驗(yàn)公式的生產(chǎn)力模型 基于機(jī)理的生產(chǎn)力模型和光能利用率模型 l 基于經(jīng)驗(yàn)公式的生產(chǎn)力模型 上世紀(jì)7 0 年代初 l i e t h 酋倡通過環(huán)境變量用模型估算凈第一性生產(chǎn)力 m i a m i 模型就是l i e t h 在1 9 7 1 年于邁阿密的一個(gè)學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出的第一個(gè)估算 模型 為凈第一性生產(chǎn)力 p 尸 gm 2a 1 的計(jì)算開辟了一條新路徑 l i e t h 1 9 7 1 該模型通過對(duì)大量n p p 實(shí)測(cè)資料和相應(yīng)氣候資料的比較分析 發(fā)現(xiàn)它們 與年均氣溫 t 及年降水 尸 m m 都具有密切的相關(guān)關(guān)系 m 叩 丁 3 0 0 0 1 e 1 3 1 5 加 1 1 盯 p 尸 尸 3 0 0 0 x 1 一e o 0 0 0 6 6 4 p 其后 l i e t h 在t h o m t h w a i t e 研究的基礎(chǔ)上 于1 9 7 2 年在m o n t r e a l 舉行的第 2 2 屆國際地理學(xué)大會(huì)上 提出由實(shí)際蒸發(fā)散量 e t m m 預(yù)測(cè)凈第一性生產(chǎn) 力的模型 最p m o n t r e a l 模型 后來改稱為c w t h o m t h w a i t e 紀(jì)念模型 尸p e 丁 3 0 0 0 x 1 一e o 腫0 9 6 9 5 盯一2 0 日本學(xué)者u e h i j i m a 等 1 9 8 5 基于植被上層的c 0 2 通量與水汽通量之比確 中國科學(xué)院博士學(xué)位論文 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究 定植被水份作用效率 利用國際生物學(xué)計(jì)劃 i b p i n t e r n a t i o n a lb i o l o g yp r o g r a m 研究中取得的6 8 2 組森林植被資料及相應(yīng)的氣候因素通過統(tǒng)計(jì)分析而建立模型 該模型通過計(jì)算太陽輻射 光合有效輻射與凈輻射 r 和輻射干燥度 r d i 1 得到 尸p 與凈輻射的統(tǒng)計(jì)關(guān)系 即c h i k u g o 模型 該模型考慮了最基本的生 理生態(tài)機(jī)理 n p p r d i 民 0 2 9 x r e m 2 1 6 刪2 2 基于機(jī)理的生產(chǎn)力模型 關(guān)于光合作用的深刻機(jī)理是2 0 世紀(jì)8 0 年代才揭示出來的 最早提出光合同 化形成機(jī)制的模型是f a r q u h a r 等 1 9 8 0 提出的 他們最先提出了光合速率同時(shí) 被光合酶促反應(yīng)的羧化速率和光合過程中電子傳遞的光量子效應(yīng)所決定 b a l l 等 1 9 8 7 觀察到植物可以通過改變?nèi)~氣孔導(dǎo)度的大小控制進(jìn)入葉胞間 c 0 2 h 2 0 通量 得出了氣孔導(dǎo)度與凈光合速率 空氣濕度和葉表二氧化碳分壓 關(guān)系模型 其后c o l l a t z 等 1 9 9 1 把光合產(chǎn)物的外輸速度限制也看成是另一個(gè) 光合速率的決定 因此產(chǎn)生了基本的光合輸出機(jī)理模型 當(dāng)前 多數(shù)碳循環(huán)模型都采用了上述光合機(jī)理模型的框架 所不同的是對(duì)個(gè) 別過程的重新參數(shù)化 例如 一些模型不考慮c 3 和c 4 植物的光合機(jī)制的差別 如c a r a i b z w a m a n te ta l 19 9 4 b i o m e 3 h a x e l t i n ee ta l 19 9 6 b i o m e b g c r u n n i n g 1 9 9 1 r u n n i n ge ta l 1 9 9 3 和l o t e c p o s te ta l 1 9 9 7 k i n ge la l 1 9 9 7 等 而另一些則考慮這種差別 如s i b 2 s e l l e r se t a l 1 9 9 6 i b i s f o l e ye t a l 1 9 9 6 1 9 9 8 l s m b o n a ne ta l 1 9 9 6 等 還有一些模型可以分陽面和陰面葉分別考 慮計(jì)算光合作用 如b e p s l i ue ta l 1 9 9 7 c l a s s v e r s e g h y 1 9 9 1 e c o s y s g r a n t 2 0 0 1 a 2 0 0 1 b 等 更加詳細(xì)的信息 可以翻閱附表7 3 光能利用率模型 另一類初級(jí)生產(chǎn)力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔谶b感信息的 即光能利用率模型 這類模 型主要是考慮光合有效輻射和光合有效輻射有效比率f e a r 卯尸 倒尺 p a r f e a r p a r l u e x f t c 0 2 輻射干燥度 r d i 是輻射能量的年凈收入與蒸發(fā)掉年降水所需的能量的比值 r r 是表示 氣候干燥程度的一種指數(shù) 2 模型全稱見附錄2 4 第一章前言 l u e l i g h tu s ee f f i c i e n c y 一光能利用率 f t 礦 c 0 2 一溫度 土壤濕度 大氣中c 0 2 濃度對(duì)輻射的世紀(jì)光合利 用效率的影響 這類模型的代表模型有 c a s a f i e l de ta l 1 9 9 5 t u r c r u i m ye la l 1 9 9 6 s i b 2 s e l l e r se ta l 1 9 9 6 g l o p e m p r i n c e 1 9 9 1 不過這幾個(gè)模 型稍有不同 c a s a 建立的是 胛與p a r 的關(guān)系 而t u r c s i b 2 g l o p e m 建立的是g p p 與似r 的關(guān)系 目前經(jīng)驗(yàn)性生產(chǎn)力模型的主要發(fā)展趨勢(shì)是 不再采用單純的生產(chǎn)力一氣候經(jīng) 驗(yàn)關(guān)系 而是采用基于遙感信息的生產(chǎn)力 光合有效輻射吸收率 環(huán)境綜合模型 1 2 1 2 生態(tài)系統(tǒng)模型的研究進(jìn)展 生態(tài)系統(tǒng)過程模型又稱機(jī)理模型 m e c h a n i s t i ce c o p h y s i o l o g i c a lm o d e l s 或生 物地球化學(xué)模型 b g c b i o g e o c h e m i s t r ym o d e l s 該類模型的機(jī)理性和系統(tǒng)性 較強(qiáng) 具有處理不同過程的交互和反饋?zhàn)饔玫哪芰?在不同條件下能靈活而詳細(xì) 地描述生物學(xué)過程 但是由于過程模型往往設(shè)計(jì)比較復(fù)雜 要求輸入?yún)?shù)多 這 也會(huì)因數(shù)據(jù)的可獲取性而導(dǎo)致模型受到實(shí)用性的限制 陳鏡明 1 9 9 6 按照在整個(gè)模擬過程中 任一區(qū)域內(nèi)植被的類型或結(jié)構(gòu)能否進(jìn)行自主適應(yīng)于 環(huán)境的變換 區(qū)域尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型可分為基于靜態(tài)植被的生態(tài)系 統(tǒng)碳循環(huán)模型和基于動(dòng)態(tài)植被的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型 l 基于靜態(tài)植被的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型 依照模型的主要應(yīng)用目的不同分為三類 生物地理模型 生物地球化學(xué)模型 陸氣界面生物物理模型 生物地理模型的主要目的是模擬現(xiàn)實(shí)氣候與區(qū)域植被的對(duì)應(yīng)關(guān)系 或者說因 氣候變化而引起的生物分布的變遷 生物地理模型以植物對(duì)環(huán)境的生態(tài)生理適應(yīng) 性和資源競(jìng)爭(zhēng)能力為基礎(chǔ)模擬植被分布和組成 它們應(yīng)用植物功能類型的概念把 植物分為喬木 灌木和草本生活型 l i f e f o r m 針葉和闊葉及常綠和落葉生理類型 以及c 3 和c 4 光合類型 代表模型有b i o m e 3 d o l y w o o d w a r de ta t 1 9 9 5 和m a p p s n e i l s o n 1 9 9 5 這類模型的缺點(diǎn)是不能模擬生態(tài)系統(tǒng)的功能 生物地球化學(xué)模型以氣候 土壤條件和植被類型為輸入變量 模擬生態(tài)系統(tǒng) 光合作用 呼吸作用和土壤微生物分解過程 計(jì)算植物 土壤 大氣之間碳和養(yǎng)分循 5 中國科學(xué)院博士學(xué)位論文 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究 環(huán)以及溫室氣體交換通量 主要用來模擬3 個(gè)關(guān)鍵循環(huán) 碳 水和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán) 而 生物地球化學(xué)模型部分主要模擬給定的生態(tài)系統(tǒng)每月的碳和營養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài) 地 上 地下過程都被詳細(xì)模擬 包括植物生長 土壤有機(jī)物分解和水 營養(yǎng)物質(zhì)循 環(huán) 生物地球化學(xué)模型主要用來模擬在當(dāng)前或歷史氣候條件下的生態(tài)系統(tǒng)過程 加深對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能基本理論的理解 其最重要的應(yīng)用是預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變 化尤其是大氣中溫室氣體包括c 0 2 濃度增高的反應(yīng) 缺點(diǎn)是不能模擬生態(tài)系統(tǒng)類 型的分布 代表性模型有 c e n t u r y p a r t o ne ta l 1 9 9 3 t e m r a i c he ta 1 1 9 9 1 m c g u i r ee ta l 1 9 9 2 1 9 9 5 f b m k i n d e r m a n ne ta l 1 9 9 3 h r b m e s s e re t a l 1 9 9 4 b g c f o r e s t r u n n i n g c o u g h l a n 1 9 8 8 以及由其發(fā)展而來的 b i o m e b g c g e s s y s h u n te ta l 19 9 6 和r h e ss y s b a n de ta l 19 9 3 其中的 c e n t u r y 模型對(duì)土壤碳循環(huán)的模擬方案 是目前大部分模型采用的方法 也是 今后對(duì)土壤有機(jī)碳分解過程模擬最有前途的方案 該方案是把土壤碳庫分成了地 上和地下結(jié)構(gòu)性凋落物 地上和地下代謝性凋落物4 個(gè)碳庫 陸面生物物理模型的主要目的是研究陸面覆蓋 生態(tài)系統(tǒng) 對(duì)其臨近大氣特 征的反饋?zhàn)饔?以m o n t e i t h p e n m a n 方程和d a r c y 方程 土壤液態(tài)水垂直交換與 重力和基質(zhì)水勢(shì)的關(guān)系 為基礎(chǔ) 考慮植物葉片對(duì)不同波段輻射的選擇吸收和反射 以及植被冠層對(duì)蒸騰作用 水熱轉(zhuǎn)化和動(dòng)量交換的影響等 對(duì)土壤 植物 大氣連續(xù) 體的水熱交換過程進(jìn)行統(tǒng)一的描述 代表性模型有 s i b 系列 s e l l e r se ta l 1 9 8 6 1 9 9 6 l s m b o n a n 1 9 9 6 c l a s s v e r s e g h y 1 9 9 1 b a t s d i c k i n s o ne ta l 1 9 9 3 和l e a f 它們都是 很有效的陸面生物物理模型 d i c k i n s o n 1 9 9 5 該類模型多用于氣候研究 這類 模型的缺點(diǎn)是對(duì)碳在植被和土壤中的運(yùn)移過程描寫太簡(jiǎn)單 僅給出界面上的通 量 對(duì)碳庫量不加考慮 這類模型一般適用于較大面積 景觀尺度以上 不適 合于生態(tài)系統(tǒng)尺度 斑塊尺度 的模擬 2 基于動(dòng)態(tài)植被的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型 這類模型的特點(diǎn)就是用動(dòng)態(tài)植被模型的輸出結(jié)果作為輸入 代替陸地生態(tài)系 統(tǒng)中的植被類型 或者說把動(dòng)態(tài)植被模型和靜態(tài)植被的生態(tài)系統(tǒng)模型耦合起來 從而解決估算季節(jié)際 年際和年代際以上區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支變化的估算問 6 第一章前言 題 可分為三類模型 動(dòng)態(tài)植被 生物物理模型 f o l e ye ta l 1 9 9 6 動(dòng)態(tài)植被 生物地球化學(xué)模型 動(dòng)態(tài)植被模型 動(dòng)態(tài)植被模型的主要特征是植被類型可以以月或年為步長逐漸變化 某些植 被結(jié)構(gòu)會(huì)以天為步長變化 植被物候也匹配以日到星期為時(shí)間步長 其應(yīng)用于碳 循環(huán)的主要改進(jìn)是耦合了以月到年為時(shí)間步長的土壤元素循環(huán)過程模型 解決了 估算季節(jié) 年際和年代際以上生態(tài)系統(tǒng)碳收支變化問題 代表模型是l p j s i t c h 2 0 0 0 其設(shè)計(jì)上類似于靜態(tài)植被模型b i o m e 3 可 以稱為生物地理型模型 不需要增加新的輸入?yún)?shù) 得到的卻是依時(shí)間步長變化 的植被類型 組成和結(jié)構(gòu) 另一類動(dòng)態(tài)植被模型 是基于種群競(jìng)爭(zhēng)理論的植被功 能競(jìng)爭(zhēng)排斥模型 例如 t r i f f i d 模型 c o x 甜a l 2 0 0 1 動(dòng)態(tài)植被 生物地球化學(xué)耦合模型以動(dòng)態(tài)植被為基礎(chǔ)的生物地球化學(xué)模型 把生物地球化學(xué)模型的初始植被 隨后固定 用依賴于氣候和土壤變化的動(dòng)態(tài)植 被演替 使得每個(gè)時(shí)刻的植被的結(jié)構(gòu) 包括冠層葉面積剖面 植物高度分布 和 組成特征 包括物種或植物功能型的配比 更接近實(shí)際 植被的光合 呼吸 凋 落參數(shù)由于嚴(yán)格依賴于植被結(jié)構(gòu)和組成 所以光合 呼吸和凋落乃至土壤分解諸 過程的模擬更加客觀 代表性模型是h y b r i d 模型 f r i e n de ta l 1 9 9 7 和 l p j t e m p a ne la l 2 0 0 2 動(dòng)態(tài)植被 生物物理耦合模型主要是回答兩個(gè)問題 植被如何影響陸面過程 從而影響大氣系統(tǒng) 氣候變化如何作用于植被 這類模型的基本特點(diǎn)是 氣候在 大尺度和小尺度上都影響植被 而植被僅僅在更小時(shí)間尺度上影響氣候過程 這 類模型的代表就是集成生物圈模擬器 f o l e ye ta l 19 9 8 這一類模型代表著全 球碳循環(huán)模型的研究方向 因?yàn)槠湔梅从沉巳蛱佳h(huán)過程的復(fù)雜性 即全球 碳循環(huán)過程受到生物物理學(xué) 生物地球化學(xué)和植被演替諸個(gè)時(shí)間尺度截然不同自 然過程的影響 1 2 1 3 植物生理生態(tài)學(xué)的發(fā)展 植物生理生態(tài)學(xué) p l a n tp h y s i o e c o l o g y 是研究生態(tài)因子與植物生理現(xiàn)象之間 關(guān)系的科學(xué) 它從生理機(jī)制上探討植物與環(huán)境的關(guān)系 物質(zhì)代謝和能量流動(dòng)規(guī)律 以及植物在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性 l a r c h e r 1 9 9 5 由于它能夠給許多生態(tài)環(huán) 境問題以生理機(jī)制上的解釋 因而得到日益廣泛的重視 推動(dòng)了生態(tài)模擬模型的 7 中國科學(xué)院博士學(xué)位論文 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究 發(fā)展 圍繞區(qū)域或全球碳循環(huán) 各國科學(xué)家對(duì)森林 農(nóng)業(yè)活動(dòng) 極地凍原 海洋生 態(tài)系統(tǒng)對(duì)溫室氣體的影響進(jìn)行了大量的研究 v a l e n t i n ie t a l 2 0 0 0 r o b e r t s o n e t a l 2 0 0 0 h u 甜a l 2 0 0 1 o e c h e le ta l 2 0 0 0 r i v k i ne ta l 2 0 0 1 w a t s o ne ta l 2 0 0 0 蔣高明 2 0 0 1 獲取了第一手的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 對(duì)植物在脅迫環(huán)境下的植物生理生態(tài)響應(yīng) 例如植物適應(yīng)高溫和低溫的機(jī)制 f i l e l l ae ta l 19 9 8 r o s s ae ta l 19 8 9 t a u be ta 1 2 0 0 0 s i n g s a a se t 口厶2 0 0 0 過量的 光輻射在植物中產(chǎn)生的光脅迫 t h i e l ee ta 1 19 9 7 k r a u s ee ta l 19 9 9 m a n u e le ta t 19 9 9 m a x w e l le ta l 19 9 9 r i v a d o s s ie ta l 19 9 9 b a r t he ta l 2 0 01 紫外輻射 j a n s e ne ta i 19 9 8 s a n d e r m a n ne ta l 19 9 8 s c h n i t z l