黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

地表水热要素在青藏高原草地退化中的作用

在全球气候变暖和频繁的人类活动影响下,青藏高原草地生态系统发生了生产力下降、生物多样性减少及生态功能退化等一系列现象。与传统观测技术相比,遥感技术具有大范围、快速和连续监测等优点,因此被广泛用于区域尺度的草地植被长时间序列监测。以往对青藏高原草原植被影响因子的研究多集中在气温与降水,而相比较于气温和降水,地表温度和土壤湿度直接作用于植物的根部,对植物种子的萌芽和植株的生长也都有着重要影响,所以地表温度和土壤湿度与植被生长的关系更加紧密。基于遥感技术,利用青藏高原草地区域的MODIS和AVHRR数据,选择草地植被覆盖度作为草地退化的遥感监测指标,建立了青藏高原草地退化遥感监测和评价指标体系,并对青藏高原2001-2017年的草地退化状况进行了遥感监测和评价。同时,利用遥感数据获取青藏高原区域尺度的地表温度和温度植被干旱指数数据,用于指示地表水热状况,最后基于回归方法分析了地表水热要素在青藏高原草地退化中的作用。结果表明：从2001-2017年,青藏高原植被退化程度空间差异明显,柴达木盆地和青海湖附近退化较为严重,喜马拉雅山脉北部、昆仑山脉南部、冈底斯山脉北部交汇的地区退化也较严重。在2001-2017年间,青藏高原草地未退化面积从50.60%上升到59.00%,说明青藏高原草地整体上在朝着改善的方向发展。2001-2017年内,青藏高原草地整体上大部分时间处于轻度退化状态,但是2001年和2015年这两个年份青藏高原草地退化整体上达到中等退化水平。通过回归分析发现,土壤湿度主导的对青藏高原草地的影响面积达到14.04%。地表温度主导的影响面积达到草地总面积的约36.61%。但地表温度与植被之间相互影响,且主要呈现负相关关系。其中,在温性草甸地区,当植被覆盖度较低时,地表温度正向影响植被生长。     

印度农田扩张对区域气候影响的数值模拟

选取耕地面积居世界第二位的印度作为研究区域,利用中国自主研发的区域气候模式(RIEMS2.0)和土地利用变化资料,进行潜在植被和雨养农田的长时间积分模拟对比试验,分析了印度农田扩张对区域气候的影响及其机制。结果表明:农田扩张使得印度区域平均气温升高0.1℃,平均降水强度减少0.1 mm·d~(-1),总降水量减少12.8%;农田扩张的气候效应存在明显区域差异和季节差异,在副热带湿润区气温增加0.5~1.0℃,在干旱和半干旱区气温增加0.3~0.5℃,在热带地区气温则下降;农田扩张使得季风前期和冬季气温分别增加0.5℃和0.2℃;季风后期气温降低0.5℃,季风季节气温没有明显变化;在副热带湿润区、干旱和半干旱区降水明显减少,干旱季节特别是季风前期降水减少最为显著,达到0.3 mm·d~(-1);印度农田扩张使得年平均感热通量增加、潜热通量减少,其中植被的蒸散作用引起的潜热通量的变化,尤其是季风前期潜热通量明显减少,是区域气温升高、降水减少的重要原因;农田扩张使得印度大陆上空(850 h Pa高度)受较弱的辐散环流控制,辐散下沉气流是造成当地气温升高、降水减少的又一原因。     

敦煌绿洲夏季典型晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征

 利用“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”加强期(IOP)在甘肃省敦煌绿洲观测的资料,系统地分析了夏季典型晴天敦煌地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征,结果发现：敦煌绿洲总辐射特别大,其峰值高达1 038.1 w·m-2;地表净辐射也高于其它地区,白天能超过600 w·m-2;在地表能量分配中,感热、潜热和地热流量的日积分值的量级相当,白天地热流量比潜热要大,几乎与感热相当;地表反照率除中午比较接近荒漠戈壁的值外,其它时候均明显比荒漠戈壁的值小;Bowen比在白天1～2之间,比一般灌溉地区要大。地表能量不平衡差额较大,这可能与水平热通量的影响有很大关系。另外,还首次发现了比较可观的下沉气流,部分证实了绿洲与荒漠之间存在的热力环流。     

青藏高原全新世花粉记录

全新世青藏高原的花粉记录,反映高原东南部和西北部截然不同的孢粉类型。东南部主要国常绿硬叶种类及潮湿亚热带成分。而西北部几乎没有乔木树种花粉,主要为干旱灌丛和草原成分。文中根据青藏高原２０个湖沼孢粉资料,探讨了青藏高原全新世不同时段、不同地区的植被史及古气候状况。由于高原的特殊大气环流形势,夏半年受西南季风控制,由东南向西北,水份逐渐减弱;冬半年高原面受干冷西风环流影响,致使气候寒冷干燥。全新世植被     

内蒙古温带荒漠草原生态系统水热通量动态

基于2008年全年内蒙古温带荒漠草原的水热通量观测数据,对荒漠草原水、热通量的日、季动态进行了分析.结果表明：温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日动态均呈单峰型曲线,在12:00-13:30左右达最大值,其与地表净辐射的日变化趋势基本一致,但感热和潜热的峰值出现时间较地表净辐射峰值出现时间滞后约1 h;温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日累积最大值分别为319.01和425.37 W·m^-2,分别出现在5月30日和6月2日;月均感热通量与潜热通量的最大值分别出现在5月和6月,最小值分别出现在1月和12月.研究区土壤含水量与降水的相关性较好,表层土壤含水量对降水的反应最敏感,深层土壤水分对降水的反应存在位相滞后.感热通量和潜热通量的季节动态与地表净辐射基本一致,均受降水影响.感热通量受地表净辐射的影响明显,而潜热通量对降水的反应较敏感,且土壤含水量在潜热通量中起主要作用.     

青藏高原植被覆盖时空变化及其对气候因子的响应

研究青藏高原植被覆盖时空分布特征对加深气候变化的认识及生态环境保护具有重要的生态价值和现实意义。利用2000—2016年MODIS NDVI 1km/月分辨率数据以及气象观测数据,采用最大合成法、趋势性分析以及相关分析方法,探讨了不同时间尺度青藏高原地区NDVI的分布特征及其与降水、气温的关系。结果表明:(1)青藏高原东南部植被状况明显好于西北部,植被覆盖的分布格局与区域水热条件的时空分布保持了较好的一致性;近17年来青藏高原植被覆盖改善的地区要比退化的地区面积大,严重退化的区域主要位于青藏高原西南部;青藏高原NDVI值在2000—2016年呈幅度较小的增加趋势。(2)除夏季降水量外,研究时段内其他季节降水量均呈增加趋势;气温均呈增加趋势,尤其以春季增加最为显著,整体上青藏高原气候呈现"暖湿化"趋势。总体上年降水量与年最大合成NDVI呈较好的正相关;年平均气温与年最大合成NDVI在高原东南部呈正相关,西南部呈负相关。降水量和热量条件均是高原植被生长的影响因素,降水与植被覆盖的影响较气温密切。     

黄土高原植被恢复引发区域气温下降

黄土高原退耕还林(草)等生态恢复工程促进了地表植被覆盖增加,进而通过影响地表-大气之间热量交换影响区域气候过程。基于黄土高原1998—2000年和2008—2010年SPOT卫星反演的植被覆盖资料、54个地面气象站气温资料及EIN-Interim地表热通量数据,采用空间分析交叉验证及地表热量平衡分析的方法,从站点尺度探讨了退耕还林(草)工程初期和10年后黄土高原植被变化与气温和地表热通量变化之间的关系。研究表明,退耕还林(草)工程开展10年后,黄土高原气温最小值、最大值与平均值均有下降,植被覆盖增加与气温变量降低在空间上呈正相关。同时,植被覆盖增加与潜热通量增加、感热通量与大气下行长波辐射下降在空间上也呈正相关关系。这些结果表明,植被恢复可通过增加地表蒸散发作用对区域气候产生降温效应,会减缓气温升高对黄土高原生态系统的影响。     

祁连山地区植被特征及其分布规律

分析和讨论了祁连山地区主要植被类型及其分布特征。祁连山地区随着青藏高原的强烈隆升表现为整体抬升,植被具有明显的生态地理边缘效应特征和高原地带性规律。该区植被虽然受到四周的较大影响,但各类高寒植被占有绝对优势,表现出与青藏高原植被整体明显的相似性和广泛的一致性。另一方面,本区植被也有其特殊性及与高原面存在一些差异。因此,建议把祁连山地区做为青藏高原植被区的次一级独立单元     

敦煌绿洲夏季典型晴天地表福射和能量平衡及小气候特征

利用“我国西北干旱区陆－气相互作用试验”加强期（IOP）在甘肃省敦煌录洲观测的资料,系统地分析了夏季典型晴天敦煌地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征,结果发现：敦煌绿洲总辐射特别大,其峰值高达1038．1w.m^-2,地表净辐射也高于其它地区,白天能超过600w.m^-2,在地表能量分配中,感热,潜热和地热流量的日积分值的量级相当,白天地热流量比潜热要大,几乎与感染相当;地表反照率除中乖比较接近荒漠戈壁的值外,其它时候均明显比荒漠戈壁的值小：B比在白天1－2之间,比一般灌溉地区要大,地表能量不平衡差额较大,这可能与水平热能量的影响有很大关系,另外,还首次发现了比较可观的下沉气流,部分证实了绿洲与荒漠之间存在的热力环流。     

喀斯特城市地表水热通量的时空变化研究

针对我国西南地区桂林喀斯特城市近20多年来快速扩展所引发的热环境问题,改进METRIC模型使其适用于喀斯特城市实际状况,利用模型和1994—2015年5景Landsat遥感图像反演地表水热通量,分析通量时空变化规律。结果表明,潜热通量从高到低依次为水体、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、建筑/道路和裸土、喀斯特山峰裸岩,显热通量从高到低依次为喀斯特山峰裸岩和建筑/道路、裸土、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、水体。水热通量随时间的变化受地表覆盖变化的影响,研究区波文比(显热通量与潜热通量比值)在1994年最高,达到1.62,2000年下降到1.24,之后逐渐升高至2015年的1.51。城市扩展过程出现的显热高值区和潜热低值区比例低于10%,其变化引发显热中低值区和潜热中高值区比例的变化,显热高值区最高比例在1994年(10.0%),2000年下降到5.4%,之后至2010年逐渐上升到9.4%,但2015年下降到7.1%,潜热低值区比例的变化趋势与显热高值区比例基本相同。植被覆盖度(Vegetation fraction,Pv)在0.1—0.8范围时对水热通量的影响相对更显著,Pv增加0.1,显热通量降低8—27 W/m~2,而潜热通量升高8—24 W/m~2。喀斯特山峰植被保护和城区地面绿化建设对喀斯特城市热环境的改善至关重要。     

季节性干旱对中亚热带人工林显热和潜热通量日变化的影响

植被与大气间的显热和潜热通量的日变化是大气过程和植被生理过程的显著标志。本研究利用ChinaFLUX千烟洲站典型的夏季雨热不同季的季节性干旱的试验条件,探讨了2003年季节性干旱对该生态系统显热和潜热通量日变化变异幅度和峰值时间的影响。研究表明：显热通量的日变化变异幅度年平均值为176 W/m2。潜热通量的日变化变异幅度年平均值为171 W/m2。显热通量到达日变化峰值的时间平均为11:57。全年潜热通量的日变化都在午后达到峰值,平均值为12:33。季节性干旱造成显热通量的日变异幅度明显增大,从144W m-2增加到321 W m-2。而潜热通量的日变异幅度明显降低,从324 W/m2减小到198 W/m2。,显热和潜热通量日变异幅度的相对变化明显增大,从-165 W/m2增加到76 W/m2,气温和饱和水汽压差是影响显热和显热日变异幅度及其相对变化的主要控制因素。干旱胁迫期,深层水对显热通量日变化变异幅度及其与潜热通量日变化变异幅度的相对变化的作用更显著,而潜热通量日变化变异幅度与气象要素关系不显著。季节性干旱造成显热通量日变化的峰值时间和显热和潜热通量日变化峰值时间的相对变化明显向下午偏移,显热通量日变化的峰值从上午11:31到中午12:17,相对变化从1小时到1小时20分钟。季节性干旱对潜热通量日变化峰值时间没有显著的影响。非干旱胁迫期,显热通量日变化峰值时间和显热及潜热通量日变化峰值时间的相对变化均与气温负相关,而干旱胁迫期,则与气温正相关。潜热通量日变化峰值时间与气象要素关系均不显著。该生态系统显热和潜热通量日变化峰值的相对变化主要受降水量的季节分配控制,在干旱胁迫期降水的作用更加明显。潜热和显热通量日变化峰值时间的相对变化总体上都受植被与大气间的耦合程度控制。     

Late Pliocene vegetation and climate of Zhangcun region,Shanxi, North China

To understand the Neogene climatic changes in eastern Asia and evaluate the intercontinental climatic differences, we have quantitatively reconstructed the vegetation successions and climatic changes in the late Pliocene Zhangcun area based on the palynological data and explored the regional climatic differences between central Europe and eastern Asia. The late Pliocene palynological assemblage of Zhangcun, Shanxi was composed of 63 palynomorphs, belonging to 50 families, covering angiosperms (90.2%), gymnosperms (9.7%), ferns (0.09%), and other elements (0.02%). Four periods of vegetation succession over time were recognized. In period 1, a needle‐ and broad‐leaved mixed forest prevailed with a cool and dry climate. Period 2 was characterized by an expansion of forest with a warmer and wetter climate. The number of conifers increased and that of herbs decreased in period 3, and the climate became cool and dry. In period 4, the forest was dominated by conifers and reflecting a cooler climate. The data of seven climatic parameters in general and four periods estimated by the Coexistence Approach suggested that (1) The late Pliocene temperatures and precipitations were higher than today. (2) The Neogene climate of both Central Europe and North China exhibited a general cooling and drying trend although the mean annual temperature dropped by ca. 1 °C in North China, vs. ca. 7 °C in Central Europe from the middle Miocene to the late Pliocene. (3) The decline of the mean maximum monthly precipitation might signal a weakening of the summer monsoon. (4) The decline of both the mean coldest monthly temperature and the mean minimum monthly precipitation might be linked to the strengthening of the winter monsoon in eastern Asia. (5) The rapid uplift of the Tibetan Plateau strengthened the climatic cooling and drying during the late Pliocene of the Zhangcun region.     

Moisture‐induced greening of the South Asia over the past three decades

South Asia experienced a weakening of summer monsoon circulation in the past several decades, resulting in rainfall decline in wet regions. In comparison with other tropical ecosystems, quantitative assessments of the extent and triggers of vegetation change are lacking in assessing climate‐change impacts over South Asia dominated by crops. Here, we use satellite‐based Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) to quantify spatial–temporal changes in vegetation greenness, and find a widespread annual greening trend that stands in contrast to the weakening of summer monsoon circulation particularly over the last decade. We further show that moisture supply is the primary factor limiting vegetation activity during dry season or in dry region, and cloud cover or temperature would become increasingly important in wet region. Enhanced moisture conditions over dry region, coinciding with the decline in monsoon, are mainly responsible for the widespread greening trend. This result thereby cautions the use of a unified monsoon index to predict South Asia's vegetation dynamics. Current climate–carbon models in general correctly reproduce the dominant control of moisture in the temporal characteristics of vegetation productivity. But the model ensemble cannot exactly reproduce the spatial pattern of satellite‐based vegetation change mainly because of biases in climate simulations. The moisture‐induced greening over South Asia, which is likely to persist into the wetter future, has significant implications for regional carbon cycling and maintaining food security.     

Impacts of elevated CO2 concentration on the productivity and surface energy budget of the soybean and maize agroecosystem in the Midwest USA

The physiological response of vegetation to increasing atmospheric carbon dioxide concentration ([CO₂]) modifies productivity and surface energy and water fluxes. Quantifying this response is required for assessments of future climate change. Many global climate models account for this response; however, significant uncertainty remains in model simulations of this vegetation response and its impacts. Data from in situ field experiments provide evidence that previous modeling studies may have overestimated the increase in productivity at elevated [CO₂], and the impact on large‐scale water cycling is largely unknown. We parameterized the Agro‐IBIS dynamic global vegetation model with observations from the SoyFACE experiment to simulate the response of soybean and maize to an increase in [CO₂] from 375 ppm to 550 ppm. The two key model parameters that were found to vary with [CO₂] were the maximum carboxylation rate of photosynthesis and specific leaf area. Tests of the model that used SoyFACE parameter values showed a good fit to site‐level data for all variables except latent heat flux over soybean and sensible heat flux over both crops. Simulations driven with historic climate data over the central USA showed that increased [CO₂] resulted in decreased latent heat flux and increased sensible heat flux from both crops when averaged over 30 years. Thirty‐year average soybean yield increased everywhere (ca. 10%); however, there was no increase in maize yield except during dry years. Without accounting for CO₂ effects on the maximum carboxylation rate of photosynthesis and specific leaf area, soybean simulations at 550 ppm overestimated leaf area and yield. Our results highlight important model parameter values that, if not modified in other models, could result in biases when projecting future crop–climate–water relationships.     

九寨沟针阔混交林能量平衡特征

青藏高原及其周边地区的能量交换过程是推动我国及东亚地区天气过程演变与气候变化的重要因素。青藏高原及其周边山谷地区与青藏高原—四川盆地过渡区具有独特的大气边界层热力结构,其能量收支研究不可忽视,但由于长期观测数据的缺失,该地区的能量平衡特征尚未解明。以青藏高原东北边缘向四川盆地陡跌的过渡地带的典型亚高山河谷九寨沟的针阔混交林为研究对象,利用涡度相关系统,对九寨沟典型针阔混交林2014—2015年各能量通量进行了连续观测,分析了该生态系统能量平衡各分量的变化特征,讨论其能量闭合状况。结果表明:能量平衡各分量均与净辐射有相似的日变化、季节变化特征。与萌芽期、生长期、生长后期相比,冻土期各分量峰现时间均延迟2—3 h;而且各项绝对值大小在不同季节占比不同:冻土期和萌芽期显热通量为能量主要支出项;而生长期与生长后期潜热通量占主导地位。九寨沟2014与2015年生长期潜热通量占净辐射比值分别为0.69、0.75,远高于青藏高原其他地区。两年间研究区能量不闭合,能量闭合度分别为0.75,0.71。对于更好地理解高原山区和从高原到盆地的能量循环机理和动力学有着重要意义。     

Modern pollen representation of source vegetation in the Qaidam Basin and surrounding mountains, north-eastern Tibetan Plateau

We use a data set of 35 surface pollen samples from lake sediments, moss polsters and top soils on the north-eastern Tibetan Plateau to explore the relationship between modern pollen assemblages and contemporary vegetation patterns. The surface pollen transect spanned four vegetation zones––alpine meadow, steppe, steppe desert and desert––under different climatic/elevational conditions. Relative representation (R _rel) values and Principal Components Analysis (PCA) were used to determine the relationships between modern pollen and vegetation and regional climate gradients. The results show that the main vegetation zones along the regional and elevational transects can be distinguished by their modern pollen spectra. Relative to Poaceae, a high representation of Artemisia, Nitraria and Chenopodiaceae was found, while Cyperaceae and Gentiana showed values in the middle range, and Ranunculaceae, Asteraceae, Ephedra and Fabaceae had low relative representation values. PCA results indicate a high correlation between the biogeoclimatic zones and annual precipitation and annual temperature and July temperature. The Artemisia/Chenopodiaceae ratio and the Artemisia/Cyperaceae ratio are useful tools for qualitative and semi-quantitative palaeoenvironmental reconstruction on the north-eastern Tibetan Plateau. Surface lake sediments are found to have different palynomorph spectra from moss cushion and soil samples, reflecting the larger pollen source area in the contemporary vegetation for lakes.     

黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响.结果表明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为2.269×103 MJ/m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为1.210×103 MJ/m2、1.117×103 MJ/m2和0.069×103 MJ/m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型.从各能量分量占净辐射的比例来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气.草原生长期的能量闭合率为86.8％,非生长期的能量闭合率为76.5％.与未考虑0-5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了11.3％,非生长期能量闭合率提高了12.0％.