【摘要】：河流作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫流向海洋碳庫的重要單向通道,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:可溶性有機碳(DOC)、顆粒性有機碳(POC)、可溶性無機碳(DIC)和顆粒性無機碳(PIC)。其中DOC和POC這兩種有機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)的生物地球化學循環(huán)和生態(tài)環(huán)境狀況。全球河流有機碳通量的估算一直以來都是全球碳收支評估中的一項重要工作。目前全球尺度有機碳通量的估算工作仍然停留在大規(guī)模的野外觀測和簡單的經(jīng)驗統(tǒng)計模型的層面上,得出的全球河流有機碳輸出量也存在較大的不確定性。實際上,河流有機碳通量受到了多個生態(tài)水文過程和眾多環(huán)境因子的影響,因而其數(shù)值也呈現(xiàn)出明顯的時空異質(zhì)性。生態(tài)過程模型是當前解決關(guān)鍵生態(tài)指標估算及時空變化模擬的重要工具。為模擬全球河流有機碳通量的時空變化,本研究提出一個基于生態(tài)水文過程的多元混合模型——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)鍵過程,重點模擬了DOC和POC兩種有機碳的產(chǎn)生、運輸和消耗等過程。模型包括植被動態(tài)與土壤碳循環(huán)子模塊、水文過程子模塊、DOC子模塊和POC子模塊等四個主要組成部分。由于DOC和POC涉及的生態(tài)過程不一致,土壤中DOC主要以淋溶的方式進入河流等水體,而POC一般通過土壤侵蝕的方式進入水體。因此,本研究構(gòu)建了兩個子模塊分別用于模擬河流DOC和POC的時空變化。在對模型進行校正和驗證后,將該模型應用于全球河流DOC、POC和總有機碳(TOC)通量的估算及其時空變化研究中。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)徑流作為有機碳運輸?shù)膭恿洼d體,其時空變化的模擬是河流有機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)來模擬土壤水從土壤傳輸至河流,以及在河流中的遷移過程,并最終用于全球河流徑流量的時空變化模擬中。為檢驗水文過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測河網(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的長時間實測徑流量,對相應站點的模擬徑流量進行了驗證。檢驗結(jié)果顯示模型模擬的河網(wǎng)分布和長時間序列徑流量都與實測值較為符合。此后,本研究應用TRIPLEX-HYDRA模型模擬了1951-2015年間全球河流入海徑流量的時空變化。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、長江和珠江等)。在時間序列上,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程。模型構(gòu)建完成后,首先對該模塊中涉及DOC變化的幾個重要參數(shù)進行敏感性分析,最終挑選出R_(10)(10℃時土壤呼吸速率)和K_s(土壤有機碳溶解系數(shù))兩個最敏感的參數(shù),對模型進行參數(shù)校正。然后,采用校正后的模型模擬全球河流DOC通量的時空變化,并采用前人數(shù)據(jù)庫中71條河流DOC通量實測數(shù)據(jù)進行模型檢驗,驗證結(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)。模型驗證成功后,應用該模型模擬了1951-2015年間全球河流DOC通量的時空變化。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,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,這可能是由氣候變暖后DOC遷移過程的水文路徑增長以及遷移過程中DOC的降解和消耗量的增加所導致。(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、水文過程模塊和POC的降解、遷移以及被大壩攔截等過程耦合形成了TRIPLEX-HYDRA模型POC子模塊。類似于DOC子模塊,本研究也對POC子模塊中與POC變化有關(guān)的一些重要參數(shù)進行了敏感性分析,并挑選出對POC通量最敏感的兩個參數(shù):ER(土壤侵蝕過程中有機碳富集率)和K_(poc)(水體中POC降解系數(shù))。其次,根據(jù)已發(fā)表文獻中河流POC通量對校正后的模型進行驗證,結(jié)果表明TRIPLEX-HYDRA模型對POC通量與對應站點的觀測值較為接近(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)每年通過河流向海洋大約輸送0.29Pg POC�？臻g分布上來看,低緯度地區(qū)(30°S-30°N)是全球河流POC通量的主要貢獻區(qū)域(約61%)。時間序列分布上來看,全球1982-2015年間河流POC通量有較微弱的增加趨勢(每年增加0.13 TgC),但變化未達到顯著性水平。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,而中低緯度地區(qū)許多流域(如長江和墨累河)POC呈現(xiàn)顯著的降低趨勢。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)河流總有機碳(TOC)通量。將模擬的DOC通量與POC通量進行匯總,得出全球河流TOC通量的時空分布,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)每年通過河流向海洋共輸送約0.53 Pg的有機碳。從空間分布上來看,60%的TOC通量主要來自于熱帶地區(qū)和北半球高緯度地區(qū)的河流。從時間分布上來看,1982-2015年間全球河流TOC總通量有較弱的降低趨勢(-0.38TgC/yr),但變化未達到顯著性水平。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較大,水體流速相對較快,對地表有較大的沖刷,產(chǎn)生較多的POC。
【圖文】：

第一章 緒論臺風季節(jié)，最高 DOC 濃度能達到 8 mg/L (Kao et al. 1997)。 珠江流域觀測表明，汛期DOC 和 POC 都會有明顯的增加，其中 DOC 增長大約 20-90%，而 POC 則可能增加 倍以上(魏秀國 2003)。當然，也有研究認為在汛期由于徑流量較大，，可能稀釋水體中有機碳濃度，使得汛期有機碳含量反而降低，即所謂的“稀釋效應” (Liu and Zhan2010)�？偟膩碚f，河流有機碳的輸送在時空分布上表現(xiàn)出顯著的差異。這些差異可能是由多種因素造成的，比如陸源碳庫的儲量、流域內(nèi)氣候條件、植被覆蓋、地形地貌以及人為活動等。1.2.3 河流有機碳的產(chǎn)生、運移和消耗過程及其影響因素1.2.3.1 土壤中有機碳的動態(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)驗模型，并推廣球尺度，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
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X143

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相關(guān)博士學位論文 前1條

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

本文編號：2621313