基于观测的生态系统年总初级生产力年际变异及区域差异研究

Interannual variations of ecosystem annual gross primary productivity (AGPP) reflect the comprehensive responses of ecosystems to multifactor changes. Based on long-term eddy covariance measurements from 8 ChinaFLUX ecosystems during 2003 - 2016, we investigated the interannual variation trend and magnitude of AGPP, and revealed their spatial variability and their affecting factors. By simplifying the light use efficiency model and the Fick diffusion equation, respectively, we built the simplified models directly assessing AGPP and calculated the values of key parameters related to AGPP. After integrating the eddy covariance measurements and 13C isotope ratio of leaves from different years, we explored the interannual variations of key parameters, including mean annual light use efficiency, the ratio of intercellular to ambient CO2 concentrations, and reference stomatal conductance, and their regional patterns. Then the contributions of key parameters in the interannual variations of AGPP were investigated. The mechanisms underlying the interannual variations of AGPP and their regional patterns were also fully revealed. Our results would advance our understanding on the comprehensive effects of multifactor changes on AGPP among different regions, which would also provide a basis for accurately assessing the regional AGPP in terrestrial ecosystems.

生态系统年总初级生产力的年际变异反映了生态系统对多环境要素改变的综合响应。以8个ChinaFLUX站点2003-2016年涡度相关观测数据为基础，结合文献数据，本研究分析年总初级生产力年际变异的趋势和幅度，探讨其空间变异及影响因素。通过简化生态系统光能利用率模型和Fick扩散方程，分别构建基于简化过程理解的年总初级生产力直接评估模型，计算与年总初级生产力相关的关键参数。结合涡度相关观测数据和不同年份叶片13C同位素比数据，探讨关键参数（年均光能利用率、细胞内外CO2浓度比、参考气孔导度）在年际间的变化规律及区域差异。揭示关键参数年际变异对年总初级生产力年际变异的贡献，阐明年总初级生产力年际变异规律及区域差异的形成机制。研究结果将为深入理解生物环境要素变化对不同区域年总初级生产力的综合影响提供重要依据，进而为准确评估陆地生态系统年总初级生产力提供参考。

生态系统年总初级生产力（AGPP）的年际变异反映了生态系统对多环境要素改变的综合响应。以8个ChinaFLUX站点2003-2016年涡度相关观测数据为基础，结合文献数据，本项目分析AGPP年际变异的空间变化规律及影响因素，构建基于简化过程理解的AGPP直接评估模型，量化AGPP相关参数及其年际变异规律，阐明AGPP的年际变异机制。结果发现， AGPP年际变异的绝对幅度随着年均气温增加显著增大，但其相对幅度随着年总降水量的增加而显著降低。随着AGPP的增加，其年际变异的绝对幅度有所增加，但相对幅度显著降低，AGPP年际变异的绝对趋势及相对趋势均显著减小。构建的AGPP模型是最大光能利用率（mLUEd）、生长季平均光合有效辐射（PARd,gs）、生长季平均植被吸收光合有效辐射所占比例（FPARd,gs）和生长季长度（GSL）的乘积，也可以是参考气孔导度（RSC）、PARd,gs、生长季平均叶面积指数、生长季平均细胞内外CO2浓度差（DCO2）和GSL的乘积。CO2施肥效应是引起北方生态系统mLUEd年际变异的主要原因，但光合有效辐射的增多抑制了亚热带老龄林（DHS）的mLUEd。FPARd,gs的年际变异是年际间LAI变化的结果，而PARd,gs的年际变异主要受年总光合有效辐射量及年均气温的共同制约。年均气温、CO2浓度及叶面积指数是引起RSC年际变化的主要因素，影响DCO2年际变异的因素主要为年均气温、年均CO2浓度和光合有效辐射。RSC和DCO2是植物固有的属性，共同决定了特定生态系统的最大光能利用率（mLUEd），在外界环境发生改变时，生态系统固有的属性也会发生变化，进而与其他生物物理因素共同决定了AGPP的年际变异，但不同生态系统各个组分所起贡献有所不同。本项目印证了先前普遍认可的生态系统响应决定AGPP年际变异的观点，量化了生态系统响应的特征，并将AGPP的研究从经验的光能利用率阶段进一步向下延伸、推进至叶片气孔行为的生理过程中，增进了我们对AGPP年际变异的认知。