基于模型数据融合的千烟洲亚热带人工林碳水通量模拟

人工林生态系统是我国森林生态系统的重要组成部分,在全球碳平衡中的作用越来越受到重视.利用千烟洲亚热带人工针叶林通量观测站的碳水通量和气象观测数据,通过模型数据融合方法对碳水循环过程模型——SIPNET模型关键参数进行反演,模拟了2004-2009年千烟洲人工林生态系统的碳水通量.结果表明:仅用碳通量观测数据优化模型参数时,净生态系统碳交换量(NEE)模拟效果较好(R2=0.934),而生态系统蒸散(ET)模拟效果较差(R2=0.188);同时用碳水通量观测数据优化时,NEE模拟效果稍差(R2=0.929),但ET模拟效果显著提升(R2=0.824),说明利用碳水通量观测数据同时优化,SIPNET模型才能较好地模拟试验站点碳水通量.在此基础上,开展了人工林生态系统碳通量对降水变化响应的敏感性分析,发现降水量减少对光合作用的影响比对呼吸作用的影响更为强烈,且碳水通量同时参与优化时模型才能较好地模拟碳通量随降水减少而快速降低的趋势,表明如果不能同时利用碳水通量进行参数优化,模型无法正确揭示生态系统碳循环对降水变异的响应.     

杨树人工林生态系统通量贡献区分析

采取通量源区模型FSAM(Flux Source Area Model)利用2009年北京大兴区杨树人工林生态系统碳水通量涡度相关观测资料,分析了不同大气条件下生态系统的通量贡献区分布特征。研究结果表明:(1)该站通量贡献区随大气稳定条件增强而增大。除326.25°—3.75°方向生长季不稳定条件下外,生长季的通量贡献区范围普遍大于非生长季的贡献区范围;(2)通量贡献区与观测高度、冠层高度、地表粗糙度、风向以及大气稳定度有关,当风速风频较大,大气不稳定时,湍流扩散作用强烈,贡献区范围较小;(3)该观测场在2009年以不稳定大气条件为主,通量信息主要来源于距离观测塔50—400 m范围,且69.3%的信息来源于通量塔偏北风与偏南风方向,其中42.56%的信息来自于偏南风方向;(4)随着大气稳定程度加强,通量来源最少区从塔偏西方转为偏东方,在大气稳定度条件和风向的共同作用下,生长季时主要通量贡献区在塔偏南方向,而非生长季时主要通量贡献区在塔偏北方向。     

安吉毛竹林碳水通量及水分利用效率的日动态研究

利用涡度相关技术研究了2011 年6-9 月浙江省安吉县山川乡毛竹林碳水通量变化特征, 结合降水、净辐射、饱和水汽压差等气象数据, 分析了毛竹主要生长期内碳水通量耦合关系。结果表明: 毛竹林碳水通量变化白天呈现较高一致性, 变化曲线分别呈“U”型、单峰型。日尺度水分利用效率早晨较低, 正午前后达到最大, 后又下降, 呈现多个小峰的变化趋势; 月尺度9 月曲线波动较复杂, 有多个峰值, 8 月较平缓, 6、7 月份曲线较相似, 大小关系为9 月(8.58 mgCO2g–1H2O)>6 月(6.98 mg CO2g–1H2O)＞7 月(5.34 mg CO2g–1H2O)＞8 月(5.12 mg CO2g–1H2O)。水分利用效率与净辐射显著正相关, 与饱和水汽压差极显著负相关。6-9 月7:00-17:00 净生态系统生产力与水汽通量极显著正相关, 非线性的对数拟合(R2=0.6947)比线性拟合(R2=0.5947)有更好的相关性, 表明亚热带毛竹林碳水的耦合关系会因气候环境的变化而解耦, 原因可能是水热资源具有一定程度上分布不一致的特点, 不利于水资源的高效利用。     

基于Biome-BGC模型的若尔盖不同沙地类型土壤水分植被承载力对气候变化的响应

若尔盖地区是全球气候变化的敏感地区,同时也是我国黄河长江上游生态屏障的关键区域,然而目前针对全球气候变化背景下该地区的土壤水分植被承载力情况还不清楚。本文基于Biome-BGC模型,模拟了2007—2021年不同气候变化情景下若尔盖地区4种沙地类型(固定沙地、半固定沙地、流动沙地和露沙地)上典型植被沙棘的水分利用效率(WUE),再根据土壤水分植被承载力公式估算出不同沙地类型上沙棘的土壤水分植被承载力。结果表明：不同气候情景下,沙棘的WUE年均值均表现为露沙地>固定沙地>半固定沙地>流动沙地;与现行气候情景相比,未来气候变化情景下沙棘的WUE均有所下降,尤其在温度升高降水增加的情景下沙棘的WUE最低;不同气候情景下,沙棘的土壤水分植被承载力年均值均呈现固定沙地>半固定沙地>流动沙地>露沙地;与现行气候情景相比,未来气候变化情景下各类型沙地上的土壤水分植被承载力均有所下降;降水和气温对土壤水分植被承载力的影响存在耦合效应,其中降水对土壤水分植被承载力的影响大于气温。本研究揭示了若尔盖地区不同沙地类型上土壤水分植被承载力对气候变化的响应特征,对高寒沙地的生态治理与恢复具有一定的指导意义。     

亚洲半干旱区碳水通量时空格局及驱动因素

亚洲半干旱区生态系统敏感,环境问题突出,作为全球近30年来碳水通量变化最大的区域,明确其碳水通量的时空分布格局和驱动因素对区域资源管理与可持续发展、全球气候变化等领域具有重要意义。基于植被与土壤湿度的联合同化产品(LPJ-Vegetation and soil moisture Joint Assimilation, LPJ-VSJA),结合研究区植被及气象数据,分析了亚洲半干旱区2010—2018年碳水通量植被总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)和水分利用效率(WUE)的时空变化、年际变化贡献率以及驱动因素。结果表明：(1)2010—2018年亚洲半干旱区年均GPP、ET、WUE空间格局总体呈“双夹型”,中高纬度与低纬度地区的碳水通量值大于中纬度区域。(2)2010—2018年GPP、ET和WUE的年际变化总体都呈现增长趋势,但只有GPP呈现显著增长趋势(P<0.05),增速为7.82 g C m^-2 a^-1。(3)WUE的年际变化表现为总体先增加后减少,正值中农田对WUE年际变化贡献率最大(54.6%),森林生态系统在面积占比仅有...     

基于Biome-BGC模型及树木年轮的太白红杉林生态系统对气候变化的响应研究

利用Biome-BGC模型模拟了1960—2013年太白山太白红杉林生态系统的净初级生产力(NPP),对其与太白红杉的径向生长关系进行了探讨,并分析了NPP值对气候变化的响应关系。结果表明:1960—2013年太白山太白红杉林北坡NPP年均值为305.33g C m~(-2)a~(-1),南坡为320.71g C m~(-2)a~(-1),南北坡的NPP值均呈现出一定的上升趋势,北坡的上升速率(0.47g C m~(-2)a~(-1))要小于南坡(1.29g C m~(-2)a~(-1)),但是北坡太白红杉分布下限区NPP值波动浮动较大。且北坡太白红杉NPP值随着海拔高度的上升而逐渐下降,低海拔的变化振幅要大于高海拔地区,南坡无明显变化。多数采样点的模拟NPP值与树轮宽度指数年际变化趋势趋于一致,相关关系呈显著相关。太白红杉标准年表、模型模拟NPP值与气象因子的相关分析均表明太白红杉的生长与生长季气温的相关性显著高于降水,即生长季的气温是太白红杉生长的限制因子。气候的变化作为制约太白红杉生境的重要因素,影响了太白红杉树木的生长,进而对NPP的变化产生了影响。树木年轮很好的检验了Biome-BGC模型模拟结果。     

基于改进Biome-BGC模型的东南丘陵区茶园生态系统碳通量模拟

中国东南丘陵地区茶园的快速扩张对地区碳循环产生显著影响。Biome-BGC模型常被用于碳通量定量研究,但其对人工管理过程刻画不足。本研究结合实测与遥感叶面积指数（LAI）数据,改进了Biome-BGC模型,以增强其对茶园人工管理过程的模拟能力。结果表明：LAI是Biome-BGC模型中关键的中间变量,对LAI的准确模拟是提升模型对茶园碳通量模拟精度的关键。改进后的模型显著提升了对总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（RE）的模拟精度,5年平均GPP和RE值分别为1.26、1.19 kg C·m^-2,日尺度R²分别达到0.55和0.80,较改进前分别提升44.5%和降低0.9%,均方根误差（RMSE）分别为0.887和1.030 g C·m^-2·d^-1,较改进前分别降低50.3%和68.4%,月尺度的模拟效果更佳,显著改善了原始模型因未充分刻画人工修剪导致的碳通量高估问题。改进后的模型能够动态刻画修剪引起的LAI波动对碳循环的影响,并验证了其在不同时间尺度下的适用性,为存在高强度人工管理的茶园生态系统碳循环定量研究提供了技术支撑。     

利用模拟退火算法优化Biome-BGC模型参数

生态过程模型建立在明确的机理之上,能够较好地模拟陆地生态系统的行为和特征,但模型众多的参数,成为模型具体应用的瓶颈。本文以Biome-BGC模型为例,采用模拟退火算法,对其生理、生态参数进行优化。在优化过程中,先对待优化参数进行了选择,然后采取逐步优化的方法进行优化。结果表明,使用优化后的参数,模型模拟结果与实际观测更为接近,参数优化能有效地降低模型模拟的不确定性。文中参数优化的过程和方法,可为生态模型的参数识别和优化提供一种实例和思路,有助于生态模型应用区域的扩展。     

改进Biome-BGC模型模拟哈佛森林地区水、碳通量

Biome-BGC模型通过耦合植被、土壤与大气间的水分与CO2交换过程,实现植被生产力的模拟,但土壤水平衡模块的不够完善,导致在长时间无降水情况下植被生产力模拟存在较大误差.针对这一问题,本文对Biome-BGC模型中土壤水分胁迫气孔导度方程、蒸散计算公式及土壤水分流失过程等3方面进行了改进和调整,利用改进的Biome-BGC模型模拟美国哈佛森林地区蒸散、植被生产力,并与地面通量观测值进行了比较.结果表明,改进后模拟精度有明显的提高,蒸散、植被生态系统生产力(NEE)与观测值间的决定系数分别由0.483和0.658提高到0.617和O.813,蒸散逐年均方根误差平均下降了48.7％,NEE逐年误差平方和平均下降了39.8％.改进后的模型模拟结果更接近观测值.     

不同土壤水分条件下杨树人工林水分利用效率对环境因子的响应

运用涡度相关(Eddy covariance,EC)开路系统和微气象观测系统,于2007年对位于北京市大兴区永定河沙地杨树(Populus euramertcana)人工林与大气间碳、水和能量交换进行了连续测定.通过分析总生态系统生产力(GEP)、蒸发散(ET)以及水分利用效率(WUE=GEP/ET)随相对土壤含水量(REW)的变化趋势,探讨杨树人工林不同土壤水分条件下水分利用效率对气象因子以及下垫面因素的响应,为杨树人工林经营管理提供理论依据.研究结果表明:当REW＜0.1时,GEP和ET受到严重水分胁迫的影响维持在较低水平,环境因子对GEP、ET和WUE的影响较小;当0.1＜REW＜0.4时,GEP和ET随着土壤体积含水量(VWC)的增加而增大,WUE随VWC的增大而减小;REW＞0.4时,气象因子是影响碳固定和水分损耗的主要原因,由于ET对气象因子变化的响应较GEP更为敏感,因此,WUE随空气饱和水汽压差(VPD)的增大而减小.沙地土壤保水能力较差,不能保证土壤水分被植物有效利用,因此当VWC处于5.2%-8.8％(0.1＜REW＜0.4)范围时,碳固定与水分消耗达到最高效率.研究表明杨树人工林WUE随降水变化而变化,未来气候变化和变异有可能影响杨树林耗水和生产力之间的关系.     

不同气候变化情景下荒漠草原生态系统碳动态模拟

荒漠草原生态系统对气候变化十分敏感,但其碳循环过程如何响应气候变化尚不明确。基于Biome-BGC模型和1958—2017年的气象观测资料,模拟了宁夏盐池荒漠草原生态系统在4种不同气候情景下的碳储量变化。结果表明:（1）4种气候情景下,盐池荒漠草原生态系统年均总碳储量在2.3208—2.3652 kg/m²,土壤碳储量占总碳储量的94.03%,枯落物与植被碳储量分别占4.03%和1.94%。（2）近60 a间,基准情景下的土壤碳储量以每年0.0020 kg/m²的速度累积,总碳储量呈波动性上升趋势。（3）植被、枯落物碳储量的年内变化与季节变化紧密相关,土壤碳储量在夏秋季较低,冬春较高。（4）单独的气温升高会导致土壤碳、植被碳及枯落物碳储量的略微降低,而单独降水波动增加会导致碳储量的明显增高,二者综合作用会导致碳储量的升高;此外,枯落物碳储量对气候变化的响应最敏感,其次是植被碳储量,土壤碳储量对气候变化的响应敏感度最低。研究结果揭示了荒漠草原碳储量随不同气候变化情景的变化规律,可为地方政府制定应对气候变化策略和生态恢复政策提供科学依据。     

基于遥感数据的植被碳水利用效率时空变化和归因分析

植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标。采用MODIS数据,利用Google Earth Engine平台计算植被碳利用效率(Carbon Use Efficiency, CUE)与水利用效率(Water Use Efficiency, WUE)。采用趋势分析、变异系数、R/S分析及偏相关分析等方法,对2000—2020年黄河流域植被CUE与WUE的时空动态进行分析,并探究水热条件对碳水利用效率的影响。结果表明：(1)2000—2020年黄河流域植被碳水利用效率年均值分别为0.61和0.68 gC m^-2 mm^-1;研究时限内,植被CUE呈波动下降趋势,而WUE呈波动上升趋势。(2)空间上,植被CUE呈西高东低分布,WUE相反。不同土地覆被类型的CUE表现为草地>农田>灌丛>森林;WUE表现为：农田>森林>草地>灌丛。(3)总体上,黄河流域植被CUE与温度呈负相关,与降水呈正相关;黄河流域北部植被WUE与温度和降水均呈正相关关系,黄河流域西南部植被WUE与降水负相关;(4)不同土地利用类型中,草地...     

鄱阳湖流域不同土地覆被碳水利用效率时空变化及其与气候因子的相关性

鄱阳湖流域作为较突出的碳汇功能区,深入掌握不同土地覆被碳素利用率（CUE）和水分利用效率（WUE）的时空分异规律及其对气候因子的响应,对明确气候变化背景下该流域生态功能和碳水循环有重要意义。利用MODIS数据产品,结合流域土地利用和气象监测数据,辅以趋势分析和相关分析等方法研究了2000-2014年鄱阳湖流域不同土地利用类型CUE和WUE的时空变化特征,并探讨了其与降水、气温和日照时数的相关性。结果表明：1）鄱阳湖流域CUE和WUE多年平均值分别为0.458和0.682 gC/kgH₂O,不同土地利用类型的CUE大小依次为草地 > 水田 > 其他林地 > 旱地 > 疏林地 > 灌木林 > 有林地,WUE大小依次为有林地 > 灌木林 > 旱地 > 疏林地 > 水田 > 其他林地 > 草地;2）鄱阳湖流域CUE、WUE在研究时段内均呈微弱下降趋势,各土地利用类型CUE和WUE则表现出较大的年际波动,且年际变化趋势率具有高度的相似性,其中林地各类型下降趋势最大,其次是旱地和水田,草地最小;3）降水是影响鄱阳湖流域土地覆被碳水利用效率变化的关键因素,其他因子与CUE和WUE的相关性均不显著,不同覆被CUE和WUE对气温、降水和日照时数的响应程度存在较大差异。     

7年穿透雨减少对锐齿槲栎光合固碳及生物量碳储量的影响

气候变化背景下不断加剧的干旱事件对树木的生长及碳积累产生显著影响。然而,树木光合固碳能力及生物量碳储量对相对长期干旱的连续响应机制的研究仍然有限。选择70年生的天然锐齿槲栎(Quercus aliena var.acuteserrata)林,探究长期模拟穿透雨减少对锐齿槲栎光合固碳潜力和生物量碳储量的影响。研究结果表明,连续7年的穿透雨减少处理显著降低了锐齿槲栎的光合固碳能力,其叶片净光合速率(A)、最大羧化速率(V_cmax)、最大电子传递速率(J_max)、最大光化学效率(F_v/F_m)均明显降低,且穿透雨减少处理增强了A与气孔导度(g_s)、J_max、F_v/F_m之间的相关性。在适应长期干旱过程中,锐齿槲栎通过增加比叶面积(SLA)、叶片栅栏组织与海绵组织的比值、气孔密度等叶片形态及结构特性变化,降低冠层叶面积(LAI)指数和蒸腾水分散失及提高水分利用效率(WUE)缓解和适应干旱胁迫的不利影响。但是,长期穿透雨减少仍...     

气候变化背景下秦岭地区陆地生态系统水分利用率变化趋势

为探究未来气候变化背景下秦岭地区陆地生态系统水分利用率(WUE)的变化规律及其对气候变化的响应,结合IPCC第五次报告资料中心的CCSM4、GISS-E-R、GISS-E-H、IPSL-CM5R-LR-CM、Nor ESM1-1-ME等5个模型相关模拟结果,预测和分析秦岭地区2006—2100年在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5 4种未来典型气候变化情景下其水分利用率的变化趋势及其与降雨、气温、CO_2浓度等关键气候变化因子之间的关系。研究结果表明:4种未来情景下预测的秦岭地区生态系统WUE几乎全为正距平,各情景下WUE倾向率为0.0136—0.13 g C kg-1H_2O 10a-1,均达到极显著水平,且随辐射强迫增加,WUE距平值与倾向率也相应增加。各情景下GPP的增长趋势强于ET,使得两者的比值(即WUE)呈现增长趋势,并随辐射强迫的增加,两者的差异愈发显著,即WUE增长随辐射强迫的增强而更显著。同时,各模型预测的年均气温倾向率为0.21—0.498℃/10a,降雨量倾向率为7.78—17.66 mm/10a。由于气温、降雨量、CO2等关键气候变化因子调控GPP正增长速率大于ET,以及生态系统LAI值和自身的植被演替过程直接影响生态系统WUE,最终使得生态系统WUE呈正增长趋势。其中GPP的显著增加是未来秦岭地区生态系统WUE增长的直接因素,而气温的显著增加与大气CO_2浓度的升高则是WUE变化的主要环境因素,降雨量的影响相对较弱。     

森林生态系统碳水关系及其影响因子研究进展

森林生态系统的碳水关系是陆地生态系统碳循环和水循环相互耦合的作用过程,对研究森林碳汇、森林生态水文过程和全球变化响应有重要意义.在全球变化背景下,森林生态系统碳水关系已成为生态水文学领域中的一个热点科学问题.本文在总结国际上森林碳汇研究的基础上,概述了森林碳水关系的过程机制,包括森林水分利用效率、不同尺度上的碳水关系、尺度推绎和碳水关系的模拟研究方面的进展;总结了影响森林碳水关系的因子和研究进展,包括水分条件、CO₂浓度升高、增温、氮沉降、臭氧浓度变化、辐射因子和海拔梯度因子对森林碳水关系的影响;最后对已有研究存在的问题进行了初步分析,并对未来研究内容和方向进行了展望.     

Evaluation of six process‐based forest growth models using eddy‐covariance measurements of CO2 and H2O fluxes at six forest sites in Europe

Reliable models are required to assess the impacts of climate change on forest ecosystems. Precise and independent data are essential to assess this accuracy. The flux measurements collected by the EUROFLUX project over a wide range of forest types and climatic regions in Europe allow a critical testing of the process‐based models which were developed in the LTEEF project. The ECOCRAFT project complements this with a wealth of independent plant physiological measurements. Thus, it was aimed in this study to test six process‐based forest growth models against the flux measurements of six European forest types, taking advantage of a large database with plant physiological parameters. The reliability of both the flux data and parameter values itself was not under discussion in this study. The data provided by the researchers of the EUROFLUX sites, possibly with local corrections, were used with a minor gap‐filling procedure to avoid the loss of many days with observations. The model performance is discussed based on their accuracy, generality and realism. Accuracy was evaluated based on the goodness‐of‐fit with observed values of daily net ecosystem exchange, gross primary production and ecosystem respiration (gC m^?2 d^?1), and transpiration (kg H₂O m^?2 d^?1). Moreover, accuracy was also evaluated based on systematic and unsystematic errors. Generality was characterized by the applicability of the models to different European forest ecosystems. Reality was evaluated by comparing the modelled and observed responses of gross primary production, ecosystem respiration to radiation and temperature. The results indicated that: Accuracy. All models showed similar high correlation with the measured carbon flux data, and also low systematic and unsystematic prediction errors at one or more sites of flux measurements. The results were similar in the case of several models when the water fluxes were considered. Most models fulfilled the criteria of sufficient accuracy for the ability to predict the carbon and water exchange between forests and the atmosphere. Generality. Three models of six could be applied for both deciduous and coniferous forests. Furthermore, four models were applied both for boreal and temperate conditions. However, no severe water‐limited conditions were encountered, and no year‐to‐year variability could be tested. Realism. Most models fulfil the criterion of realism that the relationships between the modelled phenomena (carbon and water exchange) and environment are described causally. Again several of the models were able to reproduce the responses of measurable variables such as gross primary production (GPP), ecosystem respiration and transpiration to environmental driving factors such as radiation and temperature. Stomatal conductance appears to be the most critical process causing differences in predicted fluxes of carbon and water between those models that accurately describe the annual totals of GPP, ecosystem respiration and transpiration. As a conclusion, several process‐based models are available that produce accurate estimates of carbon and water fluxes at several forest sites of Europe. This considerable accuracy fulfils one requirement of models to be able to predict the impacts of climate change on the carbon balance of European forests. However, the generality of the models should be further evaluated by expanding the range of testing over both time and space. In addition, differences in behaviour between models at the process level indicate requirement of further model testing, with special emphasis on modelling stomatal conductance realistically.     

Comparing and evaluating process-based ecosystem model predictions of carbon and water fluxes in major European forest biomes

Process‐based models can be classified into: (a) terrestrial biogeochemical models (TBMs), which simulate fluxes of carbon, water and nitrogen coupled within terrestrial ecosystems, and (b) dynamic global vegetation models (DGVMs), which further couple these processes interactively with changes in slow ecosystem processes depending on resource competition, establishment, growth and mortality of different vegetation types. In this study, four models – RHESSys, GOTILWA+, LPJ‐GUESS and ORCHIDEE – representing both modelling approaches were compared and evaluated against benchmarks provided by eddy‐covariance measurements of carbon and water fluxes at 15 forest sites within the EUROFLUX project. Overall, model‐measurement agreement varied greatly among sites. Both modelling approaches have somewhat different strengths, but there was no model among those tested that universally performed well on the two variables evaluated. Small biases and errors suggest that ORCHIDEE and GOTILWA+ performed better in simulating carbon fluxes while LPJ‐GUESS and RHESSys did a better job in simulating water fluxes. In general, the models can be considered as useful tools for studies of climate change impacts on carbon and water cycling in forests. However, the various sources of variation among models simulations and between models simulations and observed data described in this study place some constraints on the results and to some extent reduce their reliability. For example, at most sites in the Mediterranean region all models generally performed poorly most likely because of problems in the representation of water stress effects on both carbon uptake by photosynthesis and carbon release by heterotrophic respiration (R_h). The use of flux data as a means of assessing key processes in models of this type is an important approach to improving model performance. Our results show that the models have value but that further model development is necessary with regard to the representation of the some of the key ecosystem processes.