中亚热带人工针叶林碳通量对干旱响应的模拟研究

Up to now, it is not clear how enviromental factors limitated physiological process of ecosystem carbon budget. The large uncertanties still existed in simulating the impact of climate change on ecosystem carbon cycling with process-based models. Particularly, it is difficult to describe the impact of drought on ecosystem carbon flux. In this study, a throughfall exclusion experiment was established in the subtropical planted coniferous forest. We monitor leaf photosynthetic activitity and water status in control and dry treatment. Basd on the field data, we describe the seaonal pattern of photosynthetic capacity and determine how drought modifies leaf photosynthetic capacity and its sensivitity to water limation. Meanwhille, two stomatal condutance sub-model will be tested if they are suitable to estimate drought effect on carbon cycle. An ensemble Kalman filter (EnKF) method is used to optimize model parameters coupled with eddy covariance flux data. Based on the improved model, we estimate the long-term variation of carbon uptake in subtropical planted forest, and then analyze the differential effects of drought on production and respiration. Furthermore, an experimental simulation is used to explore the differential sensitivity of carbon flux to drought types. The research will be useful for the development of ecosystem models, which improve the accuracy of simulated forest carbon cycle responding to drought. Thereby, it can also clarify response and adaptation mechanism in the effects of drought on forest ecosystem and improve our understanding of forests responding to climate vulnerability.

由于缺乏生态系统碳收支过程受环境限制的深入研究，生态系统模型在模拟气候变化对碳循环的影响仍旧存在着较大的不确定性，特别是难以描述干旱对生态系统碳通量的影响。本研究以亚热带人工针叶林为研究对象，通过设置长期野外控制实验，定期监测不同干旱处理下森林叶片光合速率及其水分状况，阐明亚热带人工针叶林光合参数和气孔导度的季节变异及其对水分亏缺的响应。耦合两类气孔导度模式到生态系统过程模型中，利用控制实验和通量数据，结合集合卡尔曼滤波同化方法优化过程模型中的碳通量关键参数，并测试气孔导度模式对模拟干旱影响的适用性。基于改进的过程模型估算亚热带人工针叶林过去10年碳收支变异，分析季节性干旱所导致碳通量组分的差异；同时设置干旱情景分析森林碳通量对不同干旱类型的敏感性。研究结果有助于生态系统过程模型的发展，提高干旱对生态系统碳循环影响的模拟精度，阐明湿润地区森林生态系统碳收支过程对干旱的响应与适应调控机制。

开展干旱对陆地生态系统碳收支影响的深入研究，有助于准确估算和预测陆地碳源/碳汇的时空格局变化，阐明生态系统对干旱的响应与适应调控机制，同时可以提高植被对气候脆弱性方面的认识。本项目以亚热带人工针叶林为研究对象，通过控制实验观测、定期观测、模型模拟比对、统计方法等研究干旱对亚热带人工针叶林碳通量的影响，定量化了森林碳通量对气候因子的敏感性。项目研究主要在以下几个方面取得进展：.（1）监测干旱处理的控制实验样地中叶片净光合速率，发现水分胁迫导致亚热带森林光合速率下降37%，干旱限制木荷光合归因于气孔导度限制（87%），马尾松的气孔（54%）和非气孔限制（46%）程度相当，各种资源利用效率间（WUE、LUE和NUE）存在着资源利用效率的trade-off；.（2）通过生长季内连续监测多个树种的光合和叶片水分以及理化性质，发现亚热带森林外来种湿地松的光合速率高于本地种马尾松，同时基于结构方程（SEM）分析表明较高的最大羧化速率促使亚热带湿地松的光合速率更高。.（3）基于耦合Javis连乘气孔导度模块的BEPS模型模拟亚热带人工针叶林碳通量季节和年际变异，发现模型对于季节性干旱有较好的模拟能力。.（4）基于通量观测中的气象数据以及遥感数据结合生态过程模型BEPS，通过构建敏感性因子的方法来定量化森林碳收支对环境因子的敏感性，发现亚热带森林GPP主要受到温度和LAI的影响，而ET主要受到水分的影响，SWC是影响WUE敏感性的主要因子。.（5）基于生态过程BEPS模型结合ChinaFLUX中4个通量观测数据，对不同空间分辨率输入数据得到的GPP模拟结果进行差异性分析，结果表明模拟大尺度长时间序列GPP时，为了提高模型模拟效率，适度降低空间分辨率是可行的，但应尽量减小低空间分辨率对于森林生态系统以及生长季GPP模拟上的误差。.