發(fā)布時間：2020-08-26 06:31

【摘要】：近幾十年的研究表明全球氣候變暖是毋庸置疑的事實,因此致力于大氣溫室氣體變化趨勢的相關研究對探究全球氣候變化規(guī)律具有極其重要的作用。眾多氣候學家一致認為,目前全球變暖的主要原因是“溫室效應”的加劇,其中氧化亞氮(N_2O)氣體是氮循環(huán)過程產(chǎn)生的唯一長壽命痕量氣體,它不僅可以通過光化學反應參與臭氧分解,同時也具有極強的輻射強迫效應,是造成氣候變化的三大溫室氣體之一。目前N_2O的研究主要集中于農田等受到人為活動影響較大的生態(tài)系統(tǒng),而自然生態(tài)系統(tǒng)排放的N_2O氣體不僅在全球總量中占有較大比重,且其估計量也存在著較大的不確定性。作為全球重要的自然生態(tài)系統(tǒng),森林和草地在維持生態(tài)平衡和保證陸地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)等方面均具有重要的作用。因此,深入研究自然狀態(tài)下森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放量及其變化趨勢,可以幫助我們更好地認識N_2O排放與氣候變化之間的關系,進一步幫助政策制定者在探討溫室氣體減排方面法律法規(guī)的相關問題上提供一定的數(shù)據(jù)支撐,為科學管理不同自然生態(tài)系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)。眾多的環(huán)境影響因子、復雜的生物化學過程和精細的生態(tài)控制條件,使得N_2O自然源具有很強的時空異質性,小尺度或短周期實驗無法解決這一難題,而生態(tài)模型則成為揭示大尺度空間和時間范圍內N_2O排放規(guī)律的重要手段和工具�；诖�,本論文開展了以下四方面的研究工作并得到相應的結論:(1)本研究將硝化和反硝化作用過程與原TRIPLEX-GHG模型中的生物地球化學模塊相耦合,形成新的TRIPLEX-GHG模型,使其具有模擬全球森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放的能力。具體地,模型耦合的主要方法是在原TRIPLEX-GHG模型與硝化和反硝化過程之間建立雙向聯(lián)系。一方面土壤有機碳庫和土壤礦質氮庫為硝化反硝化過程提供反應底物,另一方面,通過計算由于硝化反硝化過程及微生物呼吸過程產(chǎn)生的土壤碳氮素的消耗量來更新土壤有機碳庫和土壤礦質氮庫的含量等。(2)構建了全球不同森林和草地生態(tài)系統(tǒng)實測N_2O排放通量數(shù)據(jù)庫,應用于模型參數(shù)修正和模型驗證,結果表明該耦合模型具有較好地模擬全球尺度N_2O排放通量的能力。其中由模型參數(shù)敏感性分析得出,最大硝化速率常數(shù)(COE_(NR))是與N_2O排放有關的最敏感參數(shù),揭示了硝化作用在N循環(huán)中的重要地位,特別是對定量N_2O排放及其為反硝化作用提供反應物的重要作用。本研究使用來自29個全球森林和草地生態(tài)系統(tǒng)站點的日尺度實測數(shù)據(jù)對該參數(shù)進行校準。參數(shù)校準結果按照熱帶森林、草地、溫帶森林、北方森林的順序數(shù)值逐漸增大,其平均值分別為0.009,0.03,0.04和0.09。另外,模型在捕捉N_2O季節(jié)性動態(tài)變化以及模擬N_2O排放水平和數(shù)量級等方面表現(xiàn)較為理想。然而,模型也具有一定的局限性,例如,模型不能較好地捕捉早春土壤凍融交替時期的排放峰、高估了N_2O背景排放模式地區(qū)(一般為寒帶地區(qū))的N_2O排放水平及未將特定條件下的N_2O的吸收現(xiàn)象考慮在內。同時,本研究也驗證了不同生態(tài)類型參數(shù)平均值在全球52個對應樣點的模擬效果,結果表明N_2O通量的模擬值和觀測值顯著相關(R~2=0.75;P0.01)。(3)模型模擬了歷史時期全球森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放的時空變化格局,進一步揭示了氣候變化和極端氣候事件等對N_2O排放量的影響及兩者之間的關系。具體地,研究結合了基于遙感的土地覆蓋數(shù)據(jù)(ESA-CCI-LC),模擬了1992-2015年間全球森林和草地自然生態(tài)系統(tǒng)的N_2O排放的時空變化。期間,估算的森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放總量的年均值分別為3.62±0.16 Tg N yr~(-1)和1.40±0.03 Tg N yr~(-1),N_2O排放通量的面積加權平均值分別為88.3±4.0 mg N m~(-2) yr~(-1)和48.2±1.0 mg N m~(-2) yr~(-1),且兩種生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放量在研究期內均呈現(xiàn)輕微上升的趨勢;熱帶和亞熱帶地區(qū)森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的N_2O排放速率普遍較大(貢獻率80%),北方森林和草地N_2O排放速率較小。對比其他模型的模擬結果,該結果處在合理的范圍內。并且,土壤N_2O排放量和大氣N_2O濃度相關性結果表明,森林和草地土壤N_2O排放量與大氣N_2O濃度存在較低的正相關關系(R~2=0.26,P0.01),這意味著盡管兩者均呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢,但自然狀態(tài)下土壤N_2O的排放并不是導致大氣N_2O濃度上升的關鍵因素。另外,研究還發(fā)現(xiàn)在厄爾尼諾/拉尼娜年,N_2O的排放量會增加/減少,這可能與熱帶地區(qū)降水和N_2O通量存在顯著負相關關系有關。由于熱帶草原具有明顯的干濕季特征,使得厄爾尼諾/拉尼娜事件對不同時期N_2O通量產(chǎn)生了不同的影響,即濕季N_2O減少/增加,干季N_2O增加/減少�；诖�,N_2O氣候的排放與極端氣候事件(拉尼娜和厄爾尼諾)之間的密切關系可能成為研究溫室氣體和氣候變化之間反饋作用的一個突破口。(4)本研究利用了CMIP5的氣候模式在三種RCP情景下得到的未來預估氣候變化數(shù)據(jù)驅動TRIPLEX-GHG模型運行,模擬了未來森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放總量及其格局的變化。具體地,本研究共選取了CMIP5的15個氣候模式在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下的預估未來至2100年的氣候變化數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù),模擬了未來N_2O排放的時空變化。結果顯示,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下2100年全球森林和草地生態(tài)系統(tǒng)N_2O排放總量將分別達到13.74±0.89 Tg N和、16.12±0.83 Tg N和19.6±1.0 Tg N,分別比歷史時期全球森林和草地總N_2O排放水平增長了約164%、210%和277%。在21世紀中期之前,三種RCP情景下N_2O排放總量均呈現(xiàn)相似的增長趨勢。到21世紀中期之后,RCP8.5情景下N_2O的年際排放的增長趨勢最大,RCP2.6情景下的增長趨勢最小,RCP4.5情景下的增長趨勢處于中等水平。到21世紀末期,RCP8.5和RCP4.5情景下N_2O排放總量仍呈現(xiàn)較大的增長趨勢,但較之前有所緩和;而RCP2.6情景下N_2O年際排放量基本保持穩(wěn)定,不再繼續(xù)增長。并且三種RCP情景下熱帶地區(qū)N_2O通量均呈現(xiàn)較高水平,不同情景之間排放格局差異不大,但與RCP2.6情景相比,RCP8.5情景下北溫帶北部和寒帶地區(qū)森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的大部分地區(qū)N_2O通量值均呈現(xiàn)不同程度的增大。因此本文推測,北溫帶北部和寒帶地區(qū)的森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的大部分地區(qū)對高端排放情景下的氣候變化更敏感。三種RCP情景下N_2O排放預測值的不確定主要來源于未來氣候預估數(shù)據(jù)(特別是降水和大氣平均氣溫)的不確定性。這種不確定性主要體現(xiàn)在對于熱帶地區(qū)N_2O排放通量的預測方面。因此,創(chuàng)建熱帶地區(qū)特殊生態(tài)系統(tǒng)的預估模型,或者發(fā)展針對熱帶地區(qū)的獨特排放情景顯得尤為重要。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S718.5;S812
【圖文】：

外輻射引發(fā)光化學反應，參與分解臭氧層，增加到達地表的紫外輻射，危害人健康(Ravishankara et al. 2009)（圖 1-1），據(jù)研究，大氣中的 N2O 體積分數(shù)每增就可能導致平流層中臭氧的體積分數(shù)減少 10%-16% (Houghton et al. 1996)，同 N2O 的光解所產(chǎn)生的自由基產(chǎn)物（如 HNO2和 HNO3等）會隨著大氣中水汽的落到地面，形成酸雨(Crutzen et al. 1979)�？偠灾�，近幾十年的研究表明全球氣候變暖是毋庸置疑的事實，因此控制全勢的首要任務是控制大氣中各類溫室氣體的濃度的上升。1997 年 12 月 11 日召開了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第三次締約方大會，多個組織共同促生了第一個附加協(xié)議—《京都議定書》�！毒┒甲h定書》于 2005 年 2 月 16 日正式將限制溫室氣體的排放首次以法規(guī)的形式登上人類歷史的舞臺。在《京都議N2O 作為被規(guī)定限制排放的 6 種溫室氣體之一，根據(jù) IPCC 在 2013 年的報告濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的 270 ppbv 增加到 2011 年的 324.2 ppbv，增幅達到is et al. 2013)。因此，研究 N2O 氣體排放對理解全球氣候變化、改善地球自然、農業(yè)、水資源以及人類健康和生活環(huán)境狀況等具有重要的意義。

硝化微生物的呼吸過程通常優(yōu)先利用 N-氧化物或含氮陰離子。反 有兩種可能的原因：1）Nos 受到抑制使得反應的中間產(chǎn)物 N2O 不導致 N2O 被累積下來；2）是某些反硝化細菌中沒有 Nos，因此它最終產(chǎn)物就是 N2O（孫英杰等 2011）。反硝化過程主要是由異養(yǎng)副球菌和各種假單胞菌）來進行的(Carlson and Ingraham 1983)，盡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某些自養(yǎng)細菌（如脫氮硫桿菌）也可以進行反硝化作用un 1954)。反硝化作用是氮循環(huán)的最后步驟，可看作是活性氮返歸反硝化作用對維持大氣中的氮素平衡和調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)活性氮庫具有 2012)。CH O + 2NO = 2NO + CO + H O CH O + 2NO 2e = 2NO + CO + H O CH O + 4NO = 2N O + CO + H O CH O + 2N O = 2N + CO + H O

1.5.2 技術路線本論文利用 Fortran 語言，將 N2O 相關過程的碳氮循環(huán)核心科學過程（包括有機質分解、硝化、反硝化和氣體擴散過程等）的程序代碼，逐一寫入 TRIPLEX-GHG 模型的Biogeochemistry 模塊的框架內。對于歷史和未來時期的模擬，耦合模型均在高性能計算平臺上運行。另外，運用插值軟件ANUSPLIN4.36 (Hutchinson and Gessler 1994)對CMIP5氣候模式未來氣象數(shù)據(jù)進行了插值。針對以上的研究目標和內容，設定了如下的技術路線圖（圖 1-3）:

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;中蒙草地生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)合野外觀測與研究站建成[J];干旱區(qū)地理;2017年06期

2 張妹婷;翟永洪;張志軍;唐文家;馬燕;聶學敏;丁玲玲;;三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)質量及其動態(tài)變化[J];環(huán)境科學研究;2017年01期

3 陳敏;王光謙;李永平;周雅;;基于條件風險價值的兩階段隨機規(guī)劃模型在草地生態(tài)系統(tǒng)恢復中的應用——以三江源區(qū)為例[J];中國科學:技術科學;2017年03期

4 劉宏達;;中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進展[J];北京農業(yè);2015年35期

5 李學斌;樊瑞霞;劉學東;;中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳過程研究進展[J];生態(tài)環(huán)境學報;2014年11期

6 程榮花;;草地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究進展[J];北京農業(yè);2013年03期

7 邱凌;王麗娟;趙磊;唐小軍;李富華;王思揚;;四川省草地生態(tài)系統(tǒng)破壞損失價值評估[J];四川環(huán)境;2012年06期

8 陳曉鵬;尚占環(huán);;中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進展[J];中國草地學報;2011年04期

9 馬琳;李學斌;謝應忠;;草地生態(tài)系統(tǒng)枯落物分解及功能研究[J];草業(yè)與畜牧;2011年12期

10 吳鵬飛;陳智華;;若爾蓋草地生態(tài)系統(tǒng)研究[J];西南民族大學學報(自然科學版);2008年03期

相關會議論文 前10條

1 王X;;草地生態(tài)系統(tǒng)受損的耗散結構機制[A];新世紀 新機遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展（下冊）[C];2001年

2 劉士義;;草地生態(tài)系統(tǒng)科學利用與畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展[A];《2009中國羊業(yè)進展》論文集[C];2009年

3 蔣高明;;試論草地生態(tài)系統(tǒng)的適應性管理:以渾善達克沙地草地為例[A];2009中國草原發(fā)展論壇論文集[C];2009年

4 高清竹;萬運帆;李玉娥;劉碩;馬欣;江村旺扎;王寶山;;藏北地區(qū)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)氣候變化風險及其綜合適應管理[A];發(fā)展低碳農業(yè) 應對氣候變化——低碳農業(yè)研討會論文集[C];2010年

5 常根柱;焦婷;周學輝;楊紅善;;河西走廊不同類型退化草地生態(tài)系統(tǒng)土、草營養(yǎng)變化研究[A];中國草學會2013學術年會論文集[C];2013年

6 王蕾;謝應忠;許冬梅;;寧夏草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值評估[A];第八屆博士生學術年會論文摘要集[C];2010年

7 孫永強;;塔里木河下游地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀與利用對策[A];西部地區(qū)第二屆植物科學與開發(fā)學術討論會論文摘要集[C];2001年

8 孫菁;彭敏;陳桂琛;周國英;王順忠;;人類活動對青海湖地區(qū)草原群落多樣性的影響[A];生態(tài)學與全面·協(xié)調·可持續(xù)發(fā)展——中國生態(tài)學會第七屆全國會員代表大會論文摘要薈萃[C];2004年

9 趙亮;楊惠敏;劉鐘齡;;物候期分化對草地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[A];中國草學會青年工作委員會學術研討會論文集[C];2007年

10 羅緒剛;;草地生態(tài)系統(tǒng)中礦物質微量元素的生態(tài)調控研究[A];青年生態(tài)學者論叢（一）[C];1991年

相關重要報紙文章 前10條

1 沈茂成;相煎何太急？！[N];人民政協(xié)報;2003年

2 記者 朱國亮;用不了10年，甘南將成為新沙塵源[N];新華每日電訊;2004年

3 記者 郭姜寧;防御母親河斷流應從源頭抓起[N];科技日報;2001年

4 張目 朱國亮;青藏草地生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化[N];中國改革報;2003年

5 朱必義;昭蘇注重草地生態(tài)系統(tǒng)保護[N];新疆日報(漢);2008年

6 記者 戴隨剛　通訊員 馬宗泰;環(huán)青海湖地區(qū) 草地生態(tài)系統(tǒng)響應試驗啟動[N];中國氣象報;2010年

7 尹維納;科學家關注“草地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應”[N];中國綠色時報;2007年

8 記者 辛元戎;青海大學—清華大學三江源高寒草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站揭牌[N];青海日報;2010年

9 記者 王興林;中科院調研組來和調研[N];和田日報(漢);2015年

10 吳曉芳;氣象變化影響水安全[N];中國氣象報;2011年

相關博士學位論文 前10條

1 魏琳;氮添加和刈割對黃土高原天然草地生態(tài)系統(tǒng)地下碳循環(huán)關鍵過程的影響[D];中國科學院大學(中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心);2017年

2 劉玉;半干旱區(qū)草地自然恢復的地上—地下生態(tài)過程研究[D];中國科學院大學(中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心);2018年

3 張克柔;全球森林和草地自然生態(tài)系統(tǒng)氧化亞氮排放的模型構建與模擬[D];西北農林科技大學;2018年

4 徐榮;寧夏河東沙地不同密度檸條灌叢草地水分與群落特征的研究[D];中國農業(yè)科學院;2004年

5 白衛(wèi)國;高寒草地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)土地利用空間變化的分析方法研究[D];北京林業(yè)大學;2004年

6 于遵波;草地生態(tài)系統(tǒng)價值評估及其動態(tài)模擬[D];中國農業(yè)大學;2005年

7 郝彥賓;內蒙古羊草草原碳通量觀測及其驅動機制分析[D];中國科學院研究生院（植物研究所）;2006年

8 張?zhí)K瓊;稀土元素對青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)草地·動物界面耦合效應的研究[D];甘肅農業(yè)大學;2005年

9 王俊峰;長江源區(qū)沼澤與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)變化及其碳平衡對全球氣候變化的響應[D];蘭州大學;2008年

10 王冬;天然草地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀及其影響機制[D];中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心）;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 茹靖益;降水季節(jié)分配變化對中國北方半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響[D];河南大學;2017年

2 安相;陜北黃土丘陵區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量及其影響因素研究[D];西北農林科技大學;2017年

3 林泉;草地生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的方法研究[D];北京林業(yè)大學;2012年

4 張宇;寧夏草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估[D];西北農林科技大學;2012年

5 賈文曉;中國北方草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力估算及其不確定性研究[D];華東師范大學;2016年

6 宋希娟;東祁連山不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)N、P、K營養(yǎng)庫季節(jié)動態(tài)研究[D];甘肅農業(yè)大學;2008年

7 高偉;退化草地生態(tài)系統(tǒng)碳—氮變化規(guī)律及氮添加的生態(tài)效應研究[D];內蒙古大學;2010年

8 曹建軍;瑪曲草地生態(tài)系統(tǒng)服務、損失和恢復價值評估[D];蘭州大學;2006年

9 蘇玉波;黑河上游草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及價值評估[D];陜西師范大學;2015年

10 高濤;草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及牧民生態(tài)補償研究[D];蘭州大學;2010年

本文編號：2804833