从生态地理特征论中国东北样带(NECT)在全球变化研究中的科学意义

中国东北样带(NECT)是国际地圈生物圈计划(IGBP)全球变化研究的陆地样带之一。该样带在东经112°与130°30′之间沿北纬43°30′设置,长约1600km,跨越北纬42°～46°,宽约300km,位于中纬度温带地区以降水或湿润度/干燥度为主要全球变化驱动因素,自东至西沿一个连续的空间过渡梯度,植被类型或生物群区是由温带针阔叶混交林、温带落叶阔叶林、农田及温带草原的3个亚地带:草甸草原、典型草原和荒漠草原等类型组成。给出了样带的基本生态地理特征及其梯度分析,包括其地理位置、地形地貌、气候梯度、土壤类型、土地利用格局、植被类型、主要优势种和群落类型的生态地理特征以及全新世适宜期的植被分布格局。这些特征沿经向均表现出明显的梯度分布。     

中国东北样带（NECT）：十年集成与未来挑战

作为“国际地圈-生物圈计划(IGBP)”的15条陆地样带之一,中国东北样带(Northeast China Transect,NECT)在IGBP核心项目“全球变化与陆地生态系统(GCTE)”中已经建立10年之久。该样带位于中纬度温带半干旱地区,跨越北纬42~46,东经110~132,其主要全球变化驱动因素为降水,次要驱动因素为土地利用强度。在过去的10年里,中国东北样带的研究进展表现在以下几个方面:生态数据库发展、气候及其变异性、植物对环境的生态生理响应、植被和景观变化、生物多样性格局及其变化、植物功能型和植物性状及气候梯度分析、生产力和碳动态、花粉-植被相互关系、痕量气体放散、土地利用和土地覆盖变化以及生物地理和生物地球化学模拟。为达到更高水平的集成研究,中国东北样带今后需要:统一框架下的坚实的基础数据集、进一步的野外实验和观测、从斑块、景观到生物群区尺度的植被结构、过程和功能的集成模拟、样带内和与其他IGBP样带研究结果的相互比较、多学科交叉研究、国内和国际协作以及完整的科学计划和实施对策。     

中国东北样带植被净初级生产力时空动态遥感模拟

 中国东北样带(Northeast China Transect, NECT)是中纬度半干旱区的国际地圈-生物圈计划(IGBP)陆地样带之一, 是全球变化研究的 重要手段与热点。该研究应用生态系统碳循环过程CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型分析了NECT从1982~1999年植被净初级生产力 (Net primary productivity, NPP)的时空变异及其影响因子。结果表明, 1) 1982~1999年NECT植被NPP为58 ~ 811 g C·m^–2·a^–1, 平均为426 g C·m^–2·a^–1, 大体上呈现由东向西逐渐递减的趋势; 2)研究时段内NECT的总NPP变异范围是0.218 ~ 0.325 Pg C, 平均为0.270 Pg C (1 Pg = 10¹⁵ g); 3) NECT的总NPP在过去18年内整体呈显著性增加趋势, 其中从1982~1990年样带NPP呈显著性增加趋势, 而后期1991~1999样带NPP没 有显著性变化趋势; 4)沿NECT不同植被类型对气候变化的响应特征是不同的, 在研究时段内, 农田、典型草原和草甸草原表现出最大的NPP增加 量, 而典型草原、荒漠草原对气候变化表现出高的敏感性; 5) NECT植被NPP的空间分布格局是由年降水量的分布格局所决定, 而NPP的时间变异 则由年降水量、年太阳总辐射的变化所影响驱动。     

中国东部南北样带主要植被类型归一化植被指数对气候变化的响应及不同时间尺度的差异性

植被的动态变化及其与环境的关系已成为全球变化研究的热点问题。陆地样带是进行全球变化驱动因素梯度分析的有效途径。该研究依托中国东部南北样带(NSTEC), 对南北样带不同时间尺度的气候因子和植被活动变化特征进行了分析, 并重点阐述了具有代表性的12种植被类型对气候因子的响应方式。研究结果表明: 南北样带植被的归一化植被指数(NDVI)的变化同时受控于气温和降水, 但是在不同的空间和时间尺度上植被NDVI的响应方式各异。在年时间尺度上, 只有温带落叶灌丛(TDS)的NDVI受气温控制; 而温带禾草草原(TGS)和亚热带和热带针叶林(STCF)的NDVI同时受气温和降水调控。其他植被类型的年NDVI与年平均气温和年总降水量没有直接显著的联系, 而受年内气温变化和降水分配状况的影响更大。在月时间尺度上, NDVI与气温的关系在不同类型植被之间存在很大差异。一般而言, 植被NDVI与前4个月内的气温关系最为密切, 并且从1月份到4月份气温的滞后时长在缩短。其中, 温带针叶林(TCF)、温带落叶阔叶林(TDBF)、TDS、STCF和亚热带热带草丛(STG)等植被类型, 5-8月的NDVI与气温普遍呈负相关关系。草原和灌丛植被类型当月NDVI与当月降水量主要以正相关为主, 而森林类型当月NDVI与当月降水量主要以负相关为主。     

发展NECT土地覆盖特征数据集的原理、方法和应用

着重探讨了建立中国东北样带 (NortheastChinatransect, NECT) 土地覆盖特征数据集的原理、方法及其在全球变化研究方面的重要应用。NECT土地覆盖特征数据集是以多时相的 1km分辨率的NOAA/AVHRR归一化植被指数NDVI (Normalizeddifferencevegetationindex) 数字影像为基础, 同时采用高程、气候、土壤、植被、土地利用、土地资源、生态区域、行政边界、经济、社会等多源数据作为数据源, 并经过标准化处理 (如数字化、空间插值、几何配准、投影转换 ) 集成而成。在土地覆盖特征数据集的主要应用方面, 如 :1) 利用多时相、1km分辨率的NOAA/AVHRR影像完成了中国东北样带土地覆盖分类图。一级分类系统包括森林、草原、荒漠和沙地、灌丛、农田、混合覆盖 类型、城镇和水体等 8类, 二级分类体系包括 12类。经过地面采样进行精度检验, 分类精度达到 81.6 1%。 2 ) 对主要植被类型的植物生长季变化进行的研究。利用多时相的遥感影像构造了能够反映植被年际、季节生长变化的遥感植被指数ND VImax、NDVI变幅xam以及NDVI的标准偏差x′s 等, 分析这 3个参数 1983~ 1999年的 17年中的变化情况。该数据集的建立是研究该样带土地覆盖特征及其变化规律的基础, 对基于样带的全球变化研究有重要的意义。     

中国东部陆地农业生态系统与全球变化相互作用机理研究取得重要进展

国家自然科学基金重大项目"中国东部陆地农业生态系统与全球变化相互作用机理研究"取得重要进展.最近,该项目被国际地圈生物圈计划(IGBP)中的全球变化与陆地生态系统计划(GCTE)列为核心研究项目,分类级别为一等(这是GCTE给予研究项目的最高支持),开展该研究的中国东部南北样带被列为IGBP的第15条国际标准样带.最近,GCTE主席Noble教授致信首席科学家彭少麟研究员对此给予正式确认.GCTE执行官Canadell博士代表GCTE,于6月9～19日专程访问了项目组并考察了样带.这表明该项目己获得国际科学界的高度重视,项目组所开展的研究已与国际同类研究接轨.     

利用遥感植被指数分析中国东部样带农业生态系统的生产力格局

在研究全球变化与陆地生态系统之间的关系方面 ,样带研究被认为是十分重要的手段之一。中国东部从南到北沿热量梯度出现的植被变化特点 ,形成世界上独特完整的以热量梯度驱动的植被连续带 ;加之中国地处世界上最大的“欧亚大陆”最东段 ,具有独特的大陆季风气候 ,样带内农业生态系统的各种变化具有区域代表性和典型性 ,使之成为全球变化研究中不可缺少的部分。目前 ,全球变化的研究范围和内容已经超越了传统生态系统研究所关注的斑块水平 ,要把斑块水平的生态系统研究成果拓展到区域乃至全球的空间尺度上 ,就需要在尺度转换上取得技术和方法…     

中国东部陆地农业生态系统南北样带的自然概况

介绍了中国东部陆地农业生态系统南北样带的自然情况,包括地理范围、地貌、气候、土壤、植被资源等。通过对东部样带内气候与植被相关分析发现,降水量与温度是影响东部样带内植被分布的重要因素。     

中国东北样带对全球变化响应的动态模拟——一个遥感信息驱动的区域植被…

对中国东北样带植被生物量的时空变化进行了计算机模拟。模型以１２种植被类型的绿色和非绿色生物量以及３层土壤水分为其状态变量。模拟绿色生物量被转成ＡＶＨＲＲ归一化植被指数（ＮＤＶＩ）,并与１９８６￣１９９０年观测到的植被指数进行了比较。大气ＣＯ２浓度、气温和降水被用作样带对全球变化响应研究的３个基本驱动变量。模型中还包括了降水和气温改变对日照百分率、相对湿度、辐射及土壤水分和植物生长的影响。ＣＯ２取当     

基于草地综合顺序分类系统(IOCSG)的中国北方草地地上生物量高精度模拟

草地生态系统是陆地生态系统中分布最广泛的生态系统类型之一,草地生物量的精确估算一直是陆地生态学研究的重点问题。针对目前草地生物量估算方法的不确定性问题,提出了不依赖于遥感植被指数,而是通过分析草地生物量影响因素的方法去构建草地生物量估算模型。根据年积温(0℃)和湿润度指标将研究区域划分为4种潜在植被类型,即微温干旱温带半荒漠类、微温微干温带典型草原类、微温微润草甸草原类和微温湿润森林草原类,然后对每一种潜在植被类型的草地生物量分析其内在影响因素,研究结果发现,微温干旱温带半荒漠类的草地生物量与年积温存在较好的线性关系,微温微干温带典型草原类的草地生物量可以用表层土壤粘粒含量的二次多项式来模拟,后两种潜在植被类型的草地生物量则随着潜在NPP的变化呈现先减小后增大的变化趋势。对4种潜在植被类型区域分别建立草地生物量与其影响因素之间的回归关系确定研究区域草地生物量的趋势面,结合HASM模型实现研究区域草地生物量的高精度模拟,结果显示上述4种潜在植被类型区的草地平均生物量分别为76.62、110.94、142.69、184.40 g/m2。     

中国东北样带土壤氮的分布特征及其对气候变化的响应

根据2001年中国东北样带土壤全氮和有效氮的实测数据,结合CO₂浓度倍增与不同土壤湿度的模拟试验数据,对土壤全氮和有效氮的梯度分布、影响因子分析及其对气候变化的响应进行研究.结果表明,样带土壤表层全氮和有效氮的梯度分布与土壤有机碳的分布基本一致:沿经度呈现东高西低的趋势,局部由于土壤退化而出现低谷.土壤全氮的剖面分布和土壤有机碳相似,而土壤有效氮则有所不同.样带土壤全氮和有效氮与土壤pH、有机碳、全磷、全硫、全锌、土壤活性碳、有效磷、有效钾、有效锰、有效锌、土壤容重、田间持水量、土壤总孔度等因子均呈显著或极显著的相关关系.样带土壤全氮和有效氮与降雨量之间呈极显著的正相关关系(r=0.682,P＜0.001和0.688,P＜0.001).短期培养试验中,CO₂浓度倍增和不同土壤湿度下土壤全氮和有效氮的变异较小(变异系数分别是5.55%和3.84%),但可反映一定的变化趋势.     

Monitoring Inter-annual Variation of Evapotranspiration with Meteorological Satellite Remote Sensing Method in China Monsoon Transect

The balance and exchange of water and energy in the ecosystem of China is noticeably affected by the monsoon climate especially associated with the occurrence of flood and drought in summer time. The determination of evapotranspiration (Ep), an important parameter of water balance, thus, is a linchpin for the investigation of monsoon-its mechanism and practical impacts. A new method to obtain actual Ep value has leen developed, which could monitor the actual Ep value in macro scale by using NOAA/AVHRR satallite data. The principle of the method is based on the experiment carried out by NASA in the eighth decade. In the IGBP( International Geosphere-Bio- sphere Program) studies, 13 special areas were selected for accessing their bio-diversity and the sensitiveness of climate change. NECT (Northeast China Transect) is one of the three mid-scale study areas. The location is 43.5˚ ± 1.5˚ N and 112˚ to 130.5˚ E. There are several biological systems including desert, dry grassland, steppe, forest and cultivated land. The vegetation index, as one of the significant indices of great importance in remote sensing, provides abundant and objective information for regional and global eco-environmental monitoring. NDVI (normalized difference vegetation index) is the most widely used vegetation index due to its efficiency, and is defined as: NDVI = ( CH2- CH1 )/( CH2 + CH1 ), where, CHI, CH2 are the albedo of channel 1 and channel 2 respectively. Some studies showed that NDVI is closely related to water supply conditions and Ep is one of the signs of water supply conditions as known, so some of our experiments was carried out to find the relation between Ep and NDVI in NECT. The experimental model of Ep is shown as following: E = a·e b·NDVI, where, a and b are the empirical coefficients. NDVI data of NECT specified in the years of 1990, 1991 and 1992 were selected in this study. The results are highlighted as follows: 1. The climate condition was normal in 1990; precipitation was abnormally high in 1991 as floods occurred in many places of China and droughts occurred in 1992 due to poor precipitation. The climate features of those years could be seen in the Ep map. For example, the area with Ep values from 0 to 250 mm was the smallest in 1991 and biggest in 1992, indicating that Ep reflects climate changes directly. 2. The Ep of China exhibited ribbon-like distribution, with much more prominent variation from west to east than from north to south. By analyzing the Ep in three lines (42N, 44N, 45N) of the transect, it was found that there was quite a similar trend of change in the lines from 200 mm to 800 nun or more. The distribution of the biological systems from the west to the east was as in the order of desert, dry grassland, steppe, dry grassland, cultivated land and forest. The patterns of Ep distribution were in agreement with the distribution of vegetation species in this area especially in the west of the transect. 3. Analysis of the inter-annual variation of Ep among the years of 1990, 1991 and 1992 revealed that one could deduct from the maximum variation (the absolute value) that, under a specific condition of climate change, the most significant response appeared to be at the boundaries between the dry grassland and the steppe where the vegetation population was very frangible and very sensitive to the slightest climate change. The result may be helpful in selecting a target area for further research on the effect and mechanism of monsoon climate.     

用气象卫星遥感方法监测中国季风区气候敏感带蒸散量的年际变化

提出了一种较新的计算全年蒸散量的方法,即利用气象卫星NOAA/AVHRR的归一化植被指数来宏观监测蒸散量,并选择同时具有各类典型生态类型的敏感区进行实验。该敏感区位于中国东北地区,包括荒漠、干草原、草甸草原、森林区、农耕区等多种生态环境。实验结果证明了实际蒸散量与生态类型具有相关性;并利用1990、1991、1992三个典型年份进行了蒸散量的年际变化分析,找到对季风影响最敏感的生态区。     

中国东北样带土壤活性有机碳的分布及其对气候变化的响应

 基于中国东北样带2001年考察采集土样的实测数据及CO2浓度升高和干旱胁迫的模拟试验资料,分析了土壤活性有机碳的分布特征及其对气候变化的响应。结果表明,样带土壤活性有机碳与土壤有机碳之间呈极显著正相关关系（相关系数Ｒ=0.993,p<0.001）。表层土壤活性有机碳平均为(3.5     

测量的区域土地覆盖格局研基于多尺度遥感究

 利用1km、4km和8km 3种空间分辨率的NOAA/AVHRR数字影像,对中国NECT样带西部地区进行了土地覆盖分类及其景观特征的比较研究。重点比较了几种空间分辨率遥感数据分类结果边界的一致性和空间差异,以及影像所记录的景观格局的差异。为进一步在不同尺度上研究景观变化过程以及尺度转换研究奠定了基础。研究表明：3种空间分辨率的遥感影像所反映的区域土地覆盖的宏观空间格局是一致的,但类型的边界、每一类型斑块的形状和数量均产生较大的差异;经过对反映景观空间结构的4种指标（分维数、破碎度、多样性、优势度）的比较显示出随着遥感影像空间分辨率的变化,影像所反映的景观结构发生了较大的变化。其中,各覆盖类型的分维数表现出最大差异,表征着空间分辨率的变化对斑块复杂程度的影响最大。     

Anthropogenic and climatic impacts on surface pollen assemblages along a precipitation gradient in north‐eastern China

Aim To understand the scenarios of ‘anthropogenic biomes’ that integrate human and ecological systems, we need to explore the impacts of climate and human disturbance on vegetation in the past and present. Interactions among surface pollen, modern vegetation and human activities along climate and land‐use gradients are tested to evaluate the natural and anthropogenic forces shaping the modern vegetation, and hence to aid the reconstruction of vegetation and climate in the past. This in turn will help with future predictions. Location The North‐east China Transect (NECT) in north‐eastern China. Methods We analysed 33 surface pollen samples and 213 quadrats across four vegetation zones along the moisture/land‐use gradients of the NECT. Detrended correspondence analysis (DCA) and redundancy analysis (RDA) of 52 pollen taxa and three environmental variables were used to distinguish anthropogenic and climatic factors that affect surface pollen assemblages along the NECT. Results The 33 surface samples are divided into four pollen zones (forest, meadow steppe, typical steppe and desert steppe) corresponding to major vegetation types in the NECT. Variations in pollen ratios of fern/herb (F/H), Artemisia/Chenopodiaceae (A/C) and arboreal pollen/non‐arboreal pollen (AP/NAP) represent the vegetation and precipitation gradient along the NECT. DCA and RDA analyses suggest that surface pollen assemblages are significantly influenced by the precipitation gradient. Changes in the abundance of Chenopodiaceae pollen are related to both human activities and precipitation. Main conclusions Surface pollen assemblages, fossil pollen records, archaeological evidence and historical documents in northern China show that a large increase of Chenopodiaceae pollen indicates human‐caused vegetation degradation in sandy habitats. The A/C ratio is a good indicator of climatic aridity, but should be used in conjunction with multiple proxies of human activities and climate change in the pollen‐based reconstruction of anthropogenic biomes.     

测量的区域土地覆盖格局研基于多尺度遥感究

利用1km、4km和8km 3种空间分辨率的NOAA/AVHRR数字影像,对中国NECT样带西部地区进行了土地覆盖分类及其景观特征的比较研究。重点比较了几种空间分辨率遥感数据分类结果边界的一致性和空间差异,以及影像所记录的景观格局的差异。为进一步在不同尺度上研究景观变化过程以及尺度转换研究奠定了基础。研究表明：3种空间分辨率的遥感影像所反映的区域土地覆盖的宏观空间格局是一致的,但类型的边界、每一类型斑块的形状和数量均产生较大的差异;经过对反映景观空间结构的4种指标（分维数、破碎度、多样性、优势度）的比较显示出随着遥感影像空间分辨率的变化,影像所反映的景观结构发生了较大的变化。其中,各覆盖类型的分维数表现出最大差异,表征着空间分辨率的变化对斑块复杂程度的影响最大。     

Carbon balance along the Northeast China Transect(NECT-IGBP)

The Northeast China Transect (NECT) along a precipitation gradient wasused to calculate the carbon balance of different vegetation types, land-use practices and temporal scales. NECT consists of mixed coniferous-broadleaved forest ecosystems, meadow steppe ecosystems and typical steppe ecosystems. Analyses of the C budget were carried out with field measurement based on dark enclosed chamber techniques and alkali absorption methods, and the application of the CENTURY model. Results indicated that: (1) soil CO2 flux had a strong diurnal and seasonal variation influenced by grassland type and land-use practices. However, the seasonal variation on soil CO2 fluxes did not show obvious changes between non-grazing and grazing Leymus chinensis dominated grasslands. (2) Hourly soil CO2 fluxes mainly depended on temperature, while daily CO2 fluxes were affected bothby temperature and moisture. (3) NPP of the three typical ecosystems showed linear relationships with inter-annual precipitation, but total soil carbon of those ecosystems did not. NPP and total soil carbon values decreased westward with decreasing precipitation. (4) Model simulation of NPP and total soil carbon showed that mean annual precipitation was the major limiting factor for ecosystem productivity along NECT. (5) Mean annual carbon budget is the largest for the mixedconiferous- broadleaved forest ecosystem (503.2 gC m-2 a-1), followed by the meadow steppe ecosystem (227.1 gC m-2 a-1), and the lowest being the typical steppe ecosystem (175.8 gC m-2 a-1). This study shows that concurrent field measurements of terrestrial ecosystems including the soil and plant systems with surface layer measurements along the water-driven IGBP-NECT are valuable in understanding the mechanisms driving the carbon cycle in different vegetation types under different land-use practices. Future transect research should be emphasized.