林分耗水的尺度扩展研究进展

蒸散耗水是森林生态系统水分循环过程的主要构成,是现代生态水文研究的重点和难点。直接测定和尺度上推提供了两种获取蒸散量的技术手段。受限于复杂的冠层结构、非均质的下垫面和迥异的环境条件,直接测定难以准确获取林分水平的耗水信息,因此有必要讨论单木与冠层结构、环境因子之间的耦合关系,利用时空尺度扩展得到合理的耗水量。本文综述了理论基础相对牢固的3种尺度扩展技术:基于生物计量参数、遥感影像和水文模型的尺度扩展,剖析各模型的控制因子,探讨模型的适用性和优缺点,对尺度扩展技术的发展做了展望。     

植物气孔导度的环境响应模拟及其尺度扩展

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度与环境因子的关系及其模拟,以及气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用都具有重要意义。从植物气孔导度与环境因子的关系、气孔导度模拟以及尺度扩展三个方面,对前人的研究成果进行了概括总结。从叶片和冠层两个尺度出发,归纳总结了前人对于不同植物气孔导度与环境因子关系的研究成果,发现由于不同植物的遗传特性、测定时的环境、时间尺度的不同,以及未考虑各个环境因子的相互作用对气孔导度的影响,由此得到的气孔导度与环境因子之间的关系也不尽一致。对各单一环境因子与气孔导度的关系,给出了生理学解释,从根本上说明了环境因子变化对气孔导度的影响,而研究环境因子对气孔导度的综合影响时,应对各环境因子进行系统控制与同步观测。模拟计算植物气孔导度的模型主要有Jarvis模型和BWB模型两类,这些模型的模拟能力随着研究对象、试验区域、环境条件的改变而存在一定的差异,在具体使用时应结合实际情况选择最优模型进行模拟。除上述常用模型外,还总结了其他学者分别从不同角度提出的新的模型,对现有气孔导度模型进行了全面的总结。从叶片-冠层、冠层-区域两个方面归纳总结了前人关于气孔导度尺度扩展的研究成果,发现叶片-冠层的尺度扩展研究较成熟而冠层-区域的尺度扩展在模拟精度的验证方面存在困难。针对以下几个方面提出了今后气孔导度的研究重点:(1)结合研究对象所在的区域及环境条件,选择最优模型进行模拟;(2)综合考虑环境因子之间的相互作用及其对气孔导度的累积影响;(3)BWB模型与光合模型的耦合;(4)提高大尺度范围内的气孔导度模拟精度。     

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m~(-2)s~(-1)和0.21 mmol m~(-2)s~(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。     

光闪烁方法测算区域蒸散研究进展

蒸散是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热运移的一个重要环节,是全球水量平衡的重要组成,一直是气象学、水文学、地理学及生态学等相关学科重要的研究主题。区域尺度地表蒸散的时空变化过程十分复杂。迄今为止,在像元尺度水平上,特别在非均匀下垫面和地形起伏条件下,有代表性的进行地表蒸散的观测仍然十分困难。虽然遥感方法可获得区域尺度水平蒸散,但其主要根据经验或半经验模型对区域蒸散进行估算,模型选用的参数以及结果还需地面实测数据进行改进、优化,如何获得与遥感尺度相应的地面蒸散实测数据成为模型验证的重点和难点,光闪烁方法的出现为上述问题的解决带来了希望。光闪烁方法能够适应复杂下垫面,测量结果准确且具有时空平均等优点,成为测量区域蒸散的有效方法、验证遥感模型结果的最佳手段。从理论原理、计算方法、主要应用情况等方面,概述了光闪烁方法观测区域蒸散研究进展,指出了影响测算精度的不确定性因素,并提出了研究展望,旨在进一步推动该方法在区域蒸散观测研究中的应用,促进相关学科的发展。     

玉米农田蒸散过程及其对气候变化的响应模拟

应用基于生理生态学过程的EALCO模型,对玉米农田生态系统的蒸散(ET)过程进行了模拟,在模型检验基础上,使用该模型模拟了玉米农田生态系统ET过程对未来气候变化的响应。结果表明,EALCO模型中能量与水过程的动态耦合机制使模型能够较好地模拟农田蒸散过程,基于涡度相关法的观测值与模型模拟值在小时、日尺度上均吻合较好,模型可以解释67%的日蒸散的变化特征。对土壤蒸发与冠层蒸腾的分别模拟显示,生长季土壤蒸发约占ET的36%。温度的升高会引起ET与冠层蒸腾的增加,同时土壤蒸发减少;ET对降水减少的响应较为敏感,主要表现在土壤蒸发的下降。大气CO2浓度升高对冠层蒸腾影响显著,该情景下冠层蒸腾下降幅度最大。研究所假设的2100年气候情景下,该农田生态系统生长季蒸散将减少,然而相对于降水的减少而言,蒸散的减少量较小,即水分支出项相对增加,因此,发生土壤水分匮乏的可能性加大,这可能会加剧该地区的暖干化趋势,给作物产量及生态环境带来威胁。     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型.冬小麦CO2通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸.冠层光合采用了Farquhar光合作用生化模型,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来.用涡度相关方法观测了CO2通量,对模型进行了验证,结果显示模型可以较好地模拟CO2通量日变化过程.对模型的敏感性分析发现日间CO2通量最敏感的参数是初始量子效率.其次,CO2通量对光响应曲线凸度、CO2补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性;夜间CO2通量敏感的参数是最适温度下Rubisco催化能力和暗呼吸参数.     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据 SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型。冬小麦 CO2 通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸。冠层光合采用了 Farquhar光合作用生化模型 ,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来。用涡度相关方法观测了 CO2通量 ,对模型进行了验证 ,结果显示模型可以较好地模拟 CO2 通量日变化过程。对模型的敏感性分析发现日间 CO2 通量最敏感的参数是初始量子效率。其次 ,CO2 通量对光响应曲线凸度、CO2 补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性 ;夜间 CO2 通量敏感的参数是最适温度下 Rubisco催化能力和暗呼吸参数     

植被冠层尺度生理生态模型的研究进展

随着人们对植物生命活动各个过程研究的不断深入,以植物生理过程、物理过程为基础的各种生理生态学模型逐渐发展起来,而植被冠层尺度生理生态学过程模型已成为生态系统模型的核心之一。目前植被冠层尺度的大叶模型、多层模型、二叶模型以其成熟的理论基础及对植被冠层的光合作用、蒸腾作用较为成功的模拟,得到了广泛的应用。3个模型都以光合作用-气孔导度-蒸腾作用耦合模型为基础,但又具有各自的特点。本文对3种模型的结构及特点进行了总结,并对其进行了比较,简要介绍了目前植被冠层尺度生理生态学模型的应用及存在的问题和发展状况。     

辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展

植被是生态系统最重要的组成成分之一,许多与植被有关的物质能量交换过程都与植被的理化参数密切相关,因此定量估算植被的理化参数含量对监测植被生长状况、森林火灾预警以及研究全球碳氮循环过程等都具有重要意义.在众多定量反演植被理化参数的方法中,基于数学、物理学以及生物学的基本理论建立起来的辐射传输模型受到越来越多的关注.辐射传输模型描述了植被与入射辐射之间的相互作用过程和特征,相对于传统的经验/半经验方法,辐射传输模型物理意义明确,具有稳定性和可移植性强的特点.在分析国内外最新相关研究的基础上,首先从植被叶片、冠层和像元3个不同的尺度阐述反演植被理化参数的辐射传输模型.叶片尺度上主要介绍PROSPECT模型和LIBERTY模型;冠层尺度上主要介绍SAIL冠层辐射传输模型以及PROSPECT与SAIL耦合的PROSAIL叶片-冠层辐射传输模型;像元尺度的植被理化参数反演目前主要采用冠层尺度的辐射传输模型.其次,分析尺度变化下植被理化参数遥感反演所面临的主要问题,如不同尺度下模型参数敏感性的变化、辐射传输模型的选取以及混合像元的影响等.最后,总结展望植被理化参数反演多模型与多种数据源相互结合的研究趋势,以及将来具有高空间分辨率的高光谱遥感卫星升空后所带来的发展前景.     

黄河三角洲滨海湿地芦苇、碱蓬混生群落空间点格局分析

为了解黄河三角洲滨海湿地芦苇、碱蓬群落内的种群相互关系、多样的生态策略, 通过重复取样的调查方法, 运用多种汇总统计函数分析了黄河入海口处以黄河河道为基轴向北延伸至海边的三个不同区域的芦苇和碱蓬混生种群的种群结构和空间点格局。结果表明: 黄河边碱蓬和芦苇在全部尺度上趋于聚集分布; 中部滩涂湿地碱蓬在2-35 cm尺度上呈现聚集分布, 在1cm以及36-45cm尺度上呈现随机分布, 在其他尺度呈现均匀分布,芦苇在3-4 cm以及15 cm、20 cm尺度上呈现聚集分布, 其他尺度上呈现随机分布; 近海区域碱蓬在全部尺度上呈现随机分布, 芦苇在0-16 cm、21-25 cm以及44-46 cm尺度上呈现随机分布, 在其他尺度呈现聚集分布。黄河边芦苇和碱蓬种群种间关系趋于负相关, 种群之间相互排斥, 在中部滩涂湿地和近海区域两种群无关联, 仅在近海区域28-31 cm尺度出现正相关关系。黄河边两种植物的点格局分布以及种间关系与其他两个区域存在明显差异,需进一步开展相关实验深入了解黄河三角洲滨海湿地环境因素对芦苇、碱蓬混生群落点格局的影响。     

基于改进的双作物系数法估算辽河三角洲芦苇湿地蒸散量

以辽河三角洲湿地芦苇群落为研究对象,利用涡动相关通量、小气候梯度要素、群落内水面蒸发量以及芦苇群落生长参数等数据,基于FAO-56模型的双作物系数法,分别计算作物系数K_c、基础作物系数K_(cb)和水面蒸发系数K_w,分析其日变化动态及主导影响因子,建立基于生物因子和环境因子的小时尺度双作物系数模型。结果如下:(1)芦苇生长初期,K_c和K_(cb)的日变化呈现早晚高、中午略低的多峰波动曲线;在快速生长期和稳定生长期,K_c和K_(cb)白天波动幅度较小,早晚波动幅度较大;生长末期,K_c和K_(cb)夜晚波动幅度较大,白天呈现多峰波动曲线;K_w白天较小、夜晚较高,生长初期白天的数值显著高于其他时期。(2)相关分析表明,气温、相对湿度、风速、株高和叶面积指数是K_c、K_(cb)和K_w的影响因子;基于生物因子和环境因子重新构建双作物系数模型,基于改进的双作物系数法模拟芦苇群落蒸散,决定系数R~2达0.894。(3)利用改进的双作物系数模型和FAO-56模型,对辽河三角洲芦苇群落的蒸发与蒸腾过程进行模拟,实现芦苇群落蒸发过程与蒸腾过程的分离,解决了实际观测无法直接获取芦苇群落蒸腾量的问题,同时提高了芦苇群落蒸散的模拟精度。(4)调整了FAO推荐的芦苇单作物系数常数值,调整后的作物系数更适用于辽河三角洲芦苇湿地。     

黄土高原植被建设与土壤干燥化:问题与展望

黄土高原大规模植被建设有效减少了水土流失、改善了区域生态环境,大规模人工植被种植也造成了土壤水分的过度消耗,导致了土壤干燥化,成为当前黄土高原生态恢复的重要制约因素,威胁区域生态系统健康与稳定。系统综述了黄土高原地区人工植被恢复对土壤干燥化的作用机制,植被群落特征与土壤干燥化的耦合关系,多尺度土壤干燥化时空分异规律及其影响因素,明确了当前大规模人工植被恢复过程中土壤水分持续利用面临的问题与挑战。建议今后加强植被动态对水文过程影响的研究,明确多尺度植被格局与土壤干燥化时空分异的耦合关系,系统开展变化环境下不同尺度植被与土壤水分相互作用的模拟研究,探讨基于植被格局优化的土壤水分调控机制,维护黄土高原地区土壤安全,提升区域生态系统服务功能。     

植被-大气相互作用中的气孔导度及其尺度转换

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用具有重要意义.本文着重从叶片尺度气孔导度模拟、气孔导度在冠层尺度的累积表现、冠层到区域尺度转换研究及气孔导度累积效应在陆面过程模型中的作用等4个层次总结了近期国内外研究状况,指出其中存在的异质性等问题,并就今后应加强多尺度间的同步观测提出了展望.     

不同植被条件下实际蒸散的变化特征及其影响因子——以淮河流域为例

基于遥感-过程耦合模型开展淮河流域2001—2012年实际蒸散(ET)的模拟研究,并对其时空变化特征、不同覆被类型下的区域实际蒸散特征及其主要影响因子进行定量分析.结果表明: 研究期间,研究区年均ET在空间上呈现由东南向西北逐渐递减的趋势;时间上呈现逐年增加趋势,月际波动为双峰变化曲线.不同植被类型下ET的差异性表现为: 农田对研究区域实际蒸散总量的贡献最大;混交林的年均单位面积实际蒸散量最大,裸地的年均单位面积实际蒸散量最小;除裸地以外,其他土地覆被类型年均实际蒸散都呈增长趋势,其中常绿阔叶林实际蒸散增加趋势最明显.平均温度等热力学因子是影响淮河流域实际蒸散的主导因子,其次是辐射因子和水分因子.     

植被光能利用率研究进展

光能利用率是表征植物固定太阳能效率的指标,指植物通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机干物质的效率,是植物光合作用的重要概念,也是区域尺度以遥感参数模型监测植被生产力的理论基础。传统的研究方法是通过生物量收获法分别确定植物生长和辐射量,求年或生长季比值;涡度相关技术作为目前直接测定植被冠层与大气间的CO2和水热交换量的唯一方法,使从冠层到景观水平的光能利用率估计成为可能。由于植被类型的差异和气候环境的综合影响使光能利用率表现出显著的空间异质性和时间动态性。在全球尺度上,利用耦合大气CO2观测、卫星遥感和大气辐射传输模型的反演模拟,发现净初级生产力的光能利用率存在明显的地理分异。影响光能利用率时空变异性的因子包括植物内在因素(如叶形、叶羧化酶含量)和外在环境因素。针对光能利用率的时空特征及其波动,建立在通量观测及模型分析基础上的跨尺度模拟,将成为今后该领域的研究重点。     

生态模型在农田蒸散及土壤水分模拟中的适用性评价

为评价生态模型在农田蒸散及土壤水分运动模拟中的适用性,利用2013—2015年南京农业气象测站观测数据,评估了BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模拟冬小麦农田生态系统逐日蒸散及与土壤水分动态的可靠性,并进一步开展了植被冠层蒸腾和农田土壤蒸发分离。模拟结果表明:BEPS适用于研究冬小麦农田蒸散量及土壤水分运动规律;由于考虑了叶片聚集指数和冬小麦根系垂直分布递减系数随生育期变动的参数化改进,BEPS分别可以解释2013—2014年和2014—2015年两个生长季农田生态系统蒸渗仪实测蒸散量变化的83%和74%,参数化改进前后模型效率ME相当(前:0.8,后0.74),标准差RMSE(前:1.50,后1.05),平均偏差MBE(前:0.5,后0.35),误差减小;两个生长季中,土壤蒸发占冠层上方总蒸散的比例随生育进程而变化,全生育期发散比平均值分别为34%和29%;BEPS模拟的0~40 cm土层深度土壤水分随时间变化趋势与实测值基本一致,可以解释78%以上的土壤水分实测值变化,并能快速地响应降水变化。本研究表明,生态模型可以用于模拟冬小麦农田蒸散和土壤水分变化,并有助于厘定农田冠层中难以区分的植被蒸腾和土壤蒸发的比例关系,可为进一步开展气候变化背景下的区域蒸散发评估及与之相联系的农田节水管理奠定基础。     

森林流域生态水文过程动力学机制与模拟研究进展

水文过程是联系气候变化和森林生态系统时空变化的关键因素．未来的气候变化和人类大尺度活动将影响森林流域生态系统与水文过程的变化,森林流域生态与水文过程耦合、生态系统水文过程动力学机制研究在认识和调控生态资源及其合理利用、区域生态恢复,以及社会经济可持续方面均具有重要意义．森林流域生态系统中的水文过程可分为降雨截留、蒸散和产汇流过程．森林流域生态与水文耦合过程边界条件的确定,土壤表面特定水文过程的参数化,降雨、土壤水分运动和植被的动态耦合作用,分布式模型的应用以及森林生态水文过程动力学机制与调控等将是今后生态水文动力学过程研究的重点,综述了森林流域生态水文过程动力学机制与调控的研究进展。     

土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量估算模型研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热、CO2通量的准确估算对理解陆地和大气的物质和能量交换过程有着重要意义.重点阐述了基于过程的土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量模型,综述了统计模型、综合模型及基于遥感的模型的发展过程.其中水热通量统计模型包括基于温度和湿度以及基于温度和辐射的方法;CO2通量统计模型包括基于气候因子或蒸散因子以及基于光能利用率的方法.水热通量过程模型包括大叶、双源、多源和多层的水热传输物理模型;CO2通量过程模型包括叶片尺度及由大叶、双叶和多层方法扩展到冠层尺度的生理生态模型以及光合-蒸腾耦合模型.综合模型包括生物物理模型、生物化学模型和生物地理模型.统计模型形式简单,资料易得,对大范围的水热通量模拟具有指导意义;过程模型准确的揭示了水热和CO2通量传输的物理和生理过程,是大尺度综合模型的基础.未来生态系统水热、CO2通量估算模型将集成各种技术手段进行多尺度网络观测和大尺度机理模拟.     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦水热通量的日变化

从SPAC理论出发,建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型．感热通量和潜热通量采用Shuttleworth-Wallace的双层模型计算,并通过冠层阻力的参数化,将光合作用与蒸腾作用耦合起来．用涡度相关方法,观测了感热通量和潜热通量,对模型进行了验证．结果表明,模拟值与观测值比较一致,模型可以很好地模拟感热通量和潜热通量的日变化过程．对模型的敏感性分析发现,冬小麦蒸腾比较敏感的参数有凋萎点、气孔导度参数、叶对红外辐射的反射率和光响应曲线凸度;土壤蒸发只对土壤阻力参数的敏感性较强．本模型对水热通量与环境因子作用过程的理论研究和指导农田的灌溉制度等有一定的意义．     

基于SVAT模型的冬小麦光合作用和蒸散过程研究

在已建立的土壤－植被－大气传输（SVAT）模型中,冠层光合作用／气孔导度耦合子模型可区分遮荫叶和受光叶光合作用强度的差异;作物生长模型考虑了生长呼吸和维持呼吸,模拟与实测结果对比发现,日总蒸散量实测和模拟的根均方差（RMSD）为0.65mm,平均绝对差（MAPD）为14％;对冠层上部净光合作用率日变化过程而言,实测和模拟结果具有较好的一致性。利用模型模拟了冬小麦全生育争光合作用率和蒸散的演变过程。最后,分析了冬小麦蒸散和水分利用效率对不同最大叶面积指数,大气CO2浓度和叶片N含量的响应。