中国陆地生态系统对全球变化的敏感性研究

根据自然植被净第一性生产力综合模型和农业净第一性生产力模型计算了我国自然植被及农作物的净第一性生产力,结果表明:在所有可能的气候条件下,我国陆地生态系统的生产力表现出由东南向西北递减的趋势及明显的条带状分布,并在新疆地区形成明显的低值区。在年平均气温升高2℃且降水不变的情况下,湿润地区生产力增加幅度最大,约增加1～2tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水增加20％的情况下,干旱、半干旱地区生产力增加幅度最大,约增加0.5～3.0tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水减少20％的情况下,湿润地区生产力提高约0.5～1.0tDW·hm~(-2)·a~(-1),干旱、半干旱地区生产力降低约0.5～2.0tDW·hm~(-2)·a~(-1)。     

四川植被净第一性生产力(NPP)对全球气候变化的响应

根据全球气候变化的趋势 ,利用生态信息系统 (EIS)技术 ,采用植被净第一性生产力模型 ,并结合海拔因素 ,模拟了四川植被净第一性生产力在未来气候 5种水热条件下空间分布格局的变化趋势。结果表明 ,当前四川植被的净第一性生产力 (NPP)从总体上沿东南向西北呈逐渐递减趋势。植被净第一性生产力与降水量呈明显正相关关系 ,二者曲线比较近似。与可能蒸散率呈明显负相关关系 ,与海拔关系比较复杂。在盆地内 ,NPP值主要取决于降水量的多少。在盆地向高原过渡地区和高山高原地区 ,植被净第一性生产力主要取决于可能蒸散率的大小。随着全球气候的变化 ,四川省的植被净第一性生产力将沿东南至西北方向发生面积和值的推移。当温度升高 2 5℃ ,降水量增加 10 %时 ,四川省的植被净第一性生产力将增加13 76 % ,随着降水量增加到 2 0 % ,其值将进一步升高 ,达到 10 92 2TDM·hm-2 ·年 -1。当温度升高 4℃ ,降水量增加 10 %时 ,四川省的植被净第一性生产力将增加 18 2 9% ,随着降水量减少到P 10 %时 ,其值将逐渐减少到 9 5 30TDM·hm-2 ·年-1。     

利用CASA模型估算我国植被净第一性生产力

基于地理信息系统和卫星遥感应用技术,利用CASA模型估算了我国1997年植被净第一性生产力及其分布。结果表明：1997年我国植被净第一性生产力为1．95PgC,约是世界陆地植被年净第一性生产力的4．0％;我国植被净第一性生产力的主要分布趋势是从东南沿海向西北逐渐减小,其中海南岛南部、云南西南部、青藏高原东南部的热带雨林和季雨林地区植被年净第一性生产力最大,达900gC.m^2.a^-1以上,而西部塔克拉玛干沙漠地区植被年净第一性生产力最小,不足10gC.m^-2.a^-1。     

东北森林净第一性生产力与碳收支对气候变化的响应

以东北地区(38.43'N～53.34'N,115.37'E～135.5'E)为研究对象,利用当前气候状况和不同气候情景下的气象数据驱动基于个体生长过程的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN,模拟了气候变化对东北森林生态系统净第一性生产力(NPP)和碳收支(NEP)的影响.结果表明:1981～2002年期间,东北森林NPP总量位于0.27～0.40 pgc·a-1之间,平均值为0.34 pgc·a-1;土壤呼吸总量在0.11～0.27 PgC·a-1,平均为0.19 PgC·a-1;NEP总量位于0.11～0.18 PgC·a-1之间,且近20多年来该区森林起着CO2汇的作用,平均每年吸收0.15 Pg C的CO2;该区森林NPP和NEP对温度升高比对降雨变化的反应更为敏感;综合降雨增加(20%)和气温增加(3℃)的情况,该区各点森林的NPP和NEP增加的幅度最大;温度不变、降水增加(不变)情景下最小.     

内蒙古锡林河流域羊草草原净初级生产力及其对全球气候变化的响应

利用CENTURY模型对内蒙古锡林河流域羊草草原在未来气候变化以及大气CO₂浓度增高条件下的年地上净初级生产力(annual aboveground net primary productivity,ANPP)动态进行了模拟研究.结果表明：CENTURY模型可以较好地预测ANPP的变化.进一步的情景模拟发现,虽然全球气候变化所引起的温度和降水改变、以及大气CO₂浓度升高都会影响ANPP,但降水是关键的影响因子.多个全球气候模型(GCM) 预测该地区未来降水量会减少,故可能导致其ANPP降低,但在以下气候变化情景下研究区ANPP可能会升高：1)CO₂浓度倍增,温度升高2 ℃,降水保持不变或增加10%～20%;2)CO₂浓度保持不变,温度升高2 ℃,降水增加20%.气候变化将对内蒙古锡林河流域羊草草原产生显著影响.     

中国油松林净第一性生产力及其对气候变化的响应

本文利用中国油松林的净第一性生产力资料对周广胜和张新时所建立的自然植被的净第一性生产力模型进行了检验。利用该模型的结果将我国油松林分为高产、亚高产、中产和低产四个区,并研究了气候变化对我国油松林净第一性生产力的可能影响,结果表明：气温增加,降水也同时增加,有利于油松林生长,高产和亚高产区扩大,中产和低产区减小;气温增加,而降水同时减少,则将降低油松林生产力,高产区、亚高产区减小,中产区及低产区增大．     

荒漠短命植物地上和地下生产力对极端干旱和降水的响应

在古尔班通古特沙漠南缘沙垄4个坡位和坡向,设置减少65%和增加65%生长季降水量以模拟极端干旱和极端降水事件,研究极端干旱和极端降水事件对沙垄不同坡位和坡向短命植物层片生产力的影响。结果表明: 极端干旱使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著降低48.8%和13.7%,极端降水使地上净初级生产力和地下净初级生产力分别显著增加37.9%和23.2%。地上净初级生产力对极端干旱和极端降水的敏感性(0.26和0.21 g·m^-2·mm^-1)显著强于地下净初级生产力的敏感性(0.02和0.03 g·m^-2·mm^-1)。沙垄东坡地上净初级生产力(24.22 g·m^-2)和地下净初级生产力(5.77 g·m^-2)与西坡相比显著增大29.7%和71.7%,而地上净初级生产力和地下净初级生产力对降水变化的敏感性在不同坡位和坡向之间差异不显著。     

基于BIOME-BGC模型的红壤丘陵区湿地松(Pinus elliottii)人工林GPP和NPP

应用生物地球化学模型BIOME-BGC模型估算了1993～2004年红壤丘陵区湿地松林总第一性生产力（GPP）、净第一性生产力（NPP）,并分析GPP、NPP年际变化对气候的响应以及未来气候变化情景下GPP、NPP的响应。结果表明,湿地松林1993～2004年GPP、NPP的总量变化波动于1777～2160g Cm^-2a^-1之间和453～828gCm^-2a^-1之间,平均值分别为1941g Cm^-2a^-1和695gCm^-2a^-1。在研究时段内,GPP、NPP有缓慢增长趋势,GPP、NPP总量平均值从1990年代初期（1993～1996年）的1826、687gCm^-2a^-1上升到21世纪初期（2001～2004年）的2026、693gCm^-2a^-1。这主要是由于研究时段内GPP、NPP对降水缓慢增长的正响应造成的。未来气候变化情景分析表明,CO2浓度倍增不利于湿地松林GPP、NPP的增长,但均不超过1.5%。在CO2浓度不增加条件下,GPP正向响应了降水单独变化和温度升高1.5℃且降水增加情景,正向响应NPP的情景条件是降水的单独变化;当CO2浓度倍增和气候改变时,预测的GPP正向响应了降水的变化,同时正向响应了温度升高1.5℃且降水变化;正向响应NPP的情景条件是降水的变化。     

Aboveground net primary productivity and soil respiration display different responses to precipitation changes in desert grassland

荒漠草原区地上净初级生产力和土壤呼吸对降水变化的不同响应 降水变化既影响地上植被动态,也影响地下碳循环过程,尤其以干旱半干旱生态系统对降水的响应更为敏感。然而极端降水如何影响土壤碳固存潜力仍未得出明确结果。本研究在黄土高原西部荒漠草原样地实施了为期3年的降水控制实验,该实验包含5个降水梯度(即自然降水(对照),以及在自然降水基础上的减水40%、减水20%、增水20%、增水40%)。通过对不同降水处理下植物生长指标、地上净初级生产力(ANPP)、土壤水分和土壤呼吸(Rs)进行监测,采用双侧不对称模型揭示ANPP和Rs对降水变化的响应规律;采用结构方程模型,分析降水变化下影响ANPP和Rs的直接和间接因素。研究结果表明,ANPP对极端干旱的响应比极端湿润更敏感,在干旱和湿润年份均符合负向不对称模型。ANPP的变化主要受到降水的直接影响,同时,干旱年份植物密度的变化也对ANPP产生了影响。在湿润年份,Rs对降水变化的响应也呈负向不对称性。然而,干旱年份,Rs对降水变化表现出正向不对称响应,即对降水增加响应的敏感性高于降水减少,这可能与植物生长和ANPP对增水处理的正响应增加使自氧呼吸增强,及降水事件对异氧呼吸具有较强的‘Birch效应’有关。在干旱年份Rs对极端干旱(减水40%处理)表现出饱和响应。ANPP和Rs对降水格局改变的响应模式差异表明荒漠草原区极端湿润或干旱可能降低研究区土壤碳固存的潜力。     

基于GIS和RS的广东陆地植被生产力及其时空格局

在GIS和RS工具支持下,利用多时相遥感数据NOAA-AVHRRNDVI和地面气象数据研究了广东陆地植被净第一性生产力及其时空分布.结果表明广东陆地植被净第一性生产力的遥感估算值与实测值接近,效果较好;广东陆地植被净第一性生产力介于0～1568.9gC/(m2*a)之间,年平均净第一性生产力约为753.2(±277.0)gC/(m2*a),全省陆地生态系统每年约固定碳1.34×1014g.广东陆地植被净第一性生产力的地区差异显著,反映了广东陆地植被因受人类活动影响而比较破碎的特点;同样,广东陆地植被净第一性生产力的年变化显著,夏半年约为冬半年的4倍以上,这主要与该地区气温和水分条件的季节变化有关;即使是常绿阔叶林,其年净第一性生产力也有明显差异,且年变化显著.     

2000—2019年宁夏植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

宁夏是我国重要的农牧交错区,开展该地区植被净初级生产力(NPP)时空变化及其驱动因素研究对于认知该地区NPP变化趋势及主导因素、揭示其植被恢复状况及成因具有重要作用。本研究基于MODIS NPP数据,利用Theil-Sen Median趋势分析、相关分析、叠加分析等方法分析宁夏植被NPP的时空变化及驱动因素。结果表明: 2000—2019年,宁夏植被NPP总体呈波动上升趋势,其线性增长速度为5.46 g C·m^-2·a^-1。研究区植被NPP在空间上呈现两高两低的分布特征,以南部山区最高,其次为引黄灌区,中部干旱带丘陵区和贺兰山一带最低。研究区84.2%的植被NPP处于显著恢复中,主要分布在中部及南部山区丘陵地,植被NPP随海拔变化显著,受地形影响明显。宁夏植被NPP重心总体向正南方向移动,南部植被NPP的增量和增速大于北部。宁夏地区年降水量呈增加趋势,年均温微弱降低,植被NPP主要受降水量的显著影响(R²=0.291),年均温与植被NPP相关性不显著。研究区96.9%的区域处于植被恢复状态,受气候变化和人类活动共同促进。     

玛纳斯河流域NPP时空变化及其生物多样性维护功能重要性评价

基于植被净初级生产力(NPP)法开展干旱区流域生物多样性维护功能重要性评价可为区域生态安全建设提供科学依据。基于玛纳斯河流域MODIS13Q1数据和环境数据，利用卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA)估算2001—2020年流域植被NPP,结合地形因子构建流域生物多样性维护功能重要性评价模型，利用地理探测器分析气候、地形、土壤类型等因子对流域NPP的空间异质性影响。研究结果表明：(1)近20年，流域植被NPP均值呈上升趋势，高值集中于山地区低山丘陵带和绿洲区中部，低值区分布于荒漠生态区；(2)从流域不同土地利用类型的NPP均值看，耕地>林地>草地>建设用地>未利用地>水域；(3)流域生物多样性维护功能的一般重要区、中等重要区、重要区和极重要区的数值范围为：0—0.12、0.12—0.22、0.22—0.47和0.47—0.84,分别占流域总面积的20.17%、20.14%、19.91%和19.85%,山地区低山丘陵带和绿洲区中部是流域生物多样性维护功能的极重要区；(4)年平均降水、土壤类型是流域NPP空间分异解释力最强的因子；各因子的影响呈非线性增强及...     

Dynamic Modelling of Northeast China Transect Responses to Global Change-A Regional Vegetation Model Driven by Remote Sensing Information

A remote sensing driven dynamic simulation model was developed for terrestrial ecosystems. The model was encoded in C language under the environment of SPAMOD, a spatial simulation tool developed under MS Windows. The model was applied to Northeast China Transect to simulate the dynamics of green and non-green biomass of 12 vegetation categories as well as soil water of 3 layers. The green biomass was converted to normalized difference vegetation index (NDVI) of AVHRR remote sensing, and compared with the observed NDVI from 1986 to 1990. The model was also compared with ground measurements of biomass and productivity along the transect. Ambient CO2 concentration, monthly mean air temperature and monthly precipitation were regarded as the three basic driving variables for global change study. The model also included the effects of temperature and precipitation on sunshine fracti6n, relative humidity, radiation, soil water and eventually plant growth. For each CO2 and climatic scenario, the model was run for an equilibrium solution. The results indicated that the natural vegetation of the transect was very sensitive to variation of temperature and CO2 concentration. With CO2 remained unchanged and temperature increased by 4 CE, the induced increase in evapotranspiration could reduce the average biomass and net primary productivity (NPP) over the whole transect by 32.1% and 41.9 % respectively. In contrast, a 20 % increase in precipitation alone could lead to an increase of the average biomass and NPP by 8.1% and 13.4% respectively. Under the present climatic conditions, CO2 doubling could increase the average biomass and NPP by 12.2% and 17.1% respectively. Because of compensation between the positive effects of CO2 and precipitation increase and the negative effect of temperature increase, a comprehensive interaction among CO2 doubling, a 20% increase of precipitation and a 4 ℃ increase of temperature altogether can lead to approximately a 2% reduction in the biomass and NPP of the natural vegetation over the whole transect.     

Response of net primary production to land use and climate changes in the middle‐reaches of the Heihe River Basin

Net primary production (NPP) supplies matter, energy, and services to facilitate the sustainable development of human society and ecosystem. The response mechanism of NPP to land use and climate changes is essential for food security and biodiversity conservation but lacks a comprehensive understanding, especially in arid and semi‐arid regions. To this end, taking the middle‐reaches of the Heihe River Basin (MHRB) as an example, we uncovered the NPP responses to land use and climate changes by integrating multisource data (e.g., MOD17A3 NPP, land use, temperature, and precipitation) and multiple methods. The results showed that (a) land use intensity (LUI) increased, and climate warming and wetting promoted NPP. From 2000 to 2014, the LUI, temperature, and precipitation of MHRB increased by 1.46, 0.58°C, and 15.76 mm, respectively, resulting in an increase of 14.62 gC/m² in annual average NPP. (b) The conversion of low‐yield cropland to forest and grassland increased NPP. Although the widespread conversion of unused land and grassland to cropland boosted both LUI and NPP, it was not conducive to ecosystem sustainability and stability due to huge water consumption and human‐appropriated NPP. Urban sprawl occupied cropland, forest, and grassland and reduced NPP. (c) Increase in temperature and precipitation generally improved NPP. The temperature decreasing <1.2°C also promoted the NPP of hardy vegetation due to the simultaneous precipitation increase. However, warming‐induced water stress compromised the NPP in arid sparse grassland and deserts. Cropland had greater NPP and NPP increase than natural vegetation due to the irrigation, fertilizers, and other artificial inputs it received. The decrease in both temperature and precipitation generally reduced NPP, but the NPP in the well‐protection or less‐disturbance areas still increased slightly.     

青藏高原草地产量与草畜平衡变化

深入了解青藏高原草地生产力与草畜平衡状态的变化,是青藏高原生态屏障建设和生态环境保护的基础。利用遥感植被指数和叶面积指数产品,基于VIP生态水文过程模型,模拟分析了青藏高原2000—2018年间草地生产力的时空格局,并结合同期农牧业统计资料,分析了青藏高原县域尺度草畜平衡状态的变化。结果表明:青藏高原草地多年平均净初级生产力(NPP)为158.4 g C·m^-2·a^-1;近20年来草地生产力上升趋势明显,显著上升面积的比例为44.7%。气候变暖、降水量增加、草本植物生长期延长和大气CO₂浓度升高是青藏高原草地生产力提高的主要驱动因素。基于草场产量估算的青藏高原平均理论载畜量为1.17 SU·hm^-2,年增长率为0.011 SU·hm^-2。2000年以来青藏高原草地超载情况总体趋于好转,严重超载县的面积比例已降至20%以下,其中超载程度较严重的地区,畜牧业的维持和发展主要依靠作物秸秆补饲。研究结果可为区域农牧业结构调整和生态环境保护提供科学依据。     

河西走廊植被净初级生产力时空变化及其影响因子研究

干旱半干旱区植被NPP变化对全球碳循环有重要影响,该区域NPP对气候变化的响应表现出较大的时空异质性,其驱动机制并不十分清楚。选择中国河西走廊,利用随机森林算法估算了2002-2018年的NPP,基于偏导数法计算了气候与人类活动对NPP的影响。结果表明：（1）随机森林算法能较好的适用于干旱半干旱区NPP估算。（2）2002-2018年间河西走廊年NPP的平均值为153.32 gC m^-2 a^-1,总量为37.468 Tg C/a,呈东南向西北递减的分布特征,研究期间NPP呈2.37 gC m^-2 a^-1（P=0.09）增长趋势。（3）河西走廊NPP变化52.51%由气候因子贡献,47.49%由人类活动贡献。（4）在气候变化对NPP的影响中,降水主导了该区72.21%的区域,温度对NPP变化量的贡献占73.71%,前者影响着NPP变化格局,后者主导NPP变化数量。升温和增湿均有利于该区NPP增加,随着西北地区气候暖湿化,河西走廊植被会持续改善,该研究有助于理解干旱半干旱区NPP对气候变化的响应机制,为适应气候变化政策制定提供理论依据。     

1999—2015年若尔盖草原湿地净初级生产力时空变化

植被净初级生产力(NPP)是草原湿地生态系统碳收支平衡和气候变化的核心内容之一。本研究基于植被指数、气象数据(降水和气温)、植被类型数据,利用CASA模型对若尔盖草原湿地1999—2015年NPP进行估算,分析了若尔盖草原湿地NPP时空格局特征及其与气候因子的关系。结果表明: NPP实测值与模拟值之间显著相关,R²为0.78,均方根误差为120.3 g C·m^-2·a^-1;研究区年均和生长季(4—9月)NPP分别为329.0、229.4 g C·m^-2·a^-1,年际间波动明显,以2.3、1.6 g C·m^-2·a^-1的微弱趋势下降,不同植被类型的年均及生长季NPP的年际波动与整个研究区的波动趋势基本一致;年均和生长季NPP的变化斜率分别为-21.3～18.7、-31.5～23.1 g C·m^-2·a^-1,显著增加的面积分别占研究区总面积的0.3%和0.7%,主要分布于森林覆盖区和湿地生态补偿区;显著下降的面积分别占研究区总面积的1.4%和6.4%,主要分布于人类活动集中的地区;研究区不同植被的固碳能力存在差异,其中,森林最强,草地次之,湿地最弱;降水是影响草原湿地植被NPP的主导气候因子。     

Anthropogenic impacts upon plant species richness and net primary productivity in California

We assess the importance of anthropogenic land‐use, altered productivity, and species invasions for observed productivity–richness relationships in California. To this end, we model net primary productivity (NPP) c. 1750 AD and at present (1982–1999) and map native and exotic vascular plant richness for 230 subecoregions. NPP has increased up to 105% in semi‐arid areas and decreased up to 48% in coastal urbanized areas. Exotic invasions have increased local species diversity up to 15%. Human activities have reinforced historical gradients in species richness but reduced the spatial heterogeneity of NPP. Structural equation modelling suggests that, prior to European settlement, NPP and richness were primarily controlled by precipitation and other abiotic variables, with NPP mediating richness. Abiotic variables remain the strongest predictors of present NPP and richness, but intermodel comparisons indicate a significant anthropogenic impact upon statewide distributions of NPP and richness. Exotic and native species each positively correlate to NPP after controlling for other variables, which may help explain recent reports of positively associated native and exotic richness.     

中国潜在植被NPP的空间分布模拟

在对1980年以来气候要素进行空间化的基础上,利用分类回归树模型CART计算中国的潜在归一化植被指数(NDVI),采用改进的光能利用率模型(CASA)和潜在NDVI数据对中国的潜在植被净初级生产力(NPP)进行模拟。结果表明:中国潜在NDVI和潜在NPP均呈现出南高北低、东高西低的格局,低值多分布在沙漠、戈壁等干旱地带,高值多出现在低、中山平原区;400 mm等降水量线是潜在NDVI和潜在NPP高值与低值的分界线;全国潜在NDVI和潜在NPP的平均值分别为0.396和319.31 g C·m-2;夏季潜在NPP的平均值最大,其次是春季,冬季最小;依据潜在NPP与2015年现实NPP的差异,可将中国植被恢复区划分为西部高潜力区、北部低潜力区和南部非潜力区3部分;潜在NDVI和潜在NPP的空间模拟可以将人类活动对自然生态系统的直接影响与气候变化的影响分离,量化了外界压力下真实的生态状况和潜在生态状况的差异,为制定差别化的生态恢复对策提供了科学依据。