在全球氣候變暖的背景下,干旱事件頻繁發(fā)生,對農(nóng)業(yè)、水資源、自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。由于干旱過程復(fù)雜,涉及到大氣、植被、土壤多個(gè)方面,不同學(xué)科的科學(xué)家們在過去幾十年內(nèi)提出了各種干旱指數(shù)用來監(jiān)測干旱,旨在探索和理解干旱的成因、過程以及對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響。傳統(tǒng)的氣象干旱指數(shù)能夠在站點(diǎn)尺度上有效地監(jiān)測周圍區(qū)域的干旱條件,但是其空間代表性較差;衛(wèi)星遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得大尺度區(qū)域的干旱監(jiān)測成為可能,基于不同衛(wèi)星傳感器、遙感反演算法等獲取的大氣(降水、溫度、輻射等)、植被(綠度、冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、生理參數(shù)等)、土壤(溫度、水分等)等多種生態(tài)系統(tǒng)變量的時(shí)空分布信息能夠?qū)崿F(xiàn)對干旱條件的綜合監(jiān)測。鑒于此,本文利用多源遙感數(shù)據(jù)評估和監(jiān)測了不同地區(qū)的干旱條件以及生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)情況。使用的多源遙感數(shù)據(jù)包括站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)、柵格再分析氣象資料、渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)以及基于遙感的植被指數(shù)和冠層變量等。通過分析不同變量在干旱中的動態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)對區(qū)域干旱條件綜合地監(jiān)測,探究生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的機(jī)理。該研究工作可為在全球變化背景下分析氣候-植被交互作用、研究生態(tài)系統(tǒng)功能以及全球碳循環(huán)提供借鑒和參考。論文的主要研究工作和成果如下:(1)首先探究了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)監(jiān)測中國西南地區(qū)歷史干濕條件的表現(xiàn)。SPEI指數(shù)在傳統(tǒng)氣象干旱指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的基礎(chǔ)上考慮了溫度對潛在蒸散發(fā)的影響,在全球變暖的背景下具有更高的應(yīng)用潛力。研究利用西南地區(qū)89個(gè)氣象站點(diǎn)的降水和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算了1982-2012年逐月的SPEI,對區(qū)域干旱特征進(jìn)行了綜合地分析,包括干旱的多時(shí)間尺度特征、趨勢和時(shí)空影響程度。最后利用兩個(gè)基于遙感的干旱指數(shù)探究植被和土壤水分如何響應(yīng)SPEI的變化。研究表明SPEI能夠有效地監(jiān)測西南地區(qū)的變干趨勢,成功地捕捉區(qū)域近年發(fā)生的典型干旱事件,也能夠在一定程度上反映植被和土壤的干旱情況。(2)評估了基于輻射傳輸模型反演的冠層含水量(CWC)監(jiān)測半干旱區(qū)青海湖流域草地干旱的可行性。該方法利用查找表(LUT)方法反演PROSAIL模型,利用Sobol’敏感性分析方法提高反演效率,最終獲取5個(gè)具有不同干濕條件年份的CWC空間分布,以分析CWC對干旱的響應(yīng)。研究表明干旱年份的區(qū)域總體CWC顯著下降。根據(jù)CWC值的空間分布,可以明確地將干旱年份與正常年份區(qū)分開來。反演CWC時(shí),由于同時(shí)考慮葉面積指數(shù)(LAI)和等效水分厚度(EWT)的變異,因此CWC對干旱比LAI更敏感。反演的CWC與來自中分辨率成像光譜儀(MODIS)的植被總初級生產(chǎn)力(GPP)和蒸散發(fā)(ET)產(chǎn)品具有相似的時(shí)空分布,且相關(guān)性良好,表明CWC也能反映GPP和ET的變異。這些結(jié)果論證了利用輻射傳輸模型反演的CWC監(jiān)測草地干旱的有效性。(3)太陽誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒?SIF)與陸地植被光合作用緊密關(guān)聯(lián),近年來衛(wèi)星SIF數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為在區(qū)域及全球尺度上監(jiān)測植被物候和水分脅迫提供了新的思路。研究利用渦度通量塔的GPP數(shù)據(jù),首次對軌道碳觀測者2號(OCO-2)的SIF數(shù)據(jù)和GPP在溫帶森林的關(guān)系作出了評估。首先分析了OCO-2 SIF在兩個(gè)反演波段(757 nm和771 nm)和兩個(gè)時(shí)間尺度(瞬時(shí)和每日)與GPP的相關(guān)性;其次通過對比MODIS植被指數(shù)和通量塔GPP的關(guān)系,以對OCO-2 SIF估算GPP相較于植被指數(shù)的優(yōu)勢作出評估;利用站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù),考察SIF與植物吸收的光合有效輻射(APAR)以及環(huán)境標(biāo)量因子(最低溫度和飽和水汽壓差)的關(guān)系;最后利用SIF-GPP非線性模型估算GPP,并與MODIS GPP算法估算結(jié)果進(jìn)行比較。研究表明OCO-2 SIF能夠有效地表征溫帶森林的光合作用,其同時(shí)包含來自APAR和周圍環(huán)境壓力的信息,在未來生態(tài)系統(tǒng)功能和碳循環(huán)研究方面具有巨大潛力。(4)結(jié)合衛(wèi)星SIF數(shù)據(jù)以及多種氣候和植被變量數(shù)據(jù)集,研究了2015年干旱對亞馬遜森林光合作用的影響,分析太陽輻射和降水在嚴(yán)重干旱期間如何共同調(diào)控森林光合作用。首先分析了各個(gè)變量在干旱年份相對于多年平均的異常情況;利用光合有效輻射(PAR)和APAR對SIF進(jìn)行歸一化,以分析哪些因素在干旱過程中控制SIF的動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)盡管2015年8月至12月期間干旱嚴(yán)重,亞馬遜森林光合作用的下降程度并不如預(yù)期的那么高,主要原因是雖然干旱大大降低了熒光產(chǎn)量(SIF_(yield)),但是由于同時(shí)存在更高的PAR和光合有效輻射吸收比(fPAR)部分抵消了干旱的負(fù)面影響。更高的PAR源自于干旱期間云量的減少,fPAR的增加則和森林LAI的變異有關(guān)。研究表明SIF整合了來自SIF_(yield)、fPAR和PAR的信息,能夠有效地診斷亞馬遜森林的光合作用狀況。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P407
【部分圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文 起植物大規(guī)模死亡、增加火災(zāi)和病蟲害發(fā)生頻率等[10, 19]。這些過程都影響著生態(tài)系統(tǒng)對碳的固定和吸收功能，一些嚴(yán)重持續(xù)干旱事件甚至可能促使生態(tài)系統(tǒng)從碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚碵20, 21]。圖 1-1 展示了干旱和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)在經(jīng)歷強(qiáng)烈的水分脅迫之前、期間和之后的交互作用，以及所涉及響應(yīng)的時(shí)間尺度。該圖引用自 Molen 等分析干旱與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)系的一篇綜述文獻(xiàn)[19]。圖中情形（1）為當(dāng)土壤水分充足時(shí)，水分和碳的流量通過氣孔導(dǎo)度相互關(guān)聯(lián)；情形（2）為當(dāng)嚴(yán)重干旱發(fā)生時(shí)，引發(fā)植物空穴和“碳饑餓”現(xiàn)象，隨后抵抗干擾的脆弱性增加，包括蟲害、火災(zāi)和風(fēng)吹等；情形（3）為與物種策略一致的選擇性死亡和再生長。

圖 1-2 論文的主要研究內(nèi)容示意圖 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)與安排本論文通過利用多源遙感數(shù)據(jù)，以監(jiān)測區(qū)域干旱和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)為研究目的，分析了多個(gè)研究區(qū)的干旱情況以及多個(gè)氣候和植被變量在干旱中的動態(tài)變化和相關(guān)性，以增加對氣候-植被交互作用、生態(tài)系統(tǒng)功能以及碳循環(huán)等方面認(rèn)識。全文共分為八個(gè)章節(jié)，各章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一章為緒論。主要介紹了本文的研究背景及意義，在此基礎(chǔ)上從傳統(tǒng)干旱監(jiān)測和基于遙感技術(shù)的干旱監(jiān)測兩個(gè)大方面分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并引出論文的主要研究內(nèi)容。第二章為研究區(qū)概括及數(shù)據(jù)。首先對本文涉及到的四個(gè)研究區(qū)中國西南地區(qū)、中國青海湖流域、美國威斯康辛州（Wisconsin）通量站點(diǎn)以及南美亞馬遜森林進(jìn)行了描述。其次對不同研究涉及到的多源遙感數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、柵格氣象數(shù)據(jù)以及站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的獲取情況、數(shù)據(jù)特征等進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。第三章為區(qū)域干旱監(jiān)測及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的方法體系，是支撐本論文研究內(nèi)容

第二章 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)第二章 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)2.1 研究區(qū)概況2.1.1 中國西南地區(qū)本文研究的西南地區(qū)包括云南省、貴州省、四川省和重慶市，總面積約 1.13×106km2（圖 2-1）。研究區(qū)地形復(fù)雜，覆蓋青藏高原東南部，包括大部分四川盆地地區(qū)和整個(gè)云貴高原。西南地區(qū)水資源豐富，是我國許多大型河流的源頭和主要徑流的發(fā)源地。區(qū)域氣候溫暖濕潤，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。年降水量一般在 900 mm 以上，但是月間分布不均勻，其中雨季（4-10 月）的降水量占全年降水量的 85％以上。此外，由于區(qū)域地形復(fù)雜，降水的空間分布也是不均勻的，從東部、南部到西北地區(qū)有一個(gè)明顯的下降趨勢[116]。

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