植物功能型及其研究方法

植物功能型被广泛应用于植被生态学研究领域。通过植物功能型的研究有利于阐述干旱区植被与干扰的关系和分析生物多样性丧失和杂草入侵的机制。本文对植物功能型的概念、应用、研究方法及研究趋势进行了综述 ,并介绍了植物功能型模型的建立及其在植被预测和管理中的运用 ,旨在促进我国干旱区的植被管理研究     

用于全球变化研究的中国植物功能型划分

 植物功能型(Plant functional types, PFTs)作为沟通植物的结构和功能与生态系统属性的桥梁,随着全球变化与植被的关系研究的深入而受到广泛重视。植物功能型的划分依赖于研究的背景、尺度和要解决的问题。为了区域尺度全球变化研究的需要,该文提出了一个基于植物关键特征的植物功能型划分方法。该方法首先选择了6项植物特征,包括3项冠层特征：木本-草本、常绿-落叶和针叶-阔叶,以及3项生理特征：光合途径(C3 / C4)、植物的水分需求和热量需求,作为划分植物功能型的关键特征;然后,先根据植物冠层特征划分得到5个基本类型,再根据水分和热量条件进行详细划分,得到29种备选类型;需要时,再根据研究目的从这29种备选类型中选择所需类型。根据这个方法,在充分考虑了我国季风气候条件下特有的水热配置和高海拔环境对植物的形态和功能特征影响的基础上,从备选类型中选择了一套适合中国气候和植被特征的植物功能型体系。这套体系包括18类植物功能型,其中含7类‘树’功能型、6类‘灌木’功能型和5类‘草’功能型,另根据需要设置2类‘裸地’功能型。并且根据植物的生理生态特征和中国植被的地理分布确定了用于限制植物功能型分布的气候因子,这些气候因子包括绝对最低温度、最暖月平均温度、有效积温、年最热月平均温和最冷月平均温之差、湿润指数、年均降水量。应用表明,这套植物功能型可用于模拟我国植被在当前气候条件下的分布。该研究为发展适于我国的植被模型和区域气候模型、评估全球变化对我国植被的影响及植被变化对气候的反馈作用提供依据与参数。     

植物功能型研究方法在生态系统模型中的应用

植物功能型(PFTs)是研究不同时空尺度上植被与全球变化之间关系的新方法,被广泛应用于植物生态学模型研究领域.本文介绍了植物功能型的概念由来以及与生活型(life form)、功能团(guild)、生物群区(biome)的区别和联系,总结了植物功能型的5种常见的划分标准,并将近半个世纪以来植物功能型研究方法在生态模型中...     

植被格局的分形特征

目前植被格局研究存在一些问题,分形模型是解决这些问题的有力工具。选择从分枝到景观的各个等级层次上若干有代表性的研究实例进行介绍。给出了尺度,自相似性和分形维数在植被格局研究中的应用方法,说明了分形模型描述植被格局的实用性和优越性。在此基础上提出了植被格局的分形机制,认为植被格局是具有自组织特征的分形体。最后对植被格局的分形模型进行了评价,提出了研究中需要注意的若干问题以及未来的发展方向。     

侵蚀地区植被生态动力学模型

研究侵蚀地区的植被在水力侵蚀和各种生态应力以及人类活动影响下的演变规律 ,建立了植被生态动力学模型。将作用于植被的各种生态应力分成长期、短期和瞬时应力 ,给出了它们的定量表达式 ,并且统一在植被生态动力学方程中 ;同时进一步得出了动力学耦合方程组的理论解。该模型应用于金沙江支流小江流域 ,结果较好地描述了流域的植被生态演变过程与侵蚀过程的关系 ,说明了治理强度和控制侵蚀对植被发育的重要性。     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

植被过滤带对悬浮固体净化效果的模拟

数学模型是进行植被过滤带(VFS)设计的重要工具.本研究通过分析植被过滤带对径流中悬浮固体的净化机理,采用植被过滤带田间尺度机理模型VFSMOD和修正的土壤侵蚀模型MUSLE耦合,对植被过滤带的悬浮固体净化效果进行模拟,并利用野外小区试验数据对该耦合模型进行了验证.结果表明,植被过滤带出流悬浮固体浓度模拟值与实测值的偏差多在±20％以内,其模拟值与实测值的判定系数R2为0.98,该模型具有较高的精度,且优于VFSMOD模型,可用于我国植被过滤带的规划设计.     

根据花粉模拟的中国植被及6000aBP植被制图的初步探讨

通过建立现代植物花粉与植被的类比关系,运用花粉植被化模拟技术进行植被类型模拟和制图。首先利用中国表土花粉资料,设计了以生态学原理为基础的功能型植物,并组合成植被型,以运行植被模型。该实验能够模拟出中国现代的主要植被类型,其地理分布与实际植被有较好一致性。进一步对中全新世花粉资料运行,初步模拟了１１２个花粉样点上的植被类型,并做出了中全新世的植被分布图。该图能够与已有的研究成果相对比,它为恢复古植被提供了一个较客观地制图法。它的精度可以随着资料密度和花粉类型的增加而不断提高。该研究对国际性的全球古植被制图和对比气候模型驱动的植被模型有着较大的参考价值。     

植被年际变化对蒸散发影响的模拟研究

利用通用陆面模式(CLM3.0)及其植被动力学模式(DGVM)研究植被覆盖度(FC)和叶面积指数(LAI)的年际变化对全球蒸散发的影响。设计两套实验方案,其植被的FC和LAI的气候态相同,但一套实验中植被的FC和LAI有年际变化,而对照实验中则没有。结果表明:(1)在草、灌木、树占优势的地区植被FC年际变化依次减小;LAI年际变化较大的地区集中在草和灌木覆盖的地区,在落叶林地区,春秋两季植被LAI的年际变化也较大。(2)全球树占优势的大部分地区,植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少;而在灌木和草覆盖区,变化则大致相反。(3)低纬度地区蒸散发季节循环变化比较明显,而北半球中纬度地区,蒸散发变化明显区随着纬度增加而在时间上向后推延。(4)FC和LAI年际变化较大时,蒸散发及地表蒸发降低,而蒸腾增加;这些差异随FC和LAI年际变化的增加而增加。单点分析进一步表明植被年际变化不仅改变蒸散发的多年平均值,同时改变其分量间的相对比例。     

山西植物功能型划分及其空间格局

随着全球气候变化的加剧,作为沟通陆地生态系统与气候变化的桥梁,植物功能型(Plant Functional Types,PFTs)越来越受到生态学家的关注。PFTs不仅是简化生态系统复杂性的有效工具,而且可将植物的生理生态过程、生物物理特征及物候变化等引入到动态植被模型中,研究气候变化下的植被反应及其反馈机制。为了在区域尺度上研究气候变化和植被反应,基于"生态-外貌"原则,依据植物特征(如生长型、叶的性状)及其对水分、温度的需求,结合区域的气候与地理条件,对山西植被进行植物功能型的划分,并在此基础上对其空间格局进行分析。结果表明:(1)山西植被可划分为19类植物功能型(其中包括4类栽培作物功能型),分别是:寒温性常绿针叶林、温性常绿针叶林、寒温性落叶针叶林、温性落叶阔叶林、高寒落叶灌丛、温性落叶灌丛、多年生禾草草原、多年生禾草草丛、多年生禾草草甸、多年生莎草草甸、多年生杂类草草原、多年生杂类草草丛、多年生杂类草草甸。1年生杂类草草甸、多年生豆科草原、果树、一年一熟栽培作物、一年二熟栽培作物和二年三熟栽培作物。植物功能型的划分和分布与山西植被区划有较好的一致性,基本反映了植物固有特征及其对水热条件的需求。(2)农作物在山西占有较大比重,占植被类型面积的53.15%,森林类型以温性常绿针叶林和温性落叶阔叶林为主,灌丛类型以温性落叶灌丛为主,草本类型中多年生禾草草丛占较大比例,占草本类型面积的50.98%。(3)由于水热条件及地理条件的差异,植物功能型(不考虑栽培作物)在各区域表现出较大差异,如多年生杂类草草原主要分布于北部地区,在南部并不存在这种植物功能型;森林类型的功能型主要分布于中、南部地区,且结构复杂、类型多样。(4)除栽培作物表现出较好的整体性和连通性,其他植物功能型均表现出不同程度的破碎化和离散化。(5)山西植物功能型整体上表现出较高的多样性,其中中部地区比其他地区的多样性和破碎化程度高,斑块类型更加趋向于离散的小斑块状,北部地区则以一年一熟栽培作物占明显优势,表现出较强的优势度,而南部地区并没有表现出很强的破碎度或优势度。     

基于多源遥感数据的荒漠植被覆盖度估测

以塔里木河下游为靶区,根据地面调查和不同分辨率的多源遥感数据,逐级建立荒漠植被覆盖度遥感估测模型,并对不同模型、不同估测方法的估测精度进行比较.结果表明: 随着遥感数据空间分辨率的提高,植被覆盖度遥感估测模型精度增加;基于高分辨率、中高分辨率及中低分辨率遥感数据建立的植被覆盖度模型的估测精度分别为89.5%、87.0%和84.6%;遥感模型法的估测精度高于植被指数法.不同分辨率遥感数据估测荒漠植被覆盖度的精度变化规律,实现了荒漠植被覆盖度估测的高、中、低分辨率遥感数据参数及尺度的定量转换,可为研究区生态恢复遥感综合监测方案的制定和实施提供直接依据.     

CLM3.0-DGVM中植物叶面积指数与气候因子的时空关系

作为陆面模型里植被的特征量,叶面积值数（LAI）和植被覆盖度在陆地-大气相互作用的相关研究里被广泛应用。LAI的模拟是动态植被模式（DVM）的核心任务之一,需要对模拟的LAI与气候因子间的时空关系进行评估以更好的了解模式性能以及理解植被-大气反馈过程。用1950—1999年的气象数据驱动通用陆面模式的动态植被模式（CLM3.0-DGVM）模拟得到的全球潜在植被的LAI和2001—2003年MODIS观测资料衍生出的LAI数据进行对比,并在此基础上研究当前气候条件下不同植物功能型（PFT）的LAI与不同气候因子在年际尺度上的时空关系,包括运用Moran系数理论分析空间自相关性、运用逐步回归算法构建空间最优一阶线性回归方程、分析模式LAI与气候因子间的滞后相关性。研究表明：1）以MODIS衍生数据作参照,改进后的CLM3.0-DGVM能较好地模拟不同PFTs的LAI年最大值的空间分布型,但是在物候模拟即LAI的季节循环上存在不足;2）植物LAI的分布具有正的空间自相关性。对潜在植物LAI和气候因子进行拟合时不同气候因子对不同PFTs的方差贡献不一样,一般降水最大、风速最小。这反映了陆地生态系统和气候间复杂的相互关系;3）模式模拟的LAI和气候因子有显著的1～2年的滞后相关,其中光照、降水和LAI的滞后相关性波动较大,而温度、比湿的较小,风速的不明显。这些基于CLM3.0-DGVM的结论在自然界的植物–气候相互作用系统中具有普遍意义：不同地区不同植物受不同气候因子的影响不一样;找出不同PFT的主要气候影响因子和理解其中最关键的生物物理和生物化学过程是至关重要的。进一步工作需要用更精确和更高分辨率的气候数据以及局地观测的LAI对DGVM做评估,同时DGVM本身也需要继续改进（例如加入农作物和灌溉过程的模拟）。     

黄土丘陵区延河流域潜在植被分布预测与制图

潜在植被的分布预测与制图对植被恢复规划具有重要的指导价值.利用广义相加模型（generalized additive model,GAM）,结合GIS空间分析技术和环境梯度分层采样技术,为延河流域24个地带性物种建立了分布模型,并在考虑群落内部物种种间关系及其分布概率的基础上,对物种分布进行运算,模拟预测了延河流域37种植物群落的分布状况和延河流域的潜在植被分布.结果表明: 研究区植被分布预测值与实际调查值间的差异不显著,预测的植被空间分布较好地反映了延河流域潜在的植被分布状况,表明该模型具有较好的预测能力,对于区域植被恢复的目标设定和恢复规划具有重要意义.     

基于修正的亚像元模型的植被覆盖度估算

植被覆盖度是陆地生态过程模型、气象和气候模型的一项重要参数.通过消除植被类型分类精度以及遥感影像噪声带来的误差,结合实际测量值确定了归一化植被指数(NDVI)的最大值和最小值,修正了亚像元模型,并通过计算北京市植被覆盖度对模型进行了验证. 结果表明: 修正后模型的模拟值与实测值非常接近,尤其是对植被类型一致但密度有不同变化的草本植被, 但对乔木植被覆盖度的估算误差相对较大,这可能与遥感影像分辨率、植被破碎度及采用的混合像元模型有关.     

植被对近地面层水热交换影响的参数化模型

应用植被对地表面与大气之间水热交换影响的参数化模型,研究了不同植被类型的覆盖度、土壤湿度下垫面的土壤温度、叶温、近地面层气温及地表面与大气之间热量和水分交换,并一相应的观测资料进行了比较,结果表明,模拟不同植被的不同植被的温湿状况、辐射特征和能量平衡关系是合理的。因此,该参数化模型可于中尺度气象模型、气候模拟和环境生态学的研究。     

植被(植物群落)稳定性研究评述

稳定性是植物群落结构与功能的一个综合特征。本文对影响植被稳定性的主要干扰因索、群落多样性(复杂性)与稳定性的关系、植被稳定性的判定与测度指标、稳定性的机制等方面的研究进展进行了阐述。指出应加强干扰对植被稳定性影响及提高干旱区人工植被稳定性的技术措施的的研究,以指导自然植被的保护利用和人工植被的建设,对植被稳定性机制的认识需要从植物群落内部的生物学生态学过程方面进行深入研究。     

4个常用的气候-植被分类模型对中国植被分布模拟的比较研究

 应用KAPPA一致性检验方法,比较研究了4个常用的气候植被分类模型：Penman模型、Holdridge生命地带系统、Kira模型和Thornthwaite模型对中国植被分布模拟的一致性和适用性。结果表明：这4个常用的气候 植被分类模型对中国植被区划一级分类的植被地理分布模拟效果较好。其中,Holdridge生命地带系统的KAPPA值达到0.57,模拟效果优于其它三者。但对特定地区,如青藏高原的植被地理分布,所有模型均需改进或引入新的影响因子才能较好地模拟二级植被区划的植被地理分布。1)Penman模型对温带草原和青藏高原的植被地理分布模拟的KAPPA值超过0.50,是4个模型中对青藏高原植被地理分布模拟效果最好的。2)Thornthwaite模型对热带雨林、季雨林植被地理分布模拟的KAPPA值达到0.40,可以弥补Holdridge生命地带系统对热带植被地理分布模拟精度的不足。3) Holdridge生命地带系统对中国植被地理分布模拟的效果最佳,但对西部季雨林、雨林区域(52)、西部草原亚区域(63)、青藏高原温性荒漠地带(86)和温性草原地带(84)的模拟程度不理想。4)Kira模型对亚热带常绿阔叶林植被地理分布的模拟效果可与Holdridge生命地带系统相媲美;对低海拔和湿润、湿润地区植被地理分布的模拟效果尚可,但在温带荒漠区与青藏高原区植被地理分布的模拟效果与实际相差较远。     

稀疏植被区空气动力学粗糙度特征及遥感反演

应用中国西北半干旱区定西试验站2005年观测资料,估算了典型的稀疏农作物区空气动力学粗糙度,结合空气动力学模型分析了稀疏植被区空气动力学粗糙度的时间变化及其与风速、植株密度的关系,并得出空气动力学粗糙度的参数化方案;结合卫星遥感得到的植被叶面积指数资料,模拟了区域空气动力学粗糙度,得出:(1)空气动力学粗糙度的时间变化与风速变化规律有相反的特点;在稀疏植被区,粗糙单元分布密度对流场有一定影响,随粗糙单元密度的增加,空气动力学粗糙度将逐渐增大。(2)植株高度超过0.2m时,植被高度和植株密度、叶面积指数对空气动力学粗糙度的影响较大,当植株高度低于0.2m时,风速的影响较大。(3)结合遥感反演的叶面积指数,采用空气动力学粗糙度和叶面积指数及风速的关系,反演了空气动力学粗糙度,反演结果空间分布和误差都反映了实际空气动力学粗糙度的特征,证明空气动力学粗糙度遥感参数化比较成功。     

植被与水土流失关系研究进展

水土流失是世界性的环境问题之一,对人类社会可持续发展构成威胁,控制水土流失成为迫切需要,有许多水土流失控制措施,而生物措施尤其植被一直是人们研究的焦点.根据前人的研究,从斑块、坡面和流域/区域尺度总结了植被与水土流失的关系.斑块尺度植被对降雨和径流侵蚀能量具有很大的减弱或消除作用,可以改变植株底部的土壤性质,改善其结构,进而降低土壤可蚀性,增加入渗能力,从而减轻土壤侵蚀程度.不同植被类型、植被的不同层次结构,不同植被的形态结构具有不同的土壤侵蚀控制作用.坡面尺度主要从坡位、坡度、坡向对植被生长和分布格局的影响、对水土流失过程和格局的影响以及裸地-植被镶嵌格局、植被的条带格局对水土流失的影响和反映水土流失过程的景观格局指数的构建等方面进行了研究.更多是从植被恢复及其水土流失效应方面进行了探讨,为退化生态系统恢复和格局设计提供了极其有用的信息.流域/区域尺度植被与水土流失的关系更大程度上受到气候、地貌特征的影响,因此研究多从一定气候条件控制的土地覆盖（植被覆盖）及其格局的水土流失效应方面进行的.由于大尺度监测非常困难,研究多从遥感监测、GIS集成和模型模拟方面开展,是流域、区域等大尺度生态安全格局设计的有力支持.前人的研究为生态环境建设和保护提供了大量参考信息,但仍有一些问题需要进一步探讨,对此进行了初步的概括和归纳,希望能够对植被和水土流失关系的研究起到一定促进作用.     

生态恢复背景下陕北地区植被覆盖的时空变化

基于2000-2008年的MODIS影像,通过归一化植被指数(NDVI)像元二分模型对退耕还林(草)、水土流失综合治理等生态恢复措施驱动下陕北黄土高原生态脆弱区的植被覆盖度进行了动态评估.结果表明:2000-2008年,陕北地区植被覆盖度年内呈波动趋势,3月的植被覆盖度最差,8月最好;植被覆盖度空间分布的总体趋势是从西北向东南逐渐增加;年最大植被覆盖度在研究期间表现为明显增加;植被覆盖度组成中,低等植被覆盖度面积减少,中等植被覆盖度面积增加;植被覆盖度增加地区的面积占全区一半以上,以研究区东北部尤为明显.研究区植被覆盖度的显著增加是气候和人为因素综合作用的结果,一定程度上反映了生态恢复重建措施的有效性.像元二分模型可以准确模拟区域尺度上植被覆盖度的时空变化趋势,在区域植被恢复效果定量监测与评估方面具有适用性.