基于遥感和地面数据的景观尺度生态系统生产力的模拟

描述了一个反映系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型(EPPML)．该模型以遥感图像作为数据源,从中获取影响植被生产力的重要变量——叶面积指数(LAI);主要对景观尺度生态系统的净初级生产力(NPP)和蒸散量的空间分布格局和时间动态进行模拟;用地理信息系统(GIS)手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换．本研究用EPPML对1995年长白山自然保护区的植被生产力进行了模拟,结果表明,EPPML可以比较准确地模拟该保护区主要植被的NPP．NPP的模拟值年均为0．680kgC·m^-2,变幅为0．105—1．241kgC·m^-2(82.1％),其中阔叶红松林的年NPP最高(1．084kgC·m^-2)．NPP年总量为1．332×10^6tC,以阔叶红松林和云冷杉林最高,分别为0．540×10^6tC和0．428×10^6tC．NPP的季节变化呈明显的单峰型,7月最大(6．13gC·m^2·d^-1)．NPP在夏季积累最多(0．465kgC·m^-2),春季次之,冬季最少。     

基于景观尺度过程模型的长白山地表径流量时空变化特征的模拟

运用已建立的景观尺度生态系统生产力过程模型EPPML对长白山自然保护区地表径流量的季节动态和空间分布特征进行了模拟,对其与环境因子间的相互关系进行了分析．模拟结果表明,长白山自然保护区地表径流量的季节进程表现出明显的三峰型,6月和9月出现低谷,8月达最大(2．58mm·d^-1),与土壤含水量的季节变化趋势十分相似．1995年地表径流量的模拟值平均为0．203m·年^-l,空间分布随海拔升高呈现明显增加的趋势,最高为高山流砾滩(0．619m·年^-1),最低为阔叶红松林(0．081m·年^-1)．年地表径流量与叶面积指数(LAI)呈极显著负相关指数关系(R^2＝0．857)．年地表径流量与气温和总辐射呈负相关关系(R^2分别为0．965和0．836),与降水量、相对湿度和风速呈正相关关系(R^2均大于0．950),还与土壤特性密切相关。     

深圳福田无瓣海桑-海桑林能量的研究

在研究生物量、生产力的基础上,对深圳福田无瓣海桑-海桑林中2种红树植物海桑和无瓣海桑各组分的干重热值、林分能量现存量、年能量净固定量进行了研究．结果表明,各组分样品干重热值有一定的差异,树叶干重热值最高,纫根干重热值最低;海桑各组分样品干重热值比无瓣海桑相应组分稍高．林分能量现存量(1999年10月)为84774．72kJ·m^2,其中无瓣海桑种群能量现存量为54693．26kJ·m^-2,占林分总的64．54％,海桑种群能量现存量为30051．46kJ·m^-2,占林分总量的35．46％．林分凋落物的能量归还量(1999年)为24549．54kJ·m^-2·年^-1,其中无瓣海桑种群的能量归还量为17223．99kJ·m^-2·年^-1,占总林分的70．16％,海桑种群的能量归还量为7325．55kJ·m^-2·年^-1,占总林分的29．84％．林分能量净固定量为50391．4kJ·m^-2·年^-1,其中无瓣海桑种群和海桑种群的能量净固定量为分别为31778kJ·m^-2·年^-1和18613．4kJ·m^-2·年^-1．     

华南亚热带山地土壤剖面有机质分布特征数值模拟研究

选择鼎湖山自然保护区两种植被带土壤剖面,利用有机质扩散—平移—分解模型,定量研究土壤有机质分布、更新与运移特征及其控制因子,为陆地生态系统有机质模型提供运行基础数据．数值试验表明,华南亚热带山地土壤剖面有机质分布遵从物质扩散、平移、分解规律;森林植被带土壤有机质快组分分解速率为0．483·年^-1,灌丛植被带土壤的为0．694·年^-1;两类剖面有机质慢组分、稳定组分的分解速率分别一致,为0．02·年^-1、0．001·年^-1;森林植被带土壤有机质扩散、平移系数分别为4和0．2mm·年^-1,灌丛植被带土壤相应参数分别为1和0．5mm·年^-1．有机质含量计算值与实测值的明显偏差出现在0～10cm土层,这很可能与土壤表层处于陆一气界面,受气候、环境变化直接影响有关;在中、下部,两种结果吻合较好,反映成土环境稳定．扩散作用对土壤剖面有机质分布影响显著,平移作用仅对上部0～10cm层段影响明显．对比分析表明,土壤有机质动态主要受剖面性状制约;提高地表植被初级生产力,快组分分解速率降低,有机质累积．     

两个林分水曲柳土壤种子库空间格局的定量比较

依据地统计理论和方法,采取规则网格数据结构的空间取样设计,在树种组成、林分密度及林下植被等均不相同的两个林分中设置样地,对水曲柳土壤种子库的空间格局进行了定量比较研究．结果表明,在水曲柳杨树等混生的样地1,种子库密度较大(158．1±96．7个·m^-2),异质性程度较高(C0+C＝0．549),格局尺度相对较大(4．52m),空间自相关因素引起的变异高达89．4％,随机变异仅占10．6％,格局变异呈现较高的自相似性(分数维值D＝1．728—1．865)．在水曲柳纯林中的样地2,种子库密度较小(57．4±44．7个·m^-2),异质性程度较低(C0+C＝0．125),且主要体现在相对较小的尺度范围内(2．59m),空间自相关变异占56．8％,随机因素对空间格局的影响较大(D＝1．906—1．960)．两样地之间种子库空间格局表现的尺度范围、强度及空间结构等有显著差异,林分空间异质性是导致这种差异的主要原因．     

2000-2018年京津冀地区植被净初级生产力时空演变及其驱动因素

基于MODIS-NDVI(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer, Normalized Difference Vegetation Index)、气象站点及植被类型数据, 采用改进的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach) 模型估算了2000-2018年京津冀地区NPP (Net Primary Productivity), 并采用趋势分析、相关分析等方法对该地区NPP时空分布特征及其影响因素进行了分析。结果表明: 1)时间上, 2000-2018年京津冀地区NPP整体呈增加趋势(slope=0.6535 gC·(m2·a)-1), 其中草地增速最快(slope=1.5123 gC·(m2·a)-1); 2)空间上, 2000-2018年年均NPP为349.96 gC·(m2·a)-1, 高值区主要集中在燕山山脉及太行山脉等地, 低值区主要集中在西北部高原以及东部沿海地区。西北高原及山地地区植被恢复显著, 中部及沿海区域NPP退化严重; 3)地形上, NPP随海拔升高呈“增加-减少-增加”的变化趋势, 随地形起伏度整体呈增加趋势, 不同植被NPP随地形的变化大致相同; 4)就相关性来看, NPP与气温整体呈负相关关系(r=-0.03), 与降水整体呈正相关关系(r=0.36), 降水对NPP影响更大; 5)就不同地形的NPP变化来看, 中海拔地区、丘陵及山地地区绿化趋势显著, 耕地、草地和林地恢复显著, NPP显著增加; 低海拔、低起伏度处, 受耕地NPP显著减少影响, 植被退化严重。     

北京山区侧柏林冠层-大气蒸腾导度模拟及环境因子响应

蒸腾导度模型是衡量冠层-大气界面水汽输出的重要阻力模型,研究其特征及对环境因子的响应,为揭示森林冠层-大气界面水汽输出阻力机制提供理论依据。以首都圈森林生态系统定位观测研究站侧柏林为研究对象,采用TDP热探针法测定侧柏林树干液流密度,同步监测光合有效辐射、饱和水汽压差、气温、风速等主要环境因子,分析冠层导度和空气动力学导度的动态变化,构建冠层-大气蒸腾导度模型并模拟,明确冠层-大气蒸腾导度对各环境因子的响应关系。结果表明:蒸腾导度季节变化表现为非生长季与冠层导度趋势一致,生长季与空气动力学导度趋势一致,全年均为单峰趋势。冬季蒸腾导度与冠层导度保持较稳定差值(45 mol m^(-2 )s^-1左右),其他季节蒸腾导度与冠层导度、空气动力学导度的最大差值,均在各季节冠层导度、空气动力学导度的峰值水平。全年日均蒸腾导度冬季最大(86.92 mol m^(-2 )s^-1),其他季节较小且稳定(40—50 mol m^(-2 )s^-1之间)。在非生长季各环境因子对蒸腾导度的影响与对冠层导度的影响基本一致,温度为主要影响因子(r=-0.198),其他环境因子影响较小(r<0.1);在生长季中风速为主要影响因子(r=0.488),光合有效辐射(r=0.228)和饱和水汽压差(r=-0.299)的影响明显升高,温度的影响降低(r=0.114)。蒸腾导度模型较好的模拟了冠层-大气界面侧柏蒸腾不同季节的变化规律,阐明了各环境因子和冠层导度、空气动力学导度对蒸腾导度的影响机制,证实在生长季应重视空气动力学导度对蒸腾的影响。     

2000-2008年中国东北地区植被净初级生产力的模拟及季节变化

利用GLOPEM-CEVSA模型模拟并分析了中国东北地区2000-2008年植被净初级生产力(NPP)时空分布格局及其影响因素,并以4个森林生态站点(大兴安岭、老爷岭、凉水和长白山森林生态站)为例研究了东北地区森林NPP季节变化特征及其环境驱动.结果表明:2000-2008年,东北地区植被年均NPP为445 g C·m-2·a-1;整个研究区沿长白山山脉到小兴安岭山脉地区以及三江平原部分地区的NPP最高,沿长白山山脉到小兴安岭山脉西侧的辽河平原、松嫩平原东部、三江平原和大兴安岭地区次之,西部稀疏草原和荒漠地区的NPP最低.东北地区森林生态系统年均NPP最高,其次为灌丛、农田和草地,荒漠最低.森林生态系统中,针阔混交林年均NPP最大(722 g C·m-2·a-1),落叶针叶林年均NPP最小(451 g C·m-2·a-1).研究期间,森林NPP无显著年际变化,其中2007、2008年较往年NPP大幅增加,很可能与该地区期间气温上升有关(较往年偏高1 ℃=～2℃).东北地区森林自北向南生长季开始时间逐渐提前,生长季变长.     

黄土高原草地净初级生产力时空动态及其影响因素

利用光能利用效率模型(Carnegie-Ames-Stanford approach,CASA)模拟2000-2015年黄土高原草地净初级生产力(NPP),分析黄土高原草地NPP的时空动态、NPP变化稳定性和持续性特征,从植被类型、地形因素、气候变化和人类活动4个方面探讨黄土高原草地NPP的影响因素.结果表明:黄土高原草地NPP的平均值为202.93 g C·m^-2·a^-1,其年际变化特征呈现显著增加的趋势,平均年增加速率为2.43 g C·m^-2·a^-1;分布具有明显的空间异质性,大体呈南高北低的状态.黄土高原草地NPP呈增加趋势的区域占总草地面积的91.2%,主要分布在陕西省的大部分地区、甘肃陇东及陇中地区和青海等地.草地NPP变化较为稳定的区域主要集中在鄂尔多斯的南部地区、陕北地区和甘肃等地.大部分地区草地NPP未来的变化趋势与过去一致,且陕西省的大部分地区以及甘肃省的陇中及陇东地区的草地NPP将呈现持续显著增加的趋势.坡面草地的平均NPP值最高,为703.37 g C·m^-2·a^-1;而高山亚高山草地NPP平均值最低,为57.28 g C·m^-2·a^-1.高海拔地区的草地NPP较高,而平原及丘陵地带草地NPP相对较低.研究期间黄土高原降水量的增加对草地NPP的增加具有明显的促进作用;人类活动诸如过度放牧状况的改善以及退耕还草等政策的实施对黄土高原草地NPP的增加也具有重要作用.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力(NPP)进行模拟.结果表明:1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO2浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征,植被NPP与CO2浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

基于3S的自然植被光能利用率的时空分布特征的模拟

 光能利用率（LUE）直接影响植被各层中的能量分布和光合速率,在确定环境对光合和地上部生长分配的综合限制上十分有价值,是衡量系统功能的一个重要指标。本研究以遥感图像（TM）作为数据源,获取了影响植被LUE的重要变量——叶面积指数（LAI）;用程序语言编写了描述系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型（EPPML）,对长白山自然保护区的太阳总辐射、净初级生产力（NPP）和LUE等的季节动态和空间分布进行了模拟;并用地理信息系统（GIS）手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现了将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换。EPPML可以比较准确地模拟长白山自然保护区景观尺度上主要植被类型的NPP和太阳总辐射,对LUE的模拟结果也大多在我国森林的LUE范围之内,但对不同植被类型LUE的验证因实测数据不足,仅做了初步比较。模拟结果表明,长白山植被的LUE与NPP的季节进程十分近似,7月可达2.9%。春、夏、秋、冬四个季节植被LUE的模拟平均值分别为0.551%、2.680%、0.551%和0.047%。植被年LUE的模拟值平均为1.075%,在-3.272%～3.556%之间变化,阔叶红松(Pinus koraiensis)林最大（1.653%）,高山流砾滩草类最小（0.146%）。阔叶红松林的LUE虽然较高,但仍有很大的增长潜力。     

利用GIS和RS确定长白山自然保护区森林景观分布的环境范围

在对遥感数据进行景观分类和对环境因子进行空间表达基础上,在地理信息系统的支持下,确定长白山自然保护区森林景观分布的环境(包括年均温、年降水量、坡度和坡向)范围．结果表明。从苔原、岳桦、云冷杉到阔叶红松林,最适海拔高度范围依次为1780—2212、1705—1956、1042—1625、823—1184m;最适温度范围分别为-4．75～-2．40℃、-3．42～-2．07℃、-1．49—1．39℃、0．71—2．37℃;最适降水范围分别为1034～1110、1014—1060、883—1017、824—925mm;长白山自然保护区的森林景观主要分布在平、缓坡地上,并与坡向关系密切。苔原在各个坡向上均有分布。且在各个坡向上分布面积的变化不大;岳样、云冷杉林、阔叶红松林、山杨白样林主要呈现北、西北向分布,其次为东北、西向分布;落叶松林主要为东北向分布。其次为东和北向分布;疏林主要为西向分布,其次为西南、西北和南向分布;风倒区主要为西、西南、西北向分布。     

长白山红松年轮碳同位素与净初级生产力的关系

解析树木年轮碳同位素变化是揭示气候与环境变化的有效途径,然而少有研究分析年轮碳同位素对森林净初级生产力(NPP)的指示效应.基于生长季气象因子,分析了长白山红松年轮δ¹³C记录序列与阔叶红松林红松种群NPP变化趋势以及两者之间的相关关系.结果表明: 1970年以前,研究区红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化同步,且两者间呈极显著线性正相关关系,年轮δ¹³C记录了气候变化对红松种群NPP的影响;1970年以后,红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化出现分异,两者呈负相关关系但相关性不显著,表明干旱等其他环境因子的影响使年轮δ¹³C对气候变化的敏感性和对NPP指示性降低.这一相关关系在红松年轮δ¹³C与当年和下一年红松种群NPP之间都存在,表明当年环境状况对来年红松生长的重要意义.说明长白山红松年轮δ¹³C对红松种群NPP有良好的指示性,树木年轮δ¹³C有重建森林历史NPP长期变化的潜力.     

气候变化对阔叶红松林不同演替阶段红松种群生产力的影响

本文以长白山地区阔叶红松林不同演替阶段(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始红松林)内红松种群作为研究对象,采用树轮学与相对生长式相结合,获取红松种群净初级生产力(NPP)连年生长(1921—2006年)数据以及相对增长率的年际变化数据,建立红松种群NPP与年际和季节性气候因子的关系,分析不同气候时期长白山阔叶红松林不同演替阶段内红松种群NPP年际变化特征及其对气候变化的响应差异.结果表明： 研究期间,不同演替阶段红松种群NPP与气候因子响应关系存在差异.随着温度上升,次生杨桦林红松种群NPP与上年生长季和当年生长季低温由显著负相关关系转变为显著正相关关系;次生针阔混交林红松种群NPP由与当年春季最低温度的正相关关系转变为与上年和当年生长季温度的显著正相关关系,气候因素对次生针阔混交林红松种群NPP影响的滞后效应增强;原始红松林红松种群NPP与温度的相关性减弱,与上年生长季降水量的正相关关系增强.研究区气候变化表现为低温和平均温度显著上升,而最高温度和降水没有明显变化.气候变化有利于提高演替初级阶段次生杨桦林和演替中级阶段次生针阔混交林内红松种群生产力,尤其是次生针阔混交林,而对演替顶极阶段红松种群NPP影响不明显.     

长白山阔叶红松林生态系统土壤呼吸作用研究

 用密闭静态箱式法观测了长白山阔叶红松林生态系统生长季中的土壤呼吸作用。结果表明,长白山阔叶红松林生态系统土壤呼吸作用日动态呈单峰曲线,在18∶00左右达到最大值。土壤呼吸作用在生长季中的动态呈单峰曲线,7月最大。6、7、8、9各月平均土壤呼吸作用分别为0.22、0.32、0.23和0.13 gC·m-2·h-1。温度升高可以提高土壤呼吸作用强度,地下5 cm的土壤温度比气温更能准确地反映土壤呼吸作用的动态变化;土壤水分含量在一定范围内增加可使土壤呼吸作用强度增加,但水分过多也会对土壤呼吸产生抑制作用而导致土壤碳排放减少。     

Spatiotemporal patterns and drivers of net primary production in the terrestrial ecosystem of the Dajiuhu Basin,China, between 1990 and 2018

Net primary production (NPP) plays a vital role in both the evolution of ecosystems and the terrestrial carbon cycle and is influenced by geographical conditions and climate change. Understanding the terrestrial carbon balance requires an in-depth knowledge of the relationships between NPP and geographical and climatic conditions. This study aimed to simulate and map the daily spatiotemporal features of terrestrial NPP in the Dajiuhu Basin (DB), China, using the BEPS-TerrainLab V2.0 model. This area is highly sensitive to climate change and is a water source in the central path of the South-to-North Water Transfer Project. Changes in the distribution of daily and seasonal NPP between 1990 and 2018 were examined using the Mann-Kendall (MK) test, the moving t-test (MTT), and multiple regression analyses. It was found that: 1) The model explained 79% of the variation in eddy covariance (EC)-tower-measured NPP, and could thus be applied to the DB; 2) The mean annual NPP in the DB between 1990 and 2018 was 705 g C/m²/yr, with the terrestrial NPP decreasing before 1999 (−31.8 g C/m²/yr) and increasing after 1999 (0.87 g C/m²/yr); 3) The NPP first increased and then decreased with increasing altitude, with higher NPP values mainly found in the mountains on the periphery of the basin and lower NPP values in the central basin;4) Changes in NPP during autumn and summer contributed the most to the annual NPP trend. Temperature and NPP were positively correlated in summer and autumn, whereas they were negatively correlated in spring and winter. Precipitation and NPP were positively correlated in spring, autumn, and winter; 5) The sensitivities of NPP to temperature and precipitation differed across the different seasons. The sensitivities of the annual NPP to temperature and precipitation decreased and increased, respectively, compared with those before 1999. Although the contribution of precipitation to the NPP trend became more significant after 1999, that of temperature decreased. This study proposes an approach for a detailed study of daily changes in NPP and for examining the link between environmental factors, climatic conditions, and NPP distribution.     

广东省2004-2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004-2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明：（1）2004-2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。（2）广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。（3）森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。