【摘要】：河流作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)流向海洋碳庫(kù)的重要單向通道,是全球碳循環(huán)中關(guān)鍵組成部分。河流中一般存在以下4種形態(tài)的碳:可溶性有機(jī)碳(DOC)、顆粒性有機(jī)碳(POC)、可溶性無(wú)機(jī)碳(DIC)和顆粒性無(wú)機(jī)碳(PIC)。其中DOC和POC這兩種有機(jī)碳作為河流和近海水體中微生物的重要碳源,深刻地影響了河流和近海生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)環(huán)境狀況。全球河流有機(jī)碳通量的估算一直以來(lái)都是全球碳收支評(píng)估中的一項(xiàng)重要工作。目前全球尺度有機(jī)碳通量的估算工作仍然停留在大規(guī)模的野外觀測(cè)和簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的層面上,得出的全球河流有機(jī)碳輸出量也存在較大的不確定性。實(shí)際上,河流有機(jī)碳通量受到了多個(gè)生態(tài)水文過(guò)程和眾多環(huán)境因子的影響,因而其數(shù)值也呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空異質(zhì)性。生態(tài)過(guò)程模型是當(dāng)前解決關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)估算及時(shí)空變化模擬的重要工具。為模擬全球河流有機(jī)碳通量的時(shí)空變化,本研究提出一個(gè)基于生態(tài)水文過(guò)程的多元混合模型——TRIPLEX-HYDRA模型。該模型綜合考慮了陸地-河流生態(tài)系統(tǒng)中碳水循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程,重點(diǎn)模擬了DOC和POC兩種有機(jī)碳的產(chǎn)生、運(yùn)輸和消耗等過(guò)程。模型包括植被動(dòng)態(tài)與土壤碳循環(huán)子模塊、水文過(guò)程子模塊、DOC子模塊和POC子模塊等四個(gè)主要組成部分。由于DOC和POC涉及的生態(tài)過(guò)程不一致,土壤中DOC主要以淋溶的方式進(jìn)入河流等水體,而POC一般通過(guò)土壤侵蝕的方式進(jìn)入水體。因此,本研究構(gòu)建了兩個(gè)子模塊分別用于模擬河流DOC和POC的時(shí)空變化。在對(duì)模型進(jìn)行校正和驗(yàn)證后,將該模型應(yīng)用于全球河流DOC、POC和總有機(jī)碳(TOC)通量的估算及其時(shí)空變化研究中。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)徑流作為有機(jī)碳運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力和載體,其時(shí)空變化的模擬是河流有機(jī)碳通量模擬的必要前提。為此,本研究采用了一種水文路徑算法模型(Hydrological routing algorithm,HYDRA)來(lái)模擬土壤水從土壤傳輸至河流,以及在河流中的遷移過(guò)程,并最終用于全球河流徑流量的時(shí)空變化模擬中。為檢驗(yàn)水文過(guò)程子模塊的模擬效果,一方面比較了模型模擬的不同河流河網(wǎng)分布及水流路徑與實(shí)測(cè)河網(wǎng)空間分布的契合性,另一方面也根據(jù)全球26條河流的代表水文站點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)徑流量,對(duì)相應(yīng)站點(diǎn)的模擬徑流量進(jìn)行了驗(yàn)證。檢驗(yàn)結(jié)果顯示模型模擬的河網(wǎng)分布和長(zhǎng)時(shí)間序列徑流量都與實(shí)測(cè)值較為符合。此后,本研究應(yīng)用TRIPLEX-HYDRA模型模擬了1951-2015年間全球河流入海徑流量的時(shí)空變化。模擬結(jié)果表明全球河流總的徑流量約為38540 km~3/yr。從空間分布上來(lái)看,全球徑流量較高的河流主要位于熱帶地區(qū)、北半球高緯度地區(qū)以及溫帶的一些大型河流(如密西西比河、長(zhǎng)江和珠江等)。在時(shí)間序列上,1951-2015年間部分河流的徑流量呈現(xiàn)顯著降低,如剛果河、尼日爾河、贊比西河和黃河等;而也有許多河流在該時(shí)間段內(nèi)徑流量顯著增加,如密西西比河和伏爾加河等。(2)在土壤碳循環(huán)子模塊和水文子模塊的基礎(chǔ)上,TIPLEX-HYDRA模型重點(diǎn)考慮了DOC的產(chǎn)生、吸附、在土壤和水體中降解以及在水體中遷移等重要過(guò)程。模型構(gòu)建完成后,首先對(duì)該模塊中涉及DOC變化的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,最終挑選出R_(10)(10℃時(shí)土壤呼吸速率)和K_s(土壤有機(jī)碳溶解系數(shù))兩個(gè)最敏感的參數(shù),對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)校正。然后,采用校正后的模型模擬全球河流DOC通量的時(shí)空變化,并采用前人數(shù)據(jù)庫(kù)中71條河流DOC通量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型檢驗(yàn),驗(yàn)證結(jié)果表明TRIPLEX-HYDRA模型能夠成功地模擬全球河流DOC通量(R~2=0.96,n=71)。模型驗(yàn)證成功后,應(yīng)用該模型模擬了1951-2015年間全球河流DOC通量的時(shí)空變化。模擬結(jié)果表明全球河流每年大約向海洋輸送0.24Pg的DOC。全球河流DOC通量主要來(lái)自于熱帶地區(qū)和北半球高緯度地區(qū)的大河流。在1951-2015年間,全球河流DOC通量呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì),每年大約減少0.38Tg C。按區(qū)域劃分,熱帶區(qū)域大部分河流的DOC通量在該時(shí)間段內(nèi)顯著增加這可能與該區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳輸入增加有關(guān);而北半球高緯度地區(qū)DOC通量卻呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì),這可能是由氣候變暖后DOC遷移過(guò)程的水文路徑增長(zhǎng)以及遷移過(guò)程中DOC的降解和消耗量的增加所導(dǎo)致。(3)我們將修正后的通用土壤侵蝕方程(RUSLE)、土壤碳循環(huán)模塊、水文過(guò)程模塊和POC的降解、遷移以及被大壩攔截等過(guò)程耦合形成了TRIPLEX-HYDRA模型POC子模塊。類(lèi)似于DOC子模塊,本研究也對(duì)POC子模塊中與POC變化有關(guān)的一些重要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,并挑選出對(duì)POC通量最敏感的兩個(gè)參數(shù):ER(土壤侵蝕過(guò)程中有機(jī)碳富集率)和K_(poc)(水體中POC降解系數(shù))。其次,根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)中河流POC通量對(duì)校正后的模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明TRIPLEX-HYDRA模型對(duì)POC通量與對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的觀測(cè)值較為接近(R~2=0.61,n=67,p0.01)。模型模擬的結(jié)果表明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年通過(guò)河流向海洋大約輸送0.29Pg POC�？臻g分布上來(lái)看,低緯度地區(qū)(30°S-30°N)是全球河流POC通量的主要貢獻(xiàn)區(qū)域(約61%)。時(shí)間序列分布上來(lái)看,全球1982-2015年間河流POC通量有較微弱的增加趨勢(shì)(每年增加0.13 TgC),但變化未達(dá)到顯著性水平。其中,北半球高緯度地區(qū)河流POC通量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),而中低緯度地區(qū)許多流域(如長(zhǎng)江和墨累河)POC呈現(xiàn)顯著的降低趨勢(shì)。北半球高緯度地區(qū)POC通量顯著增加可能與該區(qū)域內(nèi)徑流量增加和全球變暖背景下凍土中有機(jī)碳釋放增加有關(guān);而中低緯度地區(qū)POC通量的降低可能是由于該區(qū)域內(nèi)徑流量的減少和人造大壩的興建造成。(4)河流總有機(jī)碳(TOC)通量。將模擬的DOC通量與POC通量進(jìn)行匯總,得出全球河流TOC通量的時(shí)空分布,以及全球流域DOC/POC(DOC通量與POC通量的比值)的分布規(guī)律。研究得出全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年通過(guò)河流向海洋共輸送約0.53 Pg的有機(jī)碳。從空間分布上來(lái)看,60%的TOC通量主要來(lái)自于熱帶地區(qū)和北半球高緯度地區(qū)的河流。從時(shí)間分布上來(lái)看,1982-2015年間全球河流TOC總通量有較弱的降低趨勢(shì)(-0.38TgC/yr),但變化未達(dá)到顯著性水平。其中,北半球高緯度地區(qū)(60°N-90°N)的河流TOC通量在1982-2015年間顯著增加,但南半球30°S-60°S地區(qū)的河流TOC通量卻顯著降低。此外,本論文也分析了全球河流DOC通量與POC通量的比值,即DOC/POC比。結(jié)果表明全球主要大型河流的DOC/POC一般大于1,而小流域DOC/POC一般小于1。大河流DOC通量較高的原因可能與其中下游地區(qū)地勢(shì)較為平坦,更多的POC得以降解為DOC有一定關(guān)系;而小河流流域整體坡度相對(duì)較大,水體流速相對(duì)較快,對(duì)地表有較大的沖刷,產(chǎn)生較多的POC。
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第一章 緒論臺(tái)風(fēng)季節(jié)，最高 DOC 濃度能達(dá)到 8 mg/L (Kao et al. 1997)。 珠江流域觀測(cè)表明，汛期DOC 和 POC 都會(huì)有明顯的增加，其中 DOC 增長(zhǎng)大約 20-90%，而 POC 則可能增加 倍以上(魏秀國(guó) 2003)。當(dāng)然，也有研究認(rèn)為在汛期由于徑流量較大，，可能稀釋水體中有機(jī)碳濃度，使得汛期有機(jī)碳含量反而降低，即所謂的“稀釋效應(yīng)” (Liu and Zhan2010)�？偟膩�(lái)說(shuō)，河流有機(jī)碳的輸送在時(shí)空分布上表現(xiàn)出顯著的差異。這些差異可能是由多種因素造成的，比如陸源碳庫(kù)的儲(chǔ)量、流域內(nèi)氣候條件、植被覆蓋、地形地貌以及人為活動(dòng)等。1.2.3 河流有機(jī)碳的產(chǎn)生、運(yùn)移和消耗過(guò)程及其影響因素1.2.3.1 土壤中有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化

-2 河流 DOC 通量、DOC 通量與環(huán)境因子相關(guān)性分析(修改自 Luwdig et al. 1996)。注：方框中代表相關(guān)性系數(shù)。上部方框(橙色)代表與 DOC 通量的相關(guān)性；下部方框(綠色)代表與 POC 通量的相關(guān)性；灰色方框代表環(huán)境因子相互之間的相關(guān)性。ure 1-2 Correlations between DOC flux and POC flux with environment factors (modified and revisedfrom Luwdig et al. 1996).研究表明徑流深度(Q，mm)、土壤有機(jī)碳含量(SoilC，kg C m-2)和坡度(Slope)是影流 DOC 通量(FDOC，ton C km-2yr-1)的主要因素；而 POC 通量(FDOC，ton C km-2yr-1要取決于侵蝕泥沙量(FTSS, ton Soil km-2yr-1)和泥沙中 POC 含量(POC%)。根據(jù)以上，Ludwig et al.(1996)分別構(gòu)建了全球河流 DOC 和 POC 通量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼茝V球尺度，提供了全球 DOC 和 POC 通量的空間分布。(1-1) = 0.004 8.76 + 0.095 r=0.90; p<0.001, n=29(1-2) = % % = 0.16log ( 3) + 2.83( 2) 13.6log ( ) + 20.3
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：X143

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1 李明旭;TRIPLEX-HYDRA模型的構(gòu)建及其對(duì)全球河流有機(jī)碳輸送時(shí)空變化的模擬研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2621313