气溶胶对光合有效辐射及植物总初级生产力的影响

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准确估算总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)在全球的时空分布,对了解全球碳循环和预测未来气候变化至关重要。大气气溶胶会通过增加总光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)的漫射率(Diffuse Fraction,Df)促进植物生长,从而增加模拟GPP的不确定性。因此,定量分析气溶胶光学厚度(Aerosol optical depth,AOD)与漫射率(气溶胶漫射施肥效应)的关系对全球初级生产力的影响成为世界关注的热点话题。本研究通过修正原有的光能利用效率模型(EC-LUE模型),生成了一个包含气溶胶影响的新模型(AOD-LUE模型)。AOD-LUE模型通过改变光合有效辐射的结构,将其分离为直射光合有效辐射和漫射光合有效辐射,并得到在漫射光合有效辐射条件和直射光合有效辐射条件下的光能利用效率(LUE)。为了检验AOD-LUE模型的适用性,本研究利用FLUXNET2015数据集涵盖10种主要生态系统类型的70个通量站点测量数据,对AOD-LUE模型进行校准和验证。利用AOD-LUE模型在全球尺度上对GPP进行模拟,得到2000-2019年空间分辨率为0.1°× 0.1°和月时间尺度的GPP数据集。同时量化气溶胶对全球GPP的具体贡献。主要研究结果如下:(1)气溶胶和漫射光合有效辐射在时空分布上表现出高度相似的分布模式和增长趋势,而直射光合有效辐射和总光合有效辐射则表现出相反的分布趋势;时间尺度上,气溶胶和漫射光合有效辐射整体呈现小幅度上升趋势,而其它两种辐射呈现小幅度下降的趋势。(2)全球辐射的漫射率(Df)会随气溶胶的增加而增加,具有显著的正相关关系(R2=0.57,p<0.01),但当漫射率达到0.6时,气溶胶将不会对其产生影响。(3)模型优化结果表明,植被在漫射光合有效辐射条件下的光能利用效率(LUE)(3.61 g C m-2MJ)远高于直射光合有效辐射(1.68 g C m-2 MJ-1)的LUE。(4)考虑到散射率与气溶胶之间的关系,通过参数化气溶胶辐射效应加入到EC-LUE模型中,AOD-LUE模型在各站点的精度均有所提高。不同植被类型中,封闭型灌丛和常绿落叶阔叶林的R2增幅最大,分别为60%和28%。(5)在全球尺度上,气溶胶对GPP(g Cm-2yr-1)的正效应主要分布在亚热带地区,而负效应主要分布在热带地区。在生物群落中,负效应最大为热带雨林植被,GPP(g C m-2yr-1)平均每年减少9.24%。大草原则表现为正效应,GPP(g C m-2 yr-1)平均每年增加3.19%。本研究通过评估气溶胶漫射施肥效应对全球GPP模拟的不确定性,在校正原始数据和优化模型结构及参数的基础上开发AOD-LUE的GPP模型。并基于AOD-LUE模型生成受气溶胶影响的长时间序列全球GPP产品,揭示气溶胶在GPP模拟中的重要作用,并反映全球GPP的变化趋势。本研究有助于解释气溶胶漫射施肥效应如何影响植物生理过程,并为未来GPP模型更精确地模拟全球碳循环提供了理论依据和实践经验。
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