湿地生态系统二氧化碳通量动态特征及其填补策略

论文摘要

湿地生态系统的二氧化碳通量观测是了解湿地碳源／汇功能的重要手段,也是了解全球碳循环的重要环节。在此观测数据的基础上,分析湿地生态系统二氧化碳通量的动态特征以及其与环境因子的关系,对于了解和预测湿地生态系统在未来全球变化中所扮演的角色有着重要的意义。涡度协方差观测技术是目前应用最为广泛的通量观测技术。其优点在于能长期而直接地测定生态系统水平上的物质和能量通量。然而,该技术所获取的数据经过质量评估后,经常会有大段数据缺失,因此在对数据进行动态分析之前需要通过特定的数据填补算法来填补缺失。但是,这种做法有两个缺点：(1)目前的数据填补算法均大多是基于数学的,其生态学意义还不够明确；(2)填补过的数据用于动态分析并不可靠,因为其填补算法已经“污染”了原数据。应用傅里叶变换与小波分析对二氧化碳通量时间动态特征的分析结果表明,其主要时间尺度是昼夜变化与季节变化。其中引起昼夜变化的主要原因是气象因子的变化,而引起季节变化的主要原因之一是植被的物候变化。考虑到目前涡度协方差观测技术的辅助观测项目中缺少植被观测,向通量数据中引入基于遥感数据的植被指数是能较好地解决这个问题。本研究以崇明东滩湿地两个通量站的观测数据为例,从昼夜变化和季节变化两个时间尺度来分析二氧化碳通量动态特征以及其与环境因子和植被物候变化的关系,并且将这些结果用于改进或构建新的数据填补算法。研究的结果表明：(1)在昼夜变化时间尺度上,虽然日间的有效光合辐射、气温还有饱和水汽亏缺都与同时段的二氧化碳通量都有较高的相关性,但是时滞分析的结果表明有效光合辐射的变化早于或同步于二氧化碳通量的变化,而气温还有饱和水汽亏缺的变化均晚于二氧化碳通量的变化。因此有效光合辐射才是影响日间二氧化碳通量变化的主要因子。而在夜间则没有找到何种因子与二氧化碳通量表现出较高相关性。(2)在季节变化时间尺度上,夜间平均温度对于夜间二氧化碳通量有着较高的相关性,也就是说温度在较长的时间尺度上对生态系统呼吸作用影响较大。使用光响应方程拟合日间的二氧化碳通量与光合有效辐射后发现,植被指数与生态系统光能利用效率的季节变化较为接近,而平均日间气温则与生态系统最优生产率的季节变化较为接近。(3)在东滩湿地发生的植物入侵使得生态系统呼吸作用的温度敏感性和光合作用的光能利用效率均有显著上升,并且生态系统对环境因子的响应也得到改善。基于以上知识,改进算法后的填补数据与观测数据之间拟合度明显升高,但是较大的相对均方根误差和偏低的斜率说明这个二氧化碳通量填补算法还有许多值得改进的地方：(1)使用多步相关模型模拟昼夜变化时间尺度上生态系统呼吸作用的动态；(2)引入植被变化改进季节变化时间尺度上生态系统呼吸作用的动态；(3)验证增强型植被指数在季节变化时间尺度上的可靠性；(4)向填补算法中引入次要影响因子。其次,本次研究中发现的一些二氧化碳通量动态特征有待于在其它生态系统中进行验证：(1)冠层导度变化可能是引起有效光合辐射与二氧化碳通量的时滞的原因；(2)混生植被群落的光能利用效率与生态系统最优生产率在季节变化上可能存在时滞。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 湿地二氧化碳通量观测的重要性
• 1.2 涡度协方差观测技术
• 1.2.1 涡度协方差观测技术简介
• 1.2.2 涡度协方差观测技术的气象要求
• 1.3 通量数据填补算法与动态分析
• 1.3.1 通量数据填补算法与动态分析的关系
• 1.3.2 常用数据填补算法及其评价
• 1.3.3 通量动态分析方法
• 1.4 遥感数据在通量观测中的应用
• 1.4.1 植被指数简介
• 1.4.2 遥感数据的主要数据源以及简介
• 1.4.3 植被光合模型简介
• 1.5 研究目的
• 第二章 研究材料与方法
• 2.1 观测地概况
• 2.2 观测站点简介
• 2.3 涡度协方差观测技术原理与数据检验
• 2.3.1 涡度协方差观测技术原理
• 2.3.2 涡度协方差观测数据的处理与质量检验
• 2.4 昼夜数据的区分
• 2.5 遥感数据处理简介
• 2.6 时滞分析法
• 第三章 二氧化碳通量的动态特征
• 3.1 二氧化碳通量在不同时间尺度上的特征
• 3.2 二氧化碳通量昼夜变化特征及其主要影响因子
• 3.2.1 二氧化碳通量及环境因子的昼夜变化
• 3.2.2 影响二氧化碳通量昼夜变化的因子
• 3.3 二氧化碳通量季节变化特征及其主要影响因子
• 3.3.1 二氧化碳通量季节变化特征的尺度变换思想
• 3.3.2 二氧化碳通量季节变化特征的尺度变换方法
• 3.3.3 生态系统夜间二氧化碳通量的季节变化
• 3.3.4 生态系统日间二氧化碳通量的季节变化
• 3.4 二氧化碳通量的拟合结果
• 第四章 结论与展望
• 4.1 主要结论
• 4.1.1 崇明东滩二氧化碳通量的拟合
• 4.1.2 崇明东滩二氧化碳通量动态变化
• 4.2 模型的改进方向
• 4.2.1 生态系统呼吸作用动态的模拟
• 4.2.2 植被变化对生态系统呼吸作用的影响
• 4.2.3 EVI值时间分辨率的验证
• 4.2.4 模型自变量的增加
• 4.2.5 拟合模型与过程模型的相结合
• 4.3 研究展望
• 4.3.1 生长季有效光合辐射与二氧化碳通量的时滞
• 4.3.2 光能利用效率与生态系统最优生产率的时滞
• 参考文献
• 致谢