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西北旱区葡萄园碳通量变化规律分析及模拟

作　者: 郭维华
导　师: 康绍忠
学　校: 中国农业大学
专　业: 农业水土工程
关键词: 涡度相关碳通量西北旱区土壤碳通量模型葡萄园
分类号: S663.1
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

在全球气候变化日益加剧的环境下,陆地生态系统碳循环的研究已成为热点。绿色植物是碳循环过程当中最重要的组成成分,尤其是自然系统较为脆弱的区域,植物的功能更加明显。中国西北早区生态系统脆弱,葡萄作为西北旱区广泛种植的经济果树,对当地的大气碳库起着重要作用,其碳通量有着独特的变化规律和机理,其研究对于认识整个陆地生态系统的碳循环过程有着重要意义。本研究利用涡度相关系统,于2008年至2013年在我国西北旱区甘肃武威地区葡萄园进行了6年的CO2通量观测试验,分析了不同时间尺度下葡萄园CO2通量的变化规律,确定其碳源/汇属性及强度；区分出不同时间尺度下影响碳通量变化的主要因子；通过对比实测土壤碳通量数据,得到了适宜模拟西北旱区土壤碳通量的模型；在以上研究基础上,通过对比分析,建立了适宜模拟葡萄园碳通量的理论模型。具体研究结果如下：(1)葡萄园生态系统2008年至2011年的净CO2交换量分(NEE)别为-820、-824、-961以及-992gC.m-2·y-1,总体呈明显的碳汇。葡萄园生态系统NEE呈明显的季节变化规律,在萌芽期葡萄园整体表现为弱的碳源,而到新梢生长期以后转变为碳汇,并且固碳量持续增大,至生育末期开始减小。其NEE日变化规律呈双峰型曲线,午间会出现“光合午休”现象,灌溉会减轻“午休”现象的发生,使其峰值持续的时间增长。(2)在不同时间尺度上,影响葡萄园生态系统净CO2交换量的主要因子各不相同：小时尺度,冠层导度和净辐射是主要影响因子。在日尺度上,冠层导度、温度以及饱和水汽压差为主要影响因子。月尺度上气温、冠层导度以及大气CO2含量对NEE影响最明显。(3)温度模型和Q1o模型由于仅考虑温度对土壤碳通量的影响,因此在模拟时效果并不理想,R2分别为0.10和0.32。本研究通过考虑温度和水分两方面的因素,建立了改进的水分温度综合模型(W-T模型),其模拟效果得到明显提高,R2达到0.78。(4)常用的碳通量模型SMPT-SB和Crop-C模型在模拟西北旱区葡萄园碳通量变化时,效果均不理想,模拟值分别高估60%和30%。在考虑葡萄园的特殊性：植被和土壤对碳通量贡献的差异性后,结合SMPT-SB模型与土壤的综合模型,本研究建立了适宜模拟葡萄园碳通量的SMPT-SW模型,其模拟效果有显著提升,模拟值相较实测值高估约8%,R2达到0.85。(5)根据IPCC第五次工作报告中提出的两种碳排放情景,利用SMPT-SW模型对西北旱区葡萄园2015至2065年的植被初级生产力(NPP)进行了预测。预测结果表明在低碳排放情景下,2065年葡萄园NPP可达1299gC-m-2·y-1,是2015年的1.25倍。其中2015至2020年间为快速增长阶段。在高碳排放情景下,2015至2030年间为快速增长阶段,该15年间葡萄园NPP增长了24%,2030至2065年间葡萄园NPP却开始下降,到2065年时下降至1213gC-m-2·Y-1。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 研究目的与意义  9-10
  1.3 涡度相关技术发展  10-12
  1.4 碳通量研究进展  12-13
  1.5 陆地生态系统土壤呼吸研究进展  13-16
  1.6 陆地生态系统碳通量模拟模型  16-17
  1.7 研究中存在的问题及研究内容  17-19
第二章试验研究方法  19-25
  2.1 碳通量观测点概况  19-21
  2.2 研究方法及技术路线  21-22
  2.3 测定方法与观测指标  22-25
第三章数据处理及分析  25-34
  3.1 平均周期的选取  25-28
  3.2 二次、三次坐标旋转法及平面拟合法的比较  28-30
  3.3 频率响应校正  30-32
  3.4 缺失数据的插补  32-33
  3.5 模型模拟评价指标  33-34
第四章葡萄园净CO_2交换量的变化规律  34-56
  4.1 葡萄园气象及土壤因子的季节动态特征  34-44
  4.2 葡萄园NEE的生育期变化规律  44-51
  4.3 葡萄园NEE的日变化规律  51-54
  4.4 葡萄园生态系统与其他生态系统NEE的比较  54-56
第五章不同时间尺度葡萄园NEE变化的控制机理  56-67
  5.1 小时尺度NEE变化规律的控制机理  56-60
  5.2 日尺度NEE变化规律的控制机理  60-63
  5.3 月尺度NEE变化规律的控制机理  63-67
第六章葡萄园土壤碳通量的模拟  67-72
  6.1 葡萄园土壤碳通量模型分析与改进  67-70
  6.2 三种土壤碳通量模型模拟结果分析  70-72
第七章葡萄园NEE模拟模型的构建  72-84
  7.1 常用碳通量模型在葡萄园的适用性  72-76
  7.2 基于植被土壤双源的碳通量模型构建  76-79
  7.3 不同条件下三种模型的模拟结果对比  79-84
第八章不同碳排放情景下葡萄园NPP的预测  84-89
  8.1 未来气候变化的情景建立  84-85
  8.2 不同碳排放预测结果  85-87
  8.3 模拟结果分析  87-89
第九章主要结论与不足  89-92
  9.1 主要结论  89-91
  9.2 本论文创新点  91
  9.3 论文的不足及有待进一步研究的问题  91-92
参考文献  92-104
致谢  104-105
个人简介  105

西北旱区葡萄园碳通量变化规律分析及模拟

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