（地图学与地理信息系统专业论文）黑河流域生态系统动态模拟研究.pdf

黑河流域生态系统动态模拟研究 摘要 全球气候变化越米越引起各国科学家 政府的关注 研究干旱区是全球气候变暖中响应 机制和变化是非常重要的问题 黑河流域内分布着高曲冰雪带一山区森林草原带一绿洲一荒 漠 是一个研究不同景观在气候变化中的响应变化的理想区域 与传统研究手段相比 生态模型克服了时空 设备和资金上的限制 解决了景观研究中 的不可重复性 可以从多尺度研究景观生态的动态变化和预测 本论文利用陆地生态系统模 拟模型t e s i m 将黑河流域按照植被分为阔叶林生态系统 针叶林生态系统 农田生态系统 荒漠生态系统 草甸草原生态系统 灌木生态系统和典型草原生态系统 模拟了1 9 7 1 2 0 0 5 年黑河流域3 5 年的动态变化 对于模拟结果 本论文采用了实测数据 卫星遥感数据 涡度相关数据进行验证 验证 结果表明 t e s i m 模型能够较好的模型黑河流域的动态变化 但是在营养元素结果输出 地 下部分的模拟还存在不足 本论文通过当前气候情景下的黑河流域生态系统进行模拟 对模拟结果中的净初级生产 力 朋叩 异养呼吸 舰 和净生态系统生产力 朋妒 的季节动态 年际动态和空间 分布进行了分析 通过g c m s 模型对未来气候情景的预测结果 对未来的气候变化进行情景 假设 分为降水增 j i 2 0 气温升高1 4 c 降水增n 2 0 气温升高1 4 c 三种情景进行模 拟 得出未来可能的气候变化情景下黑河流域生态系统的m 叩和 e p 的变化情况 通过对当 前气候情景和未来气候情景假设的模拟结果的分析 得出以下规律 一 年际动态 从整个黑河流域来看 1 9 7 1 一2 0 0 5 年的3 5 年间 j d 尸和m 妒总的变化趋势是上升 n e p 的年际间变化幅度较大 超过 p p 的幅度 黑河流域的 j 妒在上世纪7 0 年代n 8 0 年代中期 正值和负值数目大体相当 交替充当着 碳汇 和 碳源 的角色 在其后约2 0 年内 基本上起 着 碳汇 的作用 从各个生态系统来看 灌木林 草甸草原 针叶林的年n p p 最低值和最高值分别出现 温度的最低年和最高年 荒漠的n p p 与降水成正相关 r o 6 5 p 针叶林 灌木林 草甸草原 农田 典型草原 荒漠 从不同生态系统的n p p 总量来看 从高到底的顺 序依次为 草甸草原 荒漠 典型草原 灌木林 农田 针叶林 阔叶林 从碳储量的分布来看 上游的面积最小却是碳的主要贮存区 而下游有广阔的面积 但是单位面积的碳储量很低 整个黑河流域的碳产量呈现 大面积贫瘠 小面积富集 的特点 三 未来气候变化情景下的动态变化 l 降水和气温同时改变的叠加效应要超过单独一个因子变化的效应 2 不同气候变化情景对朋p 尸和n e p 的作用是不相同的 降水增加2 0 n p p 和异养呼吸增加 n p p 的增幅要超过异养呼吸 从而使n e p 也增 加 都充当 碳汇 的作用 温度升高1 4 c n p p 和异养呼吸增加 部分植被生态系统n e p 降低 成为 碳源 但 是整个黑河流域的朋妒是增加的 充当着 碳汇 的作用 降水增加2 0 气温升高1 4 c n p p 和异养呼吸增加 但是不同生态系统的n p p 和 异养呼吸增幅不同 部分生态系统n e p 下降且成为 碳源 大部分增加 整个黑河流域仍 然是 碳汇 3 各个植被生态系统对降水和气温的改变的响应不同 未来气候变化情景的不同对n p p 的影响是不同的 通过n p p 对不同情景的响应进行分 析 发现不同的生态系统对气温和降水的响应方式是不同的 针叶林 荒漠对降水增加要比对气温升高更加敏感 草甸草原 阔叶林 灌木林对气 温升高比对降水增加更加敏感 其中的原因各不相同 有些是由其所处的环境影响的 有些 是由于模型的处理方案造成 4 草本植物对气温升高和降水增加的敏感程度要超过木本植物 通过对未来气候变化下的情景模拟 模型可以较好的模拟出相应的变化 各植被生态系 统对降水和气温的响应结果可以得到较好的解释 关键词 黑河流域t e s i m 情景设置净初级生产力净生态系统生产力 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 舰 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 矿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 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确 注明出处 除文中已经注明引用的内容外 不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 研究生签名 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属中国科 学院寒区旱区环境与工程研究所 本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存 使用学位论文的规定 同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索 可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文 本人离所后发表 使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所 保密论文在解密后应遵守此规定 研究生签名 导师签名 必午继蝌 第一章前言 1 1 1 论文的选题背景 第一章前言 1 1 研究目的和意义 i p c c 的研究表明 从1 8 6 1 年开始 地球气候的变化趋势是变暖 地球表面 的平均温度大约升高了0 6 z w i e r se ta 1 2 0 0 0 图1 1 全球气候变化越来 越引起各国科学家 政府的关注 它所引起的环境变化也越来越与人类的生存息 息相关 我国西北干旱区是全球变化中一个比较敏感的地区 其生态环境极为脆 弱 自然灾害十分频繁 全球气候变化和人类活动诱发的土地沙漠化 土壤盐渍 化 草地退化 河湖水质恶化 生物多样性减少等一系列生态环境问题日趋严重 全球气候持续变暖 气候异常和区域人类活动的干扰对中国干旱区山地一绿洲一 荒漠生态系统产生了深远的影响 图卜i1 8 6 0 年以来全球气温的变化 引自i p c c2 0 0 1 年报告 横坐标代表年份 纵坐标代表温度 单位是摄氏度 准确地预测气候变化和未来气候变化对生态系统的可能影响已经成为 国际 地圈一生物圈计划 i g b p 的主要研究目标 丹麦理论生态学家j o r g e n s e n 1 9 8 8 中国科学院博士学位论文 黑河流域生态系统动态模拟研究 说 要想了解复杂生态系统的功能 在生态学中应用模型几乎是必不可少的 近年来 利用计算机进行数值模拟和预测研究得到了迅速发展 这类研究为陆地 生态系统碳循环研究的定量化提供了较为科学 有效和理想的方法 极具潜力 在许多方面不可替代 比如 对区域甚至全球尺度碳循环格局及其变化的研究 对碳源碳汇未来格局变化的预测 只能在模式研究的基础上进行 又如利用模式 所作的控制试验具有独特作用 可以通过设定实际观测很难见到的各种状况研究 碳循环的许多关键过程 研究人类活动的影响等 也可通过控制试验研究碳循环 的未来变化 在各种生态系统模型中 具有物理基础的机理模型克服了概念模型 及统计模型的不足 可在时间尺度上进行生态系统的动态变化研究 具有广泛适 用性 从而使得生态系统机理模拟成为过去1 0 年碳循环研究中发展最快的领域之 一 实验手段 观测系统和计算机技术的进展 大力推动了生态系统模拟 过去 1 0 年以大型试验环境控制 涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的发 展和应用推动了多尺度 长期生态试验和观测系统和网络的建立 获得和积累了 大量的试验和观测数据 推动了模型的发展和应用 在过去的2 0 年里 随着计算机技术的广泛应用以及遥感等数据获取获取手段 的革命性进展 使生态模型尤其是宏观植物生态模型得到广泛应用并日渐完善 w a m i n g r u n n i n g 1 9 9 8 对真实生态系统的模拟成为可能 卫星遥感观测 第一次为大尺度提供了生态观测证据 特别是t u c k e r 等人 1 9 8 5 有关地面对可 见光和近红外吸收的的差别 n d v i 与植被光合作用相关性的开拓性研究以来 遥感已成为生产力变化研究的主要手段 遥感是目前进行生态系统变化大尺度 连续和定量观测的唯一可行手段 它在生态系统研究中的优势在于观测环境条 件 植被分布格局与活动和土地利用等动态变化 为生态系统模型运行提供高分 辨率和实时变化数据 1 1 2 研究意义 本文将通过模型模拟的方法对黑河流域生态系统的动态变化进行研究 具有 以下意义 l 有助于科学地认识我国西部干旱区生态环境变化 预测其变化趋势 2 第一章前言 2 不同景观对气候变化响应是否一致 是一个非常重要的问题 尤其是研 究大面积人工灌溉绿洲与荒漠景观之间对气候变化响应的差异 对于合理有效的 流域管理具有重要的意义 3 对极端干旱环境下的生态环境的变化特点及其规律进行探讨 1 2 1 国外研究进展 1 2 国内外研究进展 随着全球气候变化 各国科学家越来越关心与人类息息相关的环境问题 作 为陆地生态系统的一个非常重要的部分一一植被 其对气候变化中的适应和反馈 作用越来越被重视 植物生理生态特性的变化会带来生态系统的变化 最终是陆 地碳循环过程发生改变 所以对植物生理生态过程的模拟非常重要 1 2 1 1 光合作用模型 现有的光合作用模型按各类不同的建模目的和数据条件可以归纳为三种类 型 基于经验公式的生产力模型 基于机理的生产力模型和光能利用率模型 l 基于经验公式的生产力模型 上世纪7 0 年代初 l i e t h 酋倡通过环境变量用模型估算净第一性生产力 m i a m i 模型就是l i e t h 在1 9 7 1 年于迈阿密的一个学术研讨会上提出的第一个估算 模型 为净第一性生产力 p 尸 gm 2a 1 的计算开辟了一条新路径 l i e t h 1 9 7 1 该模型通过对大量n p p 实测资料和相应气候资料的比较分析 发现它们 与年均气温 t 及年降水 尸 m m 都具有密切的相关关系 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 研究的基础上 于1 9 7 2 年在m o n t r e a l 举行的第 2 2 届国际地理学大会上 提出由实际蒸发散量 e t m m 预测净第一性生产 力的模型 最p m o n t r e a l 模型 后来改称为c w t h o m t h w a i t e 纪念模型 尸p e 丁 3 0 0 0 x 1 一e o 肿0 9 6 9 5 盯一2 0 日本学者u e h i j i m a 等 1 9 8 5 基于植被上层的c 0 2 通量与水汽通量之比确 中国科学院博士学位论文 黑河流域生态系统动态模拟研究 定植被水份作用效率 利用国际生物学计划 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 组森林植被资料及相应的气候因素通过统计分析而建立模型 该模型通过计算太阳辐射 光合有效辐射与净辐射 r 和辐射干燥度 r d i 1 得到 尸p 与净辐射的统计关系 即c h i k u g o 模型 该模型考虑了最基本的生 理生态机理 n p p r d i 民 0 2 9 x r e m 2 1 6 删2 2 基于机理的生产力模型 关于光合作用的深刻机理是2 0 世纪8 0 年代才揭示出来的 最早提出光合同 化形成机制的模型是f a r q u h a r 等 1 9 8 0 提出的 他们最先提出了光合速率同时 被光合酶促反应的羧化速率和光合过程中电子传递的光量子效应所决定 b a l l 等 1 9 8 7 观察到植物可以通过改变叶气孔导度的大小控制进入叶胞间 c 0 2 h 2 0 通量 得出了气孔导度与净光合速率 空气湿度和叶表二氧化碳分压 关系模型 其后c o l l a t z 等 1 9 9 1 把光合产物的外输速度限制也看成是另一个 光合速率的决定 因此产生了基本的光合输出机理模型 当前 多数碳循环模型都采用了上述光合机理模型的框架 所不同的是对个 别过程的重新参数化 例如 一些模型不考虑c 3 和c 4 植物的光合机制的差别 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 而另一些则考虑这种差别 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 还有一些模型可以分阳面和阴面叶分别考 虑计算光合作用 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 更加详细的信息 可以翻阅附表7 3 光能利用率模型 另一类初级生产力经验模型是基于遥感信息的 即光能利用率模型 这类模 型主要是考虑光合有效辐射和光合有效辐射有效比率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 辐射干燥度 r d i 是辐射能量的年净收入与蒸发掉年降水所需的能量的比值 r r 是表示 气候干燥程度的一种指数 2 模型全称见附录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 矿 c 0 2 一温度 土壤湿度 大气中c 0 2 浓度对辐射的世纪光合利 用效率的影响 这类模型的代表模型有 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 不过这几个模 型稍有不同 c a s a 建立的是 胛与p a r 的关系 而t u r c s i b 2 g l o p e m 建立的是g p p 与似r 的关系 目前经验性生产力模型的主要发展趋势是 不再采用单纯的生产力一气候经 验关系 而是采用基于遥感信息的生产力 光合有效辐射吸收率 环境综合模型 1 2 1 2 生态系统模型的研究进展 生态系统过程模型又称机理模型 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 物地球化学模型 b g c b i o g e o c h e m i s t r ym o d e l s 该类模型的机理性和系统性 较强 具有处理不同过程的交互和反馈作用的能力 在不同条件下能灵活而详细 地描述生物学过程 但是由于过程模型往往设计比较复杂 要求输入参数多 这 也会因数据的可获取性而导致模型受到实用性的限制 陈镜明 1 9 9 6 按照在整个模拟过程中 任一区域内植被的类型或结构能否进行自主适应于 环境的变换 区域尺度的陆地生态系统碳循环模型可分为基于静态植被的生态系 统碳循环模型和基于动态植被的生态系统碳循环模型 l 基于静态植被的生态系统碳循环模型 依照模型的主要应用目的不同分为三类 生物地理模型 生物地球化学模型 陆气界面生物物理模型 生物地理模型的主要目的是模拟现实气候与区域植被的对应关系 或者说因 气候变化而引起的生物分布的变迁 生物地理模型以植物对环境的生态生理适应 性和资源竞争能力为基础模拟植被分布和组成 它们应用植物功能类型的概念把 植物分为乔木 灌木和草本生活型 l i f e f o r m 针叶和阔叶及常绿和落叶生理类型 以及c 3 和c 4 光合类型 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 这类模型的缺点是不能模拟生态系统的功能 生物地球化学模型以气候 土壤条件和植被类型为输入变量 模拟生态系统 光合作用 呼吸作用和土壤微生物分解过程 计算植物 土壤 大气之间碳和养分循 5 中国科学院博士学位论文 黑河流域生态系统动态模拟研究 环以及温室气体交换通量 主要用来模拟3 个关键循环 碳 水和营养物质循环 而 生物地球化学模型部分主要模拟给定的生态系统每月的碳和营养物质动态 地 上 地下过程都被详细模拟 包括植物生长 土壤有机物分解和水 营养物质循 环 生物地球化学模型主要用来模拟在当前或历史气候条件下的生态系统过程 加深对生态系统功能基本理论的理解 其最重要的应用是预测生态系统对全球变 化尤其是大气中温室气体包括c 0 2 浓度增高的反应 缺点是不能模拟生态系统类 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 以及由其发展而来的 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 模型对土壤碳循环的模拟方案 是目前大部分模型采用的方法 也是 今后对土壤有机碳分解过程模拟最有前途的方案 该方案是把土壤碳库分成了地 上和地下结构性凋落物 地上和地下代谢性凋落物4 个碳库 陆面生物物理模型的主要目的是研究陆面覆盖 生态系统 对其临近大气特 征的反馈作用 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 土壤液态水垂直交换与 重力和基质水势的关系 为基础 考虑植物叶片对不同波段辐射的选择吸收和反射 以及植被冠层对蒸腾作用 水热转化和动量交换的影响等 对土壤 植物 大气连续 体的水热交换过程进行统一的描述 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 它们都是 很有效的陆面生物物理模型 d i c k i n s o n 1 9 9 5 该类模型多用于气候研究 这类 模型的缺点是对碳在植被和土壤中的运移过程描写太简单 仅给出界面上的通 量 对碳库量不加考虑 这类模型一般适用于较大面积 景观尺度以上 不适 合于生态系统尺度 斑块尺度 的模拟 2 基于动态植被的生态系统碳循环模型 这类模型的特点就是用动态植被模型的输出结果作为输入 代替陆地生态系 统中的植被类型 或者说把动态植被模型和静态植被的生态系统模型耦合起来 从而解决估算季节际 年际和年代际以上区域森林生态系统碳收支变化的估算问 6 第一章前言 题 可分为三类模型 动态植被 生物物理模型 f o l e ye ta l 1 9 9 6 动态植被 生物地球化学模型 动态植被模型 动态植被模型的主要特征是植被类型可以以月或年为步长逐渐变化 某些植 被结构会以天为步长变化 植被物候也匹配以日到星期为时间步长 其应用于碳 循环的主要改进是耦合了以月到年为时间步长的土壤元素循环过程模型 解决了 估算季节 年际和年代际以上生态系统碳收支变化问题 代表模型是l p j s i t c h 2 0 0 0 其设计上类似于静态植被模型b i o m e 3 可 以称为生物地理型模型 不需要增加新的输入参数 得到的却是依时间步长变化 的植被类型 组成和结构 另一类动态植被模型 是基于种群竞争理论的植被功 能竞争排斥模型 例如 t r i f f i d 模型 c o x 甜a l 2 0 0 1 动态植被 生物地球化学耦合模型以动态植被为基础的生物地球化学模型 把生物地球化学模型的初始植被 随后固定 用依赖于气候和土壤变化的动态植 被演替 使得每个时刻的植被的结构 包括冠层叶面积剖面 植物高度分布 和 组成特征 包括物种或植物功能型的配比 更接近实际 植被的光合 呼吸 凋 落参数由于严格依赖于植被结构和组成 所以光合 呼吸和凋落乃至土壤分解诸 过程的模拟更加客观 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 动态植被 生物物理耦合模型主要是回答两个问题 植被如何影响陆面过程 从而影响大气系统 气候变化如何作用于植被 这类模型的基本特点是 气候在 大尺度和小尺度上都影响植被 而植被仅仅在更小时间尺度上影响气候过程 这 类模型的代表就是集成生物圈模拟器 f o l e ye ta l 19 9 8 这一类模型代表着全 球碳循环模型的研究方向 因为其正好反映了全球碳循环过程的复杂性 即全球 碳循环过程受到生物物理学 生物地球化学和植被演替诸个时间尺度截然不同自 然过程的影响 1 2 1 3 植物生理生态学的发展 植物生理生态学 p l a n tp h y s i o e c o l o g y 是研究生态因子与植物生理现象之间 关系的科学 它从生理机制上探讨植物与环境的关系 物质代谢和能量流动规律 以及植物在不同环境条件下的适应性 l a r c h e r 1 9 9 5 由于它能够给许多生态环 境问题以生理机制上的解释 因而得到日益广泛的重视 推动了生态模拟模型的 7 中国科学院博士学位论文 黑河流域生态系统动态模拟研究 发展 围绕区域或全球碳循环 各国科学家对森林 农业活动 极地冻原 海洋生 态系统对温室气体的影响进行了大量的研究 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 蒋高明 2 0 0 1 获取了第一手的实验数据 对植物在胁迫环境下的植物生理生态响应 例如植物适应高温和低温的机制 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 过量的 光辐射在植物中产生的光胁迫 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 紫外辐射 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