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题名: 城市典型植物冠层异质性对叶片和冠层 碳收支的影响
作者: 王晓琳
学位类别: 博士
答辩日期: 2016-06
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 胡聃
关键词: 冠层异质性,叶片碳收支,冠层碳收支,尺度转换,城市 ; crown heterogeneity, crown carbon budget, leaf carbon budget, scale up, urban
其他题名: Dynamic spatial patterns of crown affect carbon budget of leaf traits and canopy in typical urban plant
学位专业: 生态学
中文摘要:     植被冠层部分的碳收支占整个植株的大部分,冠层碳收支的估算对初级净生产力的估计具有重要作用。目前普遍认可、使用最多的估算方法是用单叶生理生态指标外推到冠层的方法,因此估算的核心问题是叶片指标的尺度放大问题。树木和作物冠层的时间和空间异质性对尺度放大提出很大挑战。目前,尺度放大方法模型极少考虑冠层内部生态因子时、空异质性互作问题以及冠层叶片功能的动态适应过程,造成了冠层叶片碳收支空间变异的研究结论不一致。为此,本研究选取典型植物研究了冠层水平生态因子时空变异特征及冠层叶片结构和功能指标的空间异质性特征,并充分利用冠层异质性,使用冠层生态分区(CEZ)方法研究了冠层水平上叶片形态和功能对环境的响应过程及主导因素,估算了冠层昼夜碳收支总量。典型植物冠层生态因子昼夜时空变异研究结果表明:1)冠层水平生态因子具有明显的昼夜时间变化,并受天气条件影响;2)冠层水平光辐射强度和气温的昼夜动态具有明显的空间垂直变异,但空间变异在特定的时间、特定的冠层位置表现出来,不同天气条件下空间异质性特征也不同;3)冠层内部空气湿度和大气CO2浓度无明显的垂直变化。基于此,本研究定量描述了冠层异质性,即对冠层生态因子空间变异进行了生态分区:晴天四区模式,阴天另一种四区模式。
    CEZ提供了一个系统的田间开放条件下冠层研究体系,即在一个CEZ内部冠层水平生态因子在统计上是相对稳定的,无空间异质性;在CEZ之间存在显著差异的生态因子梯度,可以作为冠层水平叶片环境响应研究的梯度。基于CEZ分区,我们研究了冠层水平叶片碳收支的空间分布和昼夜动态特征,并分析了叶片碳收支影响因子的相对贡献率及其冠层空间差异。结果表明:1)生态因子对碳收支指标昼夜变化有显著的独立贡献率;气温在晴天条件下对碳收支指标昼夜变化贡献率最大,而光强对阴天条件下碳收支指标昼夜变化贡献率最大;3)生态因子(光强和气温)和叶片形态结构(叶厚度、比叶重、单位面积含氮量和含碳量)对碳收支指标空间变异没有显著的独立贡献率,各影响因子之间的交互贡献率较高。采用CEZ分区方法,本研究基于叶片指标外推估算了冠层光合作用产量,估算结果显示,用功能特性相对稳定的功能区表达异质性特点,有效减少了冠层碳收支总量估算的误差,弥补了以往估算方法的部分不足。
    晴天和阴天天气条件下冠层生态分区不同、叶片对环境因子的响应不完全一致,昼夜碳收支总量也有差异,散射光比重差异是这些差异的主要原因之一。为此,我们研究了叶片近、远轴面气体交换指标对直射光和散射光的差异,进一步探索了异面叶(日本晚樱)和等面叶(高粱)在叶片水平对直射光和散射光响应的背腹侧适应、以及田间条件下光合作用对晴天和阴天的光适应调控策略。结果表明,直射光和散射光的光质差异、气孔敏感性差异以及叶片的光吸收差异使其在叶片光合碳同化速率中的作用存在差异。而叶片近、远轴面气孔密度、叶肉细胞光化学活性等差异,使叶片近、远轴面对直射光和散射光的响应不同。田间条件下,等面叶通过对不同光的利用调节整体光合作用,而异面叶调节作用较弱。叶片对直射光和散射光的响应研究有助于理解在单叶水平上不同类型叶片近、远轴面对光环境的响应特征,并为等面叶光能利用效率在晴天和阴天的差异提供了数据支持。
英文摘要:     Carbon  budget of  plants  is crucial  to  the ecosystem  carbon balance.  Canopy carbon  budget  accounts   for  most  of   the  plant  gas  exchange,   and  is  the   most commonly studied  component. The  calculation of  available carbon  budget in  plant crown is essentially a scaling problem. The  leaf gas-exchange response to ecological factors, has been  studied in great detail and  is generally well understood. The  major outstanding issue is  how to scale the short-term  leaf-level response of gas-exchange upto crown  level. Understanding  temporal and spatial  heterogeneities of  ecological factors  and   leaf  traits   on  a   crown  scale   is  a   prerequisite  for  accurately   and quantitatively predicting carbon budget of a  crown. With this in mind, we developed an ecological technique of spatial zoning  of crown based on the diurnal variations of light   intensity  (I),   air   temperature   (T),  air   relative   humidity  (RH)   and   CO2 concentration (Cair). So  the temporal and spatial heterogeneities  of them on a crown scale were clarified: i)  there was no statistically significant horizontal differentiation of hourly T, I, RH  and Cair whether under sunny or  cloudy weather condition; ii) the vertical differentiation  of crown  ecological factors only  appeared in  T under sunny condition and I  under both weather  conditions; iii) crown spatial  heterogeneity of  T was observed only in a special period(9:00 to 15:00 for a day), but that of I could be observed during 6:00 to 18:00 at a diurnal scale ; iv) different from the past results of study  achieved  in  the international  literatures,  T  and  I  are  not  continuously  and exponentially  decreased  with  vertical  crown  depths,  but decreased  by  a  discrete spatial gradient pattern consisting of different CEZs.
    Based  on  the  4-CEZs  gradient  patterns of  ecological  factors  and  leaf  traits observed in this study, the temporal  and spatial heterogeneity of photosynthetic rates (Pn)  and  respiration   rate  (Rd)  for  crown   leaf  and   the  influencing   factors  was investigated, we achieved the following  conclusions: i) temporal heterogeneity of Pn and  Rd   on  a   diurnal  scale  was   directly  affected   by  the  temporal   and  spatial heterogeneities of T  and I; ii) T,  I and RH had significant  independent contributions to  temporal  heterogeneity of  Pn  and  Rd  under  sunny condition  while  only  I  had significant    independent    contribution    under     cloudy    condition;    iii)    spatial heterogeneity  of Pn  and Rd   on  a crown  scale  was influenced  by  some ecological factors (T  and I)  and leaf  structural traits,  but variations  of Pn and  Rd was affected more   by   the    joint   rather   than    the   independent   contributions,   and    carbon concentration  per leaf  area (Ca)  had  the highest  total  contribution (Independent  + Joint) among all influencing variables both under sunny and cloudy conditions.
    Including the  change  of weather  conditions and  differences  of distribution  of spatial  areas   or  CEZs   at  a   crown  scale   in  the   analysis  of   crown  ecological functioning can  reduce the  estimation errors  of carbon  budget for crown.  The new technique of ecological zoning for crown  ecological factors and the 4-CEZs gradient patterns under  different weather  conditions developed and  established in  this study can provide  a better methodological  platform for studying other  species of tree  and crown type, and effectively or powerfully identifies crown spatial heterogeneity.
    The diffuse  fraction of incident  light plays important  roles in the  difference of crown trait  between two weather  conditions. Thus,  we investigated the  response of leaf  gas exchange  to direct  and  diffuse light,  and  further studied  the  dorsoventral acclimation  to  direct  and  diffuse  light  in  the  open  field  conditions.  Our  results showed that  light quality, stomatal  sensitivity, and leaf  absorption played important roles  in the  contribution  of  adaxial surface  and  abaxial  surface to  leaf  integrated carbon assimilation.  The response  of leaf  adaxial and abaxial  surface to  direct and diffuse light  was greatly  different because  of the  variation of  stomatal density  and primary photochemical activity. The isolateral leaves  regulated the integrated carbon assimilation better  than  bifacial leaves  by adjusting  light use  of two  leaf surfaces. These  results  are  helpful  to understanding  light  response  of  adaxial  and  abaxial surfaces  in  isolateral bifacial  leaves  to  direct  and diffuse  light,  and  provide  data evidence for the difference of light use efficiency in sunny and cloudy days.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/37022
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王晓琳--城市典型植物冠层异质性对叶片和冠层碳收支的影响.pdf(5390KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

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王晓琳. 城市典型植物冠层异质性对叶片和冠层 碳收支的影响[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016.
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