北京大兴杨树人工林生态系统水分利用效率研究

论文摘要

全球气候变暖和淡水资源短缺是世界经济可持续发展所面临的两大主要环境问题。森林生态系统作为陆地上最大的生态系统,对维持全球大气碳水平衡起着重要作用。因此,开展森林生态系统碳水耦合关系及其影响因素的研究,不仅可以提高森林资源的有效利用,同时也为研究森林生态系统对全球气候变化响应,缓解水资源短缺提供重要理论支撑。本研究选择北京市大兴区永定河沿河沙地的杨树（Populus euramericana）人工林生态系统作为研究对象,运用涡度相关（Eddy covariance, EC）开路系统、常规微气象观测系统以及液流方法,并结合生物量调查法,连续测定（2006年-2012年）该生态系统与大气间碳、水和能量交换,通过分析杨树人工林不同时间尺度（瞬时、日、月、年）生态系统碳水通量的变化规律及其影响因素,深入研究杨树人工林生态系统碳固定和水分消耗的生理生态学机理,为杨树人工林经营管理提供理论依据。研究结果显示：无论是否受到水分胁迫和人为扰动的影响,杨树人工林生态系统均为碳汇,总生态系统生产力（GEP）和生态系统蒸发散（ET）都显示出较为显著的相关性。杨树人工林生态系统水分利用效率（WUE）日变化呈现双峰型变化趋势,即早晚达到极值,白天WUE较低；日尺度生态系统WUE虽然波动显著,但未显示出较为显著的季节变化趋势。较小时间尺度下（日变化）,当未受到人为干扰时,影响WUE变化的主要因子为气象因子而非土壤因子；季节变化尺度,WUE主要受到气象因子和土壤水分的影响；WUE年际变化主要与植被自身的生理生态特征有关,与环境因子相关性较小。当相对土壤含水量（REW）<0.1时,GEP和ET受到严重水分胁迫的影响维持在较低水平,各环境因子对GEP、ET和WUE的影响较小；当0.1<REW<0.4时,GEP和ET随着土壤体积含水量（VWC）的增加而增大,WUE随VWC的增大而减小；REW>0.4时,气象因子是影响碳固定和水分损耗的主要原因,由于ET对气象因子变化的响应较GEP更为敏感,因此,WUE随空气饱和水汽压差（VPD）的增大而减小。沙地土壤保水能力较差,不能保证土壤水分被植物有效利用,因此当VWC处于5.2%-8.8%（0.1<REW<0.4）范围时,碳固定与水分消耗达到最高效率。此外,当杨树林人工生态系统受到人为砍伐干扰时,人为干扰弱化了环境因子对生态系统碳水通量及其关系的影响,WUE与各环境因子相关性不显著。应用3PG+模型对生态系统碳储量和水分蒸发散进行模拟,模拟结果显示,杨树人工林在大规模砍伐和补栽后,仍为碳汇,但由于砍伐及补栽等人为扰动对GEP的影响略大于ET,因此经过人为砍伐补栽后的杨树人工林WUE略有降低。此外,模型模拟发现华北地区沙地杨树人工林在林龄为11-18年期间具有较高的碳储量,WUE在8-11年间显著增加,11年后WUE未呈现出明显年际变化,因此,根据杨树人工林的固碳能力和耗水效率综合情况,选取18年作为华北地区沙地杨树人工林的砍伐林龄。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1. 生态系统水分利用效率研究综述
• 1.1. 研究背景及意义
• 1.1.1 全球气候变化
• 1.1.2 陆地生态系统碳-水耦合性
• 1.1.3. 人工林在陆地生态系统中的重要性
• 1.1.4. 生态系统碳水循环研究的关键手段——模型
• 1.2. 生态系统水分利用效率研究进展
• 1.2.1. 生态系统水分利用效率不同算法与内涵
• 1.2.2. 生态系统水分利用效率测定方法
• 1.2.3. 环境因素对生态系统水分利用效率的影响
• 1.2.4. 区域差异对生态系统水分利用效率的影响
• 1.3. 陆地生态系统碳水通量模型研究进展
• 1.3.1. 模型类型
• 1.3.2. 模型在陆地生态系统碳水研究中的应用
• 1.4. 问题与展望
• 1.5. 研究目的和研究内容
• 1.5.1. 研究意义
• 1.5.2. 研究目的
• 1.5.3. 研究内容
• 2. 研究区概况与研究方法
• 2.1. 研究区概况
• 2.1.1. 研究区自然概况
• 2.1.2. 研究区植物群落特征
• 2.1.3. 样地扰动概况
• 2.2. 试验方法
• 2.2.1. 涡度相关观测方法
• 2.2.2. 树干液流观测方法
• 2.2.3. 土壤呼吸观测方法
• 2.2.4. 生物量调查方法
• 2.3. 数据处理与计算
• 2.3.1. 数据质量控制和数据插补
• 2.3.2. 贡献区分析
• 2.3.3. 生态系统碳水通量及水分利用效率计算方法
• 2.3.4. 林木蒸腾计算方法
• 2.3.5. 冠层导度计算方法
• 2.3.6. 相对土壤含水量计算方法
• 2.4. 3-PG+模型在该生态系统的应用
• 2.5. 本研究技术路线
• 3. 生态系统碳交换动态变化特征及环境响应机理
• 3.1. 生态系统碳交换及环境因子变化特征
• 3.1.1. 生态系统碳交换及环境因子日变化特征
• 3.1.2. 生态系统碳交换及环境因子季节变化特征
• 3.2. 生态系统碳交换环境响应
• 3.2.1. 光合有效辐射（PAR）
• 3.2.2. 土壤水分
• 3.3. 不同生态系统碳交换对比
• 3.4. 讨论与小结
• 4. 生态系统蒸发散及水分利用效率动态变化特征及环境响应机理
• 4.1. 生态系统蒸发散及水分利用效率变化特征
• 4.1.1 生态系统蒸发散和水分利用效率日变化特征
• 4.1.2 生态系统蒸发散和水分利用效率季节及年际变化特征
• 4.2. 不同生态系统水分利用效率对比
• 4.3. 生态系统蒸发散和水分利用效率环境响应
• 4.3.1 光合有效辐射（PAR）
• 4.3.2. 大气饱和水汽压差（VPD）
• 4.3.3. 土壤水分
• 4.3.4. 降雨
• 4.4. 讨论与小结
• 5. 3-PG+模型在该研究地区生态系统中的应用
• 5.1. 3-PG+模拟过程
• 5.1.1. 冠层太阳辐射截留模型
• 5.1.2. 叶面积指数模型
• 5.1.3. 碳生产模型
• 5.1.4. 碳平衡模型
• 5.1.5. 林分自然稀疏模型
• 5.1.6. 水量平衡模型
• 5.1.7. 3PG+模型参数设置
• 5.1.8. 模型校准、验证和应用
• 5.2. 模拟结果与实测结果对比
• 5.2.1. 碳储量模拟与验证结果分析
• 5.2.2. 蒸发散模拟与验证结果分析
• 5.3. 模型应用
• 5.3.1. 杨树人工林WUE变化趋势
• 5.3.2. 人为扰动对WUE的影响
• 5.4. 模型评价
• 6. 结论与展望
• 6.1. 结论
• 6.2. 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介1
• 导师简介2
• 致谢