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

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-2a-1,南坡为320.71g C m-2a-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-2a-1)要小于南坡(1.29g C m-2a-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。     

1958-2008年太白山太白红杉林碳循环模拟

太白红杉(Larix chinensis林主要分布于我国秦岭太白山的林线位置,对气候变化的响应十分敏感.为了定量分析太白山太白红杉林在气候变化背景下的碳循环特征,基于模型(MTCLIM)模拟的温度和降水数据,应用植被动态过程模型(LPJ-GUESS)模拟了太白山南北坡1958-2008年太白红杉林的净初级生产力(NPP)、生物量和净生态系统碳交换量(NEE).结果表明:1)太白红杉和巴山冷杉(Abies fargesii)的NPP和生物量在太白红杉林占有优势,太白红杉的NPP和生物量均大于巴山冷杉.1958-2008年间太白红杉南北坡NPP的平均值为0.38 kgC·m-2·a-1,巴山冷杉为0.25 kgC·m-2,a-1,两者之和占整个太白红杉林NPP的86％;1958-2008年间太白红杉南北坡生物量的平均值为2.91 kgC/m2,巴山冷杉为2.02 kgC/m2,两者之和占太白红杉林生物量的94％.2)太白红杉和巴山冷杉的NPP均表现为北坡大于南坡,且南北坡均有逐年增加的趋势,北坡的增幅小于南坡,所以太白山南北坡太白红杉林的NPP差异有逐年减少的趋势.3)太白红杉生物量的年际波动较大,南北坡呈交替上升趋势,南坡的平均值(2.94 kgC/m2)大于北坡(2.89 kgC/m2).巴山冷杉生物量的年际波动相对较小,北坡生物量水平大于南坡.4)1958-2008年南北坡太白红杉林平均NEE均为-0.023 kgC·m-2·a-1,表现为碳汇.南北坡碳汇水平均呈逐年增加趋势,南坡的增加幅度(0.91 g·m-2·a-1)大于北坡(0.42 g·m-2·a-1).以气候和CO2为驱动因子对太白山太白红杉林的长期碳循环动态做了定量分析,从机理上揭示气候变化与生态系统碳循环的关系,还需要做进一步的野外观测和控制实验研究.     

太白山南北坡高山林线太白红杉对气候变化的响应差异

气候变化对秦岭植被生长的影响已经引起了人们的广泛关注,在相同的立地条件下,植被对气候变化的响应会因坡向不同而产生差异,秦岭的分水岭太白山尤为典型,为更进一步揭示不同坡向太白红杉(Larix chinensis)对气候变化响应的差异,以树木年代学为依据,利用采自太白山南、北坡相同海拔的太白红杉树芯样本分别建立了树轮年表,并分析了两者的年表特征,探讨了树轮宽度指数与气候因子之间的相关性及逐步线性回归方程。结果表明:太白山南、北坡太白红杉年表的平均敏感度、样本间平均相关系数、样本总体代表性等特征值较高,表明两个不同坡向年表中皆含有丰富的环境信息,相对而言,北坡样地植被对气候的响应较南坡样地敏感;由相关性分析可知,南北坡太白红杉差值年表对气温和降水响应显著的月份有所差异,北坡样地轮宽指数与当年和前一年1—6月平均气温皆为显著正相关关系,而南坡样地轮宽指数仅与当年5—6月平均气温通过显著性检验。南、北坡太白红杉径向生长都明显受到前一年6月降水"滞后效应"的一致影响,但北坡仅与当年8月的降水呈显著正相关,南坡与当年1—4月的平均降水量存在十分显著的负相关;多元线性逐步回归模型显示,气温因子对回归方程的贡献最大值均大于降水因子的贡献最大值,表明气温因子的变化更易引起太白红杉树轮宽度的变化,另外,气温因子对北坡样地回归模型的贡献值比气温因子对南坡样地回归模型的贡献值大,表明北坡样地处树轮宽度指数对气温因子更敏感,并且与相关分析结果一致。     

基于BIOME-BGC模型的秦岭北坡太白红杉林碳源/汇动态和趋势研究

为了解秦岭北坡太白红杉(Larix chinensis)的碳源/汇动态,运用BIOME-BGC模型模拟了1959-2016年太白红杉生产力、碳储量和碳利用效率(CUE),并利用气候情景设定方法预测碳源/汇功能的未来趋势。结果表明,58年间太白红杉的平均净初级生产力(NPP)、初级生产力(GPP)和净生态系统生产力(NEP)分别为328.59、501.56和31.42 g C m–2a–1,平均碳储量为35.38 kg C m–2a–1,平均CUE为0.65;除1960-1961、1969-1970、1997-1999年为"碳源"年外,绝大多数年份为"碳汇"年,年内呈现"碳源-碳汇-碳源"的变化特征,碳储量总体增加,潜在固碳能力较为稳定。GPP、NPP、碳储量的正向作用排序为气温上升CO_2浓度增加,NEP的正向作用排序反之,降水增加对生产力和碳储量增加起反作用,气温升高对CUE起反作用;气温和CO_2浓度是北坡太白红杉生长的限制因子,气温的限制性强于CO_2浓度,未来气温或CO_2浓度升高有利于碳汇功能发挥,降水增加减弱碳汇效果。RCP4.5、RCP8.5情景下太白红杉生产力和碳储量在21世纪呈上升趋势,RCP8.5上升幅度略大于RCP4.5,潜在固碳能力仍较强;1-3月和10-12月为"碳源"月,5-9月为"碳汇"月。这揭示了气候变化背景下气温、降水和CO_2浓度对太白红杉碳源/汇的影响方式,气温和CO_2浓度上升是碳汇的促进因素,降水增加为阻碍因素。     

基于Vaganov-Shashkin模型的太白红杉径向生长对气候要素的响应

利用采自太白山南坡药王殿、北坡上板寺的太白红杉树芯样品分别建立树轮宽度年表,运用Vaganov-Shashkin模型揭示秦岭太白红杉径向生长对各气候要素的响应.结果表明: 生长季(4—8月)的温度、生长初期的降水量以及7、8月的降水量是限制秦岭地区太白红杉生长的主要气候因子.良好的温度条件有利于太白红杉的生长,但生长初期的降水量会抑制太白红杉的生长;7、8月的降水量对秦岭南坡和北坡太白红杉的影响差异明显,该时段内丰富的降水量对北坡太白红杉的生长具有促进作用,而对南坡太白红杉的生长产生一定的限制作用;同一坡向、不同海拔采样点树木径向生长与气候因子的响应结果同样存在差异,高海拔采样点太白红杉的生长需要的温度条件低于低海拔采样点,但对土壤湿度的需求大于低海拔采样点.生长开始日的早晚对太白红杉树轮宽度的形成影响很大,而生长结束日仅与南坡采样点树轮宽度之间呈显著相关.     

太白红杉种群的生殖对策研究Ⅱ．生殖力和生殖值

研究了太白红杉种群的年龄结构、生殖年龄结构、生殖力和生殖值,分析了太白红杉种群的生殖适合度和生殖对策.结果如下(1)北坡和南坡两个种群的低龄级个体数都非常少,种群间的生育力差异不显著(P>0.05),但北坡太白红杉的生殖年龄比南坡大,平均生殖时间比南坡长,平均寿命也比南坡长.(2)北坡各龄级的生殖值比南坡高,剩余生殖值随年龄下降的速度比南坡小,北坡的生殖适合度比南坡高.(3)北坡第Ⅰ～Ⅶ龄级的剩余生殖值比南坡高,第Ⅶ龄级后由于下降速度较快,其值要比南坡小.     

广西西江流域植被净初级生产力时空分布特征及其影响因素

植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)是流域生态系统功能的关键因子之一。本研究基于Carnegie-Ames-Stanford approach(CASA)模型,综合利用2003—2012年MODIS序列遥感数据、植被数据和气象数据,对广西西江流域植被NPP进行估算,并分析其时空格局及其影响因素。结果表明:2003—2012年广西西江流域的NPP年均值为524.67 g C·m~(-2)·a~(-1);NPP高值主要集中在研究区南部和东部地区,而中部地区NPP值相对较低;从地形上看,河谷平原植被NPP值较低,丘陵山地植被NPP值较高;不同类型植被对应的NPP值差异较大;常绿阔叶林NPP值最高,为788 g C·m~(-2)·a~(-1);栽培作物NPP值最低,为386 g C·m~(-2)·a~(-1)。2003—2012年研究区植被NPP平均值位于430.05~602.48g C·m~(-2)·a~(-1),总体呈现波动下降趋势。NPP呈现减少趋势的区域占研究区总面积的88.89%;7—10月NPP值较高,1—3月NPP值较低。NPP与年均降水量总体呈负相关关系,与年均温呈正相关关系;NPP受气候因子(降水量、气温)的综合影响,且植被NPP与气候因子(降水量、气温)相关性较密切,复相关系数为0.67。     

基于变异系数的植被NPP人为影响定量研究——以石羊河流域为例

人类活动是NPP变化的重要影响因子,定量计算NPP人为影响值具有较重要的意义。提出基于变异系数法的NPP人为影响模型,对其基本概念、理论基础、计算流程等进行了阐述,并以石羊河流域为研究区,分析该流域NPP人为影响分布规律。研究结果表明:(1)该模型基于一种间接计算的思想回避了人为作用的复杂过程,模型理论科学,以变异系数为参数,所需参数少,技术可行,计算结果为NPP值,易于定量评价。(2)2000—2010年期间,石羊河流域人类活动对植被NPP的影响广泛而严重,年均影响值大于40g C m~(-2)a~(-1)的面积占96.21%,影响程度严重以上占26.94%。NPP人为正负影响均较大,正影响年均为1.63×106g C m~(-2)a~(-1),负影响年均为1.21×106g C m~(-2)a~(-1),年均净增加4.20×105g C m~(-2)a~(-1);正向平均影响强度为136.84 g C m~(-2)a~(-1),负向平均影响强度为100.32 g C m~(-2)a~(-1),全流域表现为正影响。(3)凉州区是人为影响最为剧烈的地区,表现为强烈正影响;其次是天祝县,为强烈负影响;接下来是民勤县,表现为正影响;其它县区依次是永昌、古浪、肃南和金昌。(4)2000—2010期间,NPP人为影响值变化较大,人为活动减弱面积占53.90%,增加占46.10%;影响值正向减弱8.12×105g C m~(-2)a~(-1),负向减弱8.07×105g C m~(-2)a~(-1),正向增强8.02×105g C m~(-2)a~(-1),负向增强3.94×105g C m~(-2)a~(-1),人为活动影响净减少4.25×105g C m~(-2)a~(-1),人为作用总体呈减弱趋势。     

秦岭太白红杉林遥感物候提取及对气候变化的响应

高山林线树种对气候变化响应敏感,是研究气候变化和物候变化的理想树种。本文基于双Logistic曲线拟合法重建了2000—2015年MODIS EVI2时间序列影像并提取太白红杉林关键物候参数,结合太白山地区气象站的气候资料,研究太白红杉林遥感物候及其对气候因子的响应。结果表明:2000—2015年太白红杉林生长期开始时间在第120天左右,生长期结束时间在第288天左右,平均生长期长度为168 d; 16 a来太白红杉林生长期始期整体呈提前趋势,变化率为-0.65 d·10 a~(-1);生长期末期整体呈推迟趋势,变化率为0.35 d·10 a~(-1);整个生长期呈延长趋势,平均延长幅度为0.99 d·10 a~(-1);太白红杉林物候始期与同期气温、降水呈负相关的区域分别占研究区的73.11%和61.25%,而与潜在蒸散呈正相关的区域占65.17%;物候末期与同期气温、降水、潜在蒸散、日照和风速均呈正相关,面积比分别为74.91%、72.87%、78.14%、68.60%和64.74%,其中气温是太白红杉林物候始期提前的主要影响因素,气温、降水、潜在蒸散是物候末期推迟的主要影响因素。     

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.     

江西省人工造林碳蓄积的时空过程

人工造林被认为是吸收CO2、减缓气候变暖最有效且最具生态效应的碳增汇方法之一。以江西省作为南方红壤丘陵区人工造林的典型研究区,综合应用树轮生态分析、模型模拟、尺度融合、文献整合分析、遥感反演和GIS空间分析等方法,基于树木年轮信息、森林样方资料和人工林分布数据等,驱动树木材积生长量模型和区域碳通量模型,从样地到区域模拟分析了人工林生产力和碳蓄积的时空变化规律。结果表明,1)1980年至2007年,江西省人工林净初级生产力(NPP)呈现先迅速下降而后缓慢增加的趋势,至今仍未恢复到之前的人工林质量水平,2)碳蓄积年变化在前8a处于平稳状态,而后变化速率增快,从2.19Tg C/a迅速增至8.02 Tg C/a,此后增速减缓;3)人工林NPP与降水量、温度的关系不明显,海拔对NPP值的影响较大而对NPP变化趋势的影响较小,NPP值随着坡度增加而增大;4)造林方式比较,人工造林碳增汇潜力最大,而封山育林在碳蓄积效应方面不具优势。     

地形对草甸草原植被生产力分布格局的影响

草原植被生产力在陆地生态系统碳平衡分析中扮演重要角色,而地形作为影响植被生产力(NPP)分布格局的重要环境因子在已有的草原遥感监测研究中没有被充分重视。以USGS和GLCF共享MODIS和DEM数据为数据源,选取呼伦贝尔辉河湿地保护区草甸草原核心区为研究对象,在地面光谱生物量模型构建的基础上,采用ARCGIS的空间分析功能对呼伦贝尔草甸草原2000—2012年的NPP分布格局进行了分析。研究结果表明,地形对草甸草原植被生产力分布格局有显著的影响。在海拔高度、坡度和坡向等3个地形因子中,海拔高度引起的NPP变化幅度最大,坡度次之,坡向最小。在总体特征上,海拔高度每升高10m,生产力增加4.78 g/m2;坡度每增加1°生产力增加-1.42 g/m2;N坡向植被生产力水平最高(184.8 g/m2),西南(SW)坡向最低(173.3 g/m2)。从不同地形因子的分布面积特点判断,地形对草甸草原NPP的影响尺度介于土壤环境异质性和草场类型异质性之间。不同生产力水平年份对生产力分布格局的影响趋势一致,但变化幅度不同,在中等生产力水平年份NPP变幅最大。     

南方丘陵山地带植被净第一性生产力时空动态特征

基于MODIS数据并结合气象资料和植被参数,利用修正过最大光能利用率的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型,对国家生态安全屏障区的"两屏三带"之一南方丘陵山地带2000—2010年的植被净第一性生产力(NPP)进行模拟,并对其时空分布格局进行了分析。研究结果表明:(1)研究区2000—2010年期间年NPP的变化范围为406.0—485.6 g C m-2a-1,年平均NPP为445.7 g C m-2a-1,高于全国平均水平;NPP年际上升趋势不显著(P=0.39),平均增加值为2.28 g C m-2a-1;(2)NPP空间分布特征与植被类型具有较好的一致性,单位面积NPP以混交林覆盖区最高(501.0 g C m-2a-1),草地覆盖区NPP最低(390.7 g C m-2a-1);(3)植被NPP的时空变化与气温、降雨和太阳辐射等自然因素的变化有直接关系,而社会、经济、政策等人为因素通过改变土地利用方式来间接影响。     

水热波动和土地覆盖变化对东北地区植被NPP的相对影响

研究水热波动和土地覆盖变化对植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响对于估算陆地碳循环及其驱动机制具有重要意义。利用MODIS遥感影像获得的时间序列NPP和土地覆盖产品,结合气象观测数据（气温和降水）,采用相关分析、回归分析和空间分析相结合的方法,研究2000-2015年东北地区植被NPP的时空变化特征,并定量评估水热波动和土地覆盖变化对该地区植被NPP的相对影响。研究结果表明,2000-2015年东北地区植被NPP呈波动上升趋势,从2000年的369.24 g C m^-2 a^-1增加到2015年的453.84 g C m^-2 a^-1,平均值是412.10 g C m^-2 a^-1,年际增加速率为4.54 g C m^-2 a^-1。近16年来东北地区年均植被NPP空间上呈现南高北低、东高西低的分布格局,整体变化趋势以增加为主,其中轻微增加面积占该地区总面积的45.9%。不同土地覆盖类型的年均NPP差异明显,其中灌木最高为400.34 g C m^-2 a^-1,草地最低为300.49 g C m^-2 a^-1。东北地区植被NPP与气温的相关性不明显,而与降水量主要表现为正效应。水热波动对该地区不同土地覆盖类型NPP总量变化的贡献大于土地覆盖变化的贡献,其中对森林和农田的贡献最大,均达到70%以上。     

庙岛群岛南五岛生态系统净初级生产力空间分布及其影响因子

净初级生产力(NPP)估算对于海岛碳源/汇研究具有重要意义。以庙岛群岛南五岛为例,结合CASA模型和区域特征构建NPP估算模型,借助RS和GIS技术进行NPP估算,进而分析南五岛NPP空间分布特征及其影响因子。结果表明:南五岛NPP总量为11043.52 t C/a,平均密度为340.19 g C m~(-2)a~(-1),处于全国平均水平,高于同纬度的西部地区,低于东部沿海大陆地区;夏季NPP总量占全年的80%左右,春季和秋季分别占11%和7%,冬季仅占1.3%;不同海岛的NPP平均密度由大到小依次为大黑山岛、北长山岛、庙岛、南长山岛和小黑山岛,各岛NPP平均密度与建设用地比例呈明显负相关;不同地表覆盖类型的NPP平均密度由大到小依次为阔叶林、针叶林、农田、草地、建设用地和裸地,林地具有较高的NPP值,说明南五岛的人工林建设具有重要生态作用;NDVI和地表覆盖类型是NPP最主要的影响参数,地形参数通过影响NDVI和地表覆盖类型间接作用于NPP结果;NPP与土壤p H、有效磷、全磷、全钾呈显著负相关,与全氮、总碳、总有机碳呈显著正相关,与含水量、速效钾和含盐量之间相关关系不明显。     

2008—2018年伊犁河流域植被净初级生产力时空分异特征

基于MODIS数据和改进的光能利用率模型(CASA模型)对2008—2018年伊犁河流域植被净初级生产力(NPP)进行估算,通过一元线性回归趋势分析、变异系数、Hurst指数等方法对其时空分异特征进行分析。结论如下：(1)时间特征上,伊犁河流域植被NPP呈现波动上升趋势,年内植被NPP呈现出“单峰型”特点,该流域四季植被NPP大小关系为：夏季>春季>秋季>冬季;(2)空间特征上,伊犁河流域植被NPP呈现东北低西南高,沿天山山脉呈环状分布,各植被类型NPP的大小为：林地(624.13 g C m^-2 a^-1)>耕地(575.04 g C m^-2 a^-1)>草地(270.57 g C m^-2 a^-1)>裸地(114.26 g C m^-2 a^-1)。该流域植被NPP在海拔、经纬度方面均呈现不同的变化特征。(3)空间稳定性上,伊犁河流域植被NPP存在明显的空间差异性,各变异程度...     

大兴安岭林区南、北部天然樟子松生长对气候变化的响应差异

利用树木年代学方法,建立大兴安岭林区南、北部樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)年轮宽度年表,探讨樟子松径向生长对气候变化的响应差异。结果表明,南部(阿尔山、海拉尔)树轮宽度主要与当年4—9月的平均标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)极显著正相关(r=0.639,P0.01),而北部(漠河、塔河)树轮宽度主要与同时期的平均最低温极显著正相关(r=0.488,P0.01)。说明南部樟子松径向生长主要受当年4—9月的水分限制,北部主要受同期平均最低温调控。两个地区树木生长对降水的响应一致,对当年4—9月(6月除外)的温度响应相反。近几十年来随着温度显著升高(P0.01),南部树木生长对4—9月平均最高温的负响应不断增强,而北部树木对同时段平均最低温的正响应更加明显。同时,南部樟子松生长量快速下降(r=0.612,P0.001),而北部生长量显著增加(r=0.474,P0.001)。研究发现,高温加剧干旱胁迫是南部樟子松生长量下降的主要原因,而北部樟子松生长量增加是受到4—9月平均最低温和降水量的相互作用。如果持续变暖,未来樟子松分布区可能北移。