长江流域不同植被类型WUE时空变率及其对气候变化的响应开题报告

1. 研究目的与意义

长江是我国最大的河流，全长超过6300千米，流域总面积为180万km²,占全国总土地面积的18.8%（丁斌，2006），流经我国多个省市，地形结构复杂，植被类型丰富多样，是我国生态系统的重要组成部分。尤其是上游植被具有如涵养水源，保持水土，调节径流等多项重要生态功能，是维护整个长江流域生态平衡的屏障（邓朝平，2006）。然而近年来，随着流域范围内的开发建设，水、土地资源的不合理利用，导致了长江流域生态环境的不断恶化，长江洪水灾害已成为我国频率高，危害严重的自然灾害之一（施雅风，2004），长江流域的泥沙问题也日益突出（席承藩，1994）。因而，开展长江流域不同植被类型wue时空变率及其对气候变化的响应具有重要意义。

全球气候变化正影响着生态环境和人类的生存，自工业革命以来，大气中的co₂浓度明显增加（赵鸿，2010），这对植物的蒸腾、光合等作用产生显著影响，从而影响了生态系统的水分利用效率（water use efficiency，wue）。wue反映了生态系统碳、水循环及其相互之间的关系，与生态系统的碳水耦合关系联系紧密（王庆伟，2010），相关研究表明，气候变化对生态系统wue变化有显著影响（张远东，2016）。

目前虽对生态系统的碳、水循环深入研究，但对两者之间的耦合关系还知之甚少（胡中民，2009），而对wue在叶片尺度、生态系统层次的不同尺度上的计算，可以研究wue与co₂浓度、降水、温度等的相互关系。因此，研究wue对气候的响应有助于更深层次的理解碳水耦合关系，对长江流域的植被状况改善和生态环境保护具有重要意义。

2. 国内外研究现状分析

近年来，对于生态系统wue的研究和测定及其对气候变化的响应已经成为全球变化的研究热点之一。对于wue的计算因研究尺度、研究区域、数据获取等的不同而存在差异，在叶片尺度上，可以通过光合作用与蒸腾作用的比值定义wue，如王建林等通过人工控制光强和co₂浓度，研究了叶片层面上的水分利用效率，建立模型估算在co₂浓度升高的条件下随着光合速率提高和蒸腾速率降低对wue提高的贡献量（王建林，2008）。生态系统层次上wue的测定在碳通量方面的测定指标主要为总初级生产力（gross primary production，gpp），净初级生产力（net primary production，npp）与净生态系统碳交换（netecosystem exchange ，nee）；水通量的测定一般为植被蒸散（transpiration，t），生态系统总蒸散（evapotranspiration，et）等（张良侠，2014）。reichstein等根据涡度协方差法测定地中海地区红松林的碳通量，用茎干液流来表示水通量计算，得出干旱程度与呈负相关（reichsteinm，2002）。

研究生态系统wue演变趋势的关键是探讨生态系统的碳水循环及其相互关系，而模型则是研究生态系统碳水耦合关系的关键手段，水分利用效率是指生态系统损耗单位质量水分所固定的co₂，是理解生态系统中碳水耦合关系的重要指标（ponton s，2006）。而模型可以根据已知的动态过程用定量方法模拟和预测整体的机制和动态，进行尺度推绎，找出碳、水间的关系（宋春林，2015），因此，运用模型手段来探讨碳水耦合关系具有重要的意义。目前，已有较多关于生态系统碳水关系模型的研究，如zhang等利用模型研究，表明与降水之间的相关性表现在潮湿的温带地区，亚热带地区与温度表现出显著负相关性关系，在青藏高原wue与温度表现出正相关关系（zhang，2012）。至今，已有较多国内外学者运用不同的模型探讨出了不同研究尺度下生态系统wue变化规律，如蒋冲等以秦岭地区为研究区域，利用周广胜-张新时模型、彭曼公式等并结合气象站点历史数据探讨了1960-2011年间wue的变化趋势，发现wue呈不显著的上升趋势，且由南至北逐渐降低（蒋冲，2012）。dai等利用单层二叶子模型从叶片尺度推至冠层尺度，有效预测了白天的冠层导度以及水汽和co₂通量（dai y j，2004）。本研究欲使用的lpj模型（lund-potsdam-jena dynamic global vegetation model）是在biome模型的生物气候限制与植被功能类型的基础上，由lund university、potsdam climate research center和max-planck-institute for biogeochemistry,jena联合研究开发的模拟碳循环与水循环的全球动态植被模型（sitch s，2003；bondeau a，2007），属于中等复杂的全球动力植被模型，能够对植被组成结构变化，演替与再分布，动态变化，不同植被功能型种群间的竞争及土壤化学过程等进行详细的描述，在全球范围内的不同尺度上得到广泛应用（sitch s，2003）。

气候变化包括气温降水等气候因子的变化，影响着生态系统的碳水循环，而净初级生产力（npp）与蒸散（et）最能反映碳水循环的特征（龙慧灵，2010；杨亚梅，2009）。目前已有较多研究表明，气候变化对碳水循环存在影响。如king等对植被碳库与气候变化之间的关系进行了研究，发现单纯的气候变暖就可以导致全球植被碳库增加12%-16%（kinga w，1997）。同样，降水也影响着碳水间的耦合关系，它可以通过影响光合作用，土壤水分等来影响碳水通量，李明旭以秦岭为研究区，结合相关研究发现，该地区wue保持正增长，同时得出，气温升高、降雨量的增加可以增强植物的光合作用，从而提高了生态系统的生产力，并且促进植物蒸腾作用和地表、植物表面和水汽蒸发的能力（李明旭，2016）。因此气候变化对wue影响显著。在未来气候变化下，碳水关系的探讨意义显著，zhu等利用ibis模型模拟1950-2099年在多种情景下中国地区wue对未来气候变化的响应，研究发现在该研究时间段内，多数情景下全国不同地区wue皆呈正增长趋势（zhu，2011）。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

(1)拟利用中国长江流域的气象资料（气温、降水、云量）、大气co₂浓度、土壤质地数据和经纬度资料驱动lpj模型，模拟植被的生长的动态过程以及碳、水循环两个过程。

(2)利用matlab、地理信息系统软件arcgis等工具提取数据，分析长江流域wue的时空变化规律，利用线性趋势分析的方法分析wue与气温降水的相关性，得出wue演变趋势对气候变化的响应。

4. 研究创新点

研究特色：WUE变化及其对气候变化的响应在大尺度上和长时间序列上的研究比较匮乏，本研究以长江流域为研究区域将分析长时间以来的WUE演变规律，利用长序列气候-水文资料分析不同年代以及不同空间WUE的变化及其对气候变化的响应，丰富了大尺度下WUE变化的探讨以及对气候变化的响应的研究。

创新点：针对以往WUE变化的研究中，较少有基于模型模拟的研究，同时，对于实际蒸散发的观测相对较难,并且多是基于台站的观测，而遥感则解决了这个问题。本研究利用所获得的长时间序列的遥感数据信息，通过LPJ模型，能更加准确高效的模拟生态系统过程，从而获得一系列数据库。在气候变化的背景下，对长江流域生态系统WUE进行变化分析，能为开展碳水资源关系以及适应性管理提供参考。