中国区域植被叶面积指数时空分布——机理模型模拟与遥感反演比较

叶面积指数是表征植被冠层特征的重要参数,同时也是决定生态系统净初级生产力的重要因子,它对全球变化和生态系统碳循环研究具有重要意义。目前大范围的叶面积指数只能通过遥感反演和机理模型模拟获得,而通过这两种方法获取的叶面积指数都存在一定的不确定性。利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)在0.1°×0.1°经纬度网格上模拟产生了中国区域叶面积指数并与两套使用不同遥感反演方法生成的叶面积指数在空间分布和季节变化特征方面进行了比较。通过比较说明中国区域植被叶面积指数分布主要受水分条件限制,整体呈现东南部高西北部低的趋势。中国区域植被生长的季节变化受季风影响显著,与气温及地表太阳辐射的季节变化趋势相一致。中国区域叶面积指数整体呈现夏季高、春秋季次之而冬季低的趋势。     

塔里木河下游河岸带植被的空间结构特征

揭示我国内陆河流域下游河岸带植被的空间结构特征, 对于了解我国西北干旱区荒漠河岸带植被的空间分布规律、指导荒漠化治理和内陆河水资源管理具有重要意义。该研究基于野外大范围植被调查数据支持下的遥感监督分类方法, 利用Landsat-8 OLI遥感数字图像, 辨识了塔里木河下游柽柳(Tamarix spp.)灌丛、胡杨(Populus euphratica)疏林和芦苇(Phragmites australis)草地3类主要的河岸带植被, 并利用建立的叶面积指数(LAI)遥感反演经验模型反演了研究区柽柳灌丛和胡杨疏林的叶面积指数, 旨在从区域尺度和总体趋势上分析荒漠河岸带植被的空间结构和分布特征。结果表明: 在有详细地物资料的基础上, 遥感监督分类可以作为一种干旱区荒漠河岸带植被分类的有效方法; 遥感分类结果显示塔里木河下游胡杨疏林分布面积约336.4 km², 柽柳灌丛约为405.3 km², 胡杨疏林总体更靠近河道, 柽柳灌丛分布范围更广; 河岸带植被LAI整体很低, 柽柳灌丛和胡杨疏林平均LAI值分别为0.253和0.252, LAI小于0.5的植被对应面积分别占柽柳灌丛和胡杨疏林总面积的92.4%和90.1%, 表明了塔里木河下游荒漠河岸植被空间上稀疏分布的特征; 统计结果显示, 河岸带植被结构存在巨大的空间变异性, 其中胡杨疏林比柽柳灌丛的空间变异性更大; 河岸带植被LAI随距河道距离呈现显著负指数分布规律, 在离河道1 km范围内LAI随离河道距离快速下降, 而1 km外区域叶面积指数普遍低于0.1, 表明植被主要分布在河道两侧1 km范围内。整体稀疏的空间分布、显著的空间变异性, 以及由LAI体现的植被盖度随距河道距离的负指数下降规律是荒漠河岸带植被空间结构的3个基本特征。     

小兴安岭2种阔叶树种叶面积和叶干质量经验模型的构建

快捷、准确地测定植被的叶面积(LA)和叶干质量(LM)是叶型几何学和植物功能学的基础工作之一,不仅对研究叶形态学和生物量估计有重要意义,而且对深入了解植被对气候变化的响应机制至关重要.本研究以温带落叶阔叶树种裂叶榆和青楷槭为研究对象,分别构建叶面积、叶干质量与叶片结构参数(如叶长L,叶宽W)间的经验模型,阐明经验模型的类型(线性或非线性)及最优自变量的选择是否存在种间差异,最后评估经验模型的预测精度.结果表明: 预测裂叶榆和青楷槭叶面积的最优经验模型分别为LA=0.614L^1.468W^0.464和LA=0.865(LW)^0.933;预测叶干质量的最优经验模型分别为LM=0.003L^1.537W^0.365和LM=0.001L^2.318.利用最优经验模型预测裂叶榆和青楷槭叶面积的精度分别为88%和96%,预测叶干质量的精度分别为73%和83%.基于预测叶面积和叶干质量的经验模型,可在非破坏性条件下间接地测定2种树种的比叶面积,预测精度分别为83%和90%.研究结果可为高效测定叶片水平上的叶性状及其动态变化提供技术支持.     

三江平原植被水分利用效率时空变化及其对气象因子变化的响应

水分利用效率(water use efficiency,WUE)是陆地生态系统响应全球变化的重要参数,分析区域生态系统WUE的变化特征及其与气象因子之间的响应关系,对于区域生态系统碳水循环研究以及水资源的科学管理具有重要意义。本文以三江平原为研究区,基于MODIS GPP和ET遥感数据、气象数据以及2000年、2014年土地覆盖数据,分析2000-2014年间植被WUE的时空变化特征以及植被WUE与关键气象因子之间的响应关系,并分析了土地覆盖变化下各植被类型WUE的变化特征。结果表明:三江平原WUE年均值变化呈波动式减少趋势,多年平均植被WUE为1.44 g C·kg^-1H2O;WUE年内变化均近似呈"单峰型"曲线,1-3月及11、12月,WUE均处于最低值,在植被生长季(5-9月)期间,WUE均较高;季节WUE均值由高到低依次为夏季>秋季>春季>冬季;各植被类型WUE年内变化呈"双峰型"曲线,峰值主要分布在4-6月和9月;不同植被类型的年均WUE值从大到小依次为:混交林>针叶林>阔叶林>草地>耕地>永久湿地;三江平原植被WUE与降水、相对湿度、水气压呈正相关,与气温、日照时数呈负相关;随着耕地面积的减少,耕地WUE增加了11.1%,随着落叶阔叶林、草地面积的增加,其植被WUE分别增加了12.8%、15.9%。     

稀疏植被区空气动力学粗糙度特征及遥感反演

应用中国西北半干旱区定西试验站2005年观测资料,估算了典型的稀疏农作物区空气动力学粗糙度,结合空气动力学模型分析了稀疏植被区空气动力学粗糙度的时间变化及其与风速、植株密度的关系,并得出空气动力学粗糙度的参数化方案;结合卫星遥感得到的植被叶面积指数资料,模拟了区域空气动力学粗糙度,得出:(1)空气动力学粗糙度的时间变化与风速变化规律有相反的特点;在稀疏植被区,粗糙单元分布密度对流场有一定影响,随粗糙单元密度的增加,空气动力学粗糙度将逐渐增大。(2)植株高度超过0.2m时,植被高度和植株密度、叶面积指数对空气动力学粗糙度的影响较大,当植株高度低于0.2m时,风速的影响较大。(3)结合遥感反演的叶面积指数,采用空气动力学粗糙度和叶面积指数及风速的关系,反演了空气动力学粗糙度,反演结果空间分布和误差都反映了实际空气动力学粗糙度的特征,证明空气动力学粗糙度遥感参数化比较成功。     

羊草绿叶氮、磷浓度和比叶面积沿氮、磷和水分梯度的变化

全球气候变化包括氮沉降增加和降水格局改变, 影响着生态系统的生物地球化学循环, 进而可能会对植物的养分保持特性产生影响。研究不同氮、磷和水分梯度上植物叶片养分特性的响应格局, 对于预测氮沉降增加和降水格局的改变对植物养分策略的潜在影响, 具有一定的理论与实践意义。该研究通过3个盆栽控制实验 (施氮肥实验:0、0.5、1、2、4、8、16、32、64和128g·m-2等10个水平;施磷肥实验:梯度同施氮肥实验;控水实验:3600、 4000、4500、5143、6000、7200、9000、12000、18000和36000ml-pot-1等10个水平), 探讨了羊草 (Leymuschinensis) 绿叶氮、磷浓度和比叶面积 (Specificleafarea, SLA) 对这些环境因子改变的响应。结果表明, 在一定范围内, 施氮肥提高了羊草绿叶比叶面积和绿叶氮浓度, 但对绿叶磷浓度没有明显的影响;施磷肥显著提高了绿叶比叶面积、绿叶氮浓度和绿叶磷浓度;供水量增加提高了羊草绿叶比叶面积, 降低了绿叶氮浓度, 但对绿叶磷浓度无显著影响。这表明, 氮、磷和水分因子的改变影响了植物叶片的养分保持能力, 且不同梯度的影响程度也不同。因此, 全球气候变化可能影响植物养分利用策略, 进而可能对植被-土壤系统养分循环产生影响。     

卫星遥感监测产品在中国森林生态系统的验证和不确定性分析——基于海量无人机激光雷达数据

准确获取森林结构参数对森林生态系统研究及其保护有着重要意义。卫星遥感数据作为获取大尺度森林结构参数的重要数据源, 已被制作成各种植被监测产品并被应用于森林质量状况变化评估、森林生物量估算以及森林干扰和生物多样性监测等研究。然而, 这些卫星遥感植被监测产品针对中国复杂多样的森林区域缺乏有效验证, 在不同林况和地形条件下的不确定性也不明确。激光雷达具备高精度三维信息采集的优势, 在国内外已被广泛用于森林生态系统监测和卫星遥感产品验证。为此, 该研究利用在中国114个样地收集的153 km²的无人机激光雷达数据, 构建了我国森林结构参数验证数据集, 并以此为基础对3套全球遥感监测产品(全球叶面积指数(GLASS LAI)、全球冠层覆盖度(GLCF TCC)、全球冠层高度(GFCH))进行了像元尺度的验证, 并分析了其在不同坡度、覆盖度和林型条件下的不确定性。研究结果表明: 与无人机激光雷达获取的叶面积指数、覆盖度以及冠层高度相比, GLASS LAI、GLCF TCC、GFCH在中国森林区域均存在一定的不确定性, 且受林况和地形因素影响的程度不一致。对GLASS LAI和GLCF TCC影响的最大因素分别为林型和覆盖度; 而GFCH则更易受地形坡度和覆盖度的影响。     

高寒内陆河流域植被覆盖增加对地下水补给的影响

地下水是干旱区内陆河流域的主要基础性资源,对流域生态安全、可持续发展等具有重要意义。干旱/半干旱区的地下水补给比湿润地区更易受到地表覆盖条件的影响。为揭示干旱区内陆河流域植被覆盖增加对地下水补给的影响,以巴音河中下游为例,针对土壤和水评价工具(SWAT)模型未有效考虑降水、地形等因素对植被覆盖影响的缺陷,改进SWAT模型,采用全球地表卫星叶面积指数(GLASS LAI)数据代替其LAI计算模块,再结合SWAT土地利用更新模块,准确刻画区域植被覆盖变化。将改进后的SWAT模型与模块化有限拆分地下水流耦合(MODFLOW)模型耦合,准确模拟并分析植被覆盖增加对流域地下水补给的影响。结果表明：基于植被动态变化的土壤和水评价工具与模块化有限拆分地下水流耦合模型(DVSWAT-MODFLOW)模型的月蒸散发及月地下水位模拟效果较好;巴音河中下游2019年林地及草地面积以及LAI较2001年明显增加;2019年植被覆盖情况对应的年际及月际尺度地下水补给量较2001年分别减少了6.1—26.52 mm以及0—15.03 mm;植被覆盖增加对年际尺度地下水补给量的影响强弱在一定程度上取决于年降水量,对...     

植被年际变化对蒸散发影响的模拟研究

利用通用陆面模式(CLM3.0)及其植被动力学模式(DGVM)研究植被覆盖度(FC)和叶面积指数(LAI)的年际变化对全球蒸散发的影响。设计两套实验方案,其植被的FC和LAI的气候态相同,但一套实验中植被的FC和LAI有年际变化,而对照实验中则没有。结果表明:(1)在草、灌木、树占优势的地区植被FC年际变化依次减小;LAI年际变化较大的地区集中在草和灌木覆盖的地区,在落叶林地区,春秋两季植被LAI的年际变化也较大。(2)全球树占优势的大部分地区,植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少;而在灌木和草覆盖区,变化则大致相反。(3)低纬度地区蒸散发季节循环变化比较明显,而北半球中纬度地区,蒸散发变化明显区随着纬度增加而在时间上向后推延。(4)FC和LAI年际变化较大时,蒸散发及地表蒸发降低,而蒸腾增加;这些差异随FC和LAI年际变化的增加而增加。单点分析进一步表明植被年际变化不仅改变蒸散发的多年平均值,同时改变其分量间的相对比例。     

2000—2018年辽河流域植被NDVI变化及其与温度、降水的响应关系

在全球气候变暖的背景下, 研究流域植被覆盖度的时空变化及对气候变化的响应对辽河流域的生态环境建设具有重要参考价值。基于2000—2018年研究区分辨率为250 m×250 m的MODIS-NDVI遥感数据、同期流域温度和降水量数据, 借助MVC最大合成、变异系数、趋势分析、Hurst指数、偏相关分析等方法, 得出辽河流域近19年植被覆盖空间分布、变化特征、演变趋势以及气象要素对NDVI变化的响应关系。结果表明: (1)在时间上, 辽河流域19年来NDVI月平均波峰值集中在6—8月份, 7月份达到最大。在年际变化方面, 辽河流域植被覆盖呈缓慢增长的趋势。(2)在空间上, 辽河流域植被覆盖度整体较好, 空间分布由东向西递减, 低植被覆盖区域(<0.3)约占流域总面积的37.78%, 高植被覆盖区域(>0.4)约占流域总面积的14.93%。(3)植被覆盖变异方面, 研究区整体呈低和较低波动的变化状态, 共占90.60%。东西区域的波动差异较为明显。(4)在变化趋势上, 约46.50% 的地区植被覆盖得到了改善, 约36.99% 的区域植被覆盖基本没有发生变化。(5)温度、降水对辽河流域植被生长整体表现为促进作用。近19年来辽河流域植被覆盖整体在不断改善。