系统论文提纲

关键词：

论文题目：陆地生态系统呼吸的估算模型优化与时空格局分析

摘要：陆地生态系统呼吸是全球碳循环的重要组成部分,其微小变化会引起大气CO2浓度的明显波动,从而进一步反馈全球气候,因此准确量化陆地生态系统呼吸有助于理解全球碳循环与气候变化间的反馈机制。然而现有的生态系统呼吸估算方法忽略了关键生理参数的昼夜差异以及水分对呼吸的影响,其结果存在较大的不确定性,导致当前对全球生态系统呼吸的时空变化格局和潜在机理仍缺乏足够的认识。因此,为了探究近三十年来全球陆地生态系统呼吸的时空变化趋势及其影响因素,本研究首先从生态系统尺度出发,整合涡度相关通量观测和稳定同位素数据,基于碳通量常规拆分方法发展可靠的生态系统呼吸估算方法;将此方法应用于全球通量观测网络（FLUXNET）,探讨生态系统呼吸温度敏感性（E0）和基础呼吸速率(Rref)的时空变异特征及其影响因素;在此基础上,本研究利用机器学习模型生成通量观测数据驱动的全球陆地生态系统呼吸格网数据集,阐明近三十年全球陆地生态系统呼吸的空间分布格局与长期变化趋势,并揭示其主要影响因素。本文的主要结论如下:（1）生态系统呼吸估算模型的优化:以3个不同生态系统类型通量站点（US-Ha1、CN-Qia和US-Tw3）生态系统呼吸同位素数据为基准,通过分析呼吸温度敏感性昼夜差异和空气相对湿度（RH）变化对生态系统呼吸的影响,发展了可靠的生态系统呼吸估算方法（DT-RH）。结果表明,与基于夜间和白天观测数据的估算方法相比,DT-RH方法所估算的生态系统呼吸昼夜变化和季节变异特征与同位素基准数据较为一致。在日尺度上,忽略温度敏感性昼夜差异将使生态系统呼吸被高估6%～18%。同时,考虑空气相对湿度的短期影响能在水分亏缺的季节或地区显著提高生态系统呼吸的估算精度。因此,综合考虑温度敏感性的昼夜差异和相对湿度的影响将有效地改善生态系统呼吸模型的估算能力。（2）陆地生态系统呼吸关键生理参数的时空变异特征:在全球196个长期通量观测站点上（共计9种生态系统类型）,采用DT-RH方法分别估算了白天和夜晚生态系统呼吸温度敏感性和基础呼吸速率。结果显示,呼吸温度敏感性的昼夜差异是普遍现象且具有明显的季节性格局,整体表现为温度敏感性在白天小于夜晚,且温度敏感性的昼夜差异在生长季小于非生长季。但在森林生态系统,生长季的温度敏感性在夜晚略微低于白天。呼吸温度敏感性昼夜差异主要受到夜间温度的影响（R~2=0.35,p＜0.001）。同时,基础呼吸速率的昼夜差异也普遍存在于不同生态系统类型中,且水分显著降低了白天基础呼吸速率的估算（23.29%）,这一水分效应在空间上主要受到年均温的影响,但在时间上没有明显的季节性差异。这些结果强调了生态系统呼吸两个关键生理参数昼夜差异的普遍性以及对温度和水分响应的时空差异,对于准确评估生态系统呼吸的时空变化格局具有重要的科学意义。（3）陆地生态系统呼吸的时空格局及其影响因素:结合全球气候栅格数据和遥感数据,基于DT-RH和机器学习方法生成全球1989-2018年月尺度的陆地生态系统呼吸数据集,探讨了全球生态系统呼吸的长期变化趋势及其对气候变化的响应。结果显示,全球陆地生态系统呼吸在1989-2018年间的平均值为122.77±0.73 Pg C yr-1。而且全球陆地生态系统呼吸在近三十年呈现下降趋势(-0.04±0.01 Pg C yr-2,p=0.016),其中在温带和热带地区的下降趋势最为明显。从全球范围来看,土壤水分和温度的变化对陆地生态系统呼吸长期变化趋势的影响显著高于大气CO2浓度升高的影响,其中土壤水分的变化起主导作用。具体而言,在中低纬度大部分地区,土壤湿度是主要影响因素,生态系统呼吸随着土壤湿度的下降而减小;在高纬度地区,年均温是生态系统呼吸变化趋势的主要影响因素,生态系统呼吸随着温度升高而呈现上升趋势。以上结果与FLUXCOM、CMIP6等模型结果的上升趋势相反,而且这些模型未能捕捉到伴随着全球变暖的土壤湿度下降对生态系统呼吸的抑制效应。本研究的结果表明当前常用的陆面模型可能因未能考虑呼吸温度敏感性和基础呼吸速率昼夜差异以及水分短期效应而高估了全球变暖与生态系统呼吸的正反馈效应。综上所述,本研究揭示了全球尺度上生态系统呼吸温度敏感性昼夜差异现象的普遍性及其对生态系统呼吸估算的重要性,并阐明了水分条件是影响生态系统呼吸昼夜变化的重要驱动力。在全球尺度上,近三十年来陆地生态系统呼吸的下降趋势主要归因于土壤水分的减少,当前常用的陆面模型因忽略了生态系统呼吸关键生理参数的昼夜差异以及水分变化对呼吸的短期效应,很可能无法准确评估陆地生态系统呼吸的长期变化趋势。这些研究成果为提升气候变化背景下陆地生态系统碳通量预测的准确性提供可靠的改进方向,为更准确地评估我国和全球陆地碳汇功能的可持续性提供坚实有效的科学依据。

关键词：生态系统呼吸;温度敏感性;基础呼吸速率;涡度协方差;稳定同位素;时空变化

学科专业：生态学

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 全球气候变化与碳循环

1.1.1 全球气候变化

1.1.2 碳循环与碳通量

1.2 生态系统呼吸的组成及其影响因素

1.2.1 生态系统呼吸及其组成

1.2.2 生态系统呼吸的影响因素

1.3 生态系统呼吸的估算方法及其不确定性

1.3.1 站点尺度上生态系统呼吸的估算方法

1.3.2 区域尺度上生态系统呼吸的估算方法

1.4 陆地生态系统呼吸的时空变化格局及其影响因素

1.4.1 陆地生态系统呼吸的空间格局及其影响因素

1.4.2 陆地生态系统呼吸的时间变化特征及其影响因素

1.5 本文的科学问题、意义及研究框架

第二章 基于稳定同位素的生态系统呼吸模型优化与评估

2.1 引言

2.2 数据与方法

2.2.1 站点概况

2.2.2 涡度相关观测数据

2.2.3 稳定碳同位素数据

2.2.4 碳通量拆分方法

2.2.5 数据分析

2.3 结果

2.3.1 不同碳通量拆分方法下生态系统呼吸估算结果比较

2.3.2 温度敏感性和空气湿度的昼夜变化对生态系统呼吸估算的影响

2.3.3 白天生态系统呼吸的光抑制程度

2.4 讨论

2.4.1 DT-RH模型的性能评估

2.4.2 温度和水分对生态系统呼吸估算的影响

2.4.3 模型的局限与应用

2.5 小结

第三章 基于优化模型评估生态系统呼吸关键生理参数的时空变异特征

3.1 引言

3.2 数据与方法

3.2.1 涡度相关观测数据

3.2.2 土壤性质数据

3.2.3 归一化植被指数数据

3.2.4 数据分析

3.3 结果

3.3.1 不同生态系统类型间的生态系统呼吸温度敏感性及其昼夜差异

3.3.2 不同生态系统类型间的基础呼吸速率及其水分响应

3.3.3 温度变化对基础呼吸速率的影响

3.4 讨论

3.4.1 生态系统呼吸温度敏感性昼夜差异及其关键影响因素

3.4.2 水分和温度对基础呼吸速率的影响

3.4.3 两个关键生理参数对生态系统呼吸时空变异的影响

3.5 小结

第四章 近三十年全球陆地生态系统呼吸的时空变化趋势及其影响因素

4.1 引言

4.2 数据与方法

4.2.1 涡度相关观测数据

4.2.2 气候数据

4.2.3 其他数据

4.2.4 全球生态系统呼吸数据集构建

4.2.5 DT-RH生态系统呼吸产品精度评价

4.2.6 数据分析

4.3 结果

4.3.1 与其他生态系统呼吸产品比较

4.3.2 陆地生态系统呼吸的空间格局及其影响因素

4.3.3 近30年全球陆地生态系统呼吸的长期变化趋势

4.3.4 全球陆地生态系统呼吸长期变化趋势的影响因素

4.4 讨论

4.4.1 全球生态系统呼吸的时空动态比较分析

4.4.2 土壤湿度和温度对生态系统呼吸长期变化趋势的影响

4.4.3 不确定性分析

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献