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。     

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研究

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

基于太白山南坡巴山冷杉NPP动态变化的时间序列模型预测效果对比

基于收集整理的太白山地区1959-2016年58年间的气象数据及太白山巴山冷杉林(Abies fargesii Franch.forest)的生理参数数据,运用Biome-BGC模型模拟计算并对输出数据进行提取分析,得到太白山南坡巴山冷杉林的多年净初级生产力(NPP)。然后分别利用自回归求和移动平均模型(ARIMA)、R语言、NAR动态神经网络模型对太白山南坡巴山冷杉林NPP的动态变化进行趋势拟合和短期预测,建立适用于太白山南坡巴山冷杉林NPP的时间序列模型,并应用白噪声检验等相关检验方法对3种模型的预测效果进行评价。结果显示:太白山南坡巴山冷杉林NPP在短期内(2017-2026年)仍保持着波动上升的趋势,可能出现1959年以来的最高值;在对巴山冷杉林未来变化的预测过程中,3种预测模型各有特点,ARIMA模型对太白山南坡巴山冷杉林NPP的预测结果通过了白噪声检验,并给出了在不同置信区间下的可能结果; NAR动态神经网络模型的拟合效果较好,也通过了误差自相关性检验,预测结果较好地模拟了太白山南坡巴山冷杉林NPP在未来一段时期内的变化趋势; R语言在剔除异常数据点后能够运用基础数据较好地对太白山南坡巴山冷杉林NPP动态变化进行模拟,表明预测结果与验证结果相关性达到0.944,误差项的P值远低于0.01。本研究表明3种方法构建的模型在数据拟合中均呈现出较好的效果,预测结果均在可信范围内,在实际预测工作中可根据数据特点选用不同方法。     

太白红杉（Larix chinensis）混交林径级结构与竞争的关系

混交林的径级结构和竞争关系的研究可在一定程度上预测群落的动态变化趋势。探讨了太白山太白红杉(Larix chinensis)混交林的径级结构和竞争关系,并对该区域森林的动态变化趋势进行了预测。结果表明:①在混交林内,太白红杉幼苗数量较少,更新差,种群径级结构呈衰退型;而巴山冷杉(Abiesfargesii)幼苗数量较多,更新良好,种群径级结构为增长型。②太白红杉种内竞争强度大于种间竞争强度,巴山冷杉种内竞争强度小于种间竞争强度。在混交区域,巴山冷杉处于群落的优势地位,而太白红杉处于劣势地位,应加强对太白红杉的保护,合理抚育管理太白红杉幼苗。     

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CASA模型研究祁连山地区植被净初级生产力的时空变化

基于2003~2012年的遥感数据及DEM高程模型校准后的气候数据,利用CASA模型估算了祁连山地区植被净初级生产力(NPP),并对NPP的年内、年际变化以及时空分布规律和变化趋势进行分析。结果表明:(1)祁连山地区年内NPP集中在6~8月,占全年NPP总量的86.39%;2003~2007年,NPP年均值在165.28~192.75g·m-2·a-1之间小幅波动;2007~2009年呈现出较明显的下降趋势,由168.63g·m-2·a-1下降到153.17g·m-2·a-1;2009~2012年表现出明显的上升趋势,最大值达207.13g·m-2·a-1。(2)祁连山地区的NPP东西部分布差异大,东部地区大多在200~400g·m-2·a-1之间,部分地区可达500g·m-2·a-1之上;中部地区存在较明显的南北差异,南部大多地区在100~300g·m-2·a-1之间,北部大多地区在100~400g·m-2·a-1之间;西部广大地区大多在0~100g·m-2·a-1之间,荒漠和高山冰雪覆盖区域生物量最低。(3)近十年来,祁连山地区的NPP呈波动增加趋势,增加面积约9 867km2,约占植被总面积的21.19%,减少面积约8 173km2,约占植被总面积的17.52%,表明祁连山的生态健康水平总体在改善但局部在恶化。     

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.     

近51年来祁连山植被净初级生产力对气候变化的响应

本研究以分辨率为0.1°×0.1°的植被、土壤和气象数据为驱动,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟了祁连山地区1958~2008年植被净初级生产力(NPP),并对近51年来祁连山地区植被NPP对气候变化的响应进行了分析。结果表明:近51年来祁连山植被(常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木、农田)在气温升高和降水量增加的影响下,NPP总量呈增加趋势,且增加速率依次为:农田>常绿针叶林>落叶针叶林>草地>灌木。植被NPP的变化与气温和降水量的变化均呈正相关关系,且温度变化对植被NPP的影响大于降水,即温度变化是影响祁连山地区植被NPP变化的主导因素。从区域平均来看,气温年平均上升速率为0.043℃·a-1,降水量的平均增加速率为1.355mm·a-1,在气温和降水量的共同作用下,1958~2008年祁连山地区植被NPP总量呈增加趋势,平均增加速率为0.718g·m-2·a-1。     

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.     

基于MOD17A3的陕西省植被NPP变化特征

利用2000-2006年MOD17A3数据集的年均NPP数据和GIS技术定量分析了陕西省植被NPP的时空变化特征,结果表明:陕西省年NPP变化范围为340 ～434 g C·m-2·a-1,平均值为383 g C·m-2·a-1;年均NPP分布全省呈现北低南高,关中、陕南呈现西高东低的趋势.长城沿线风沙区年平均NPP在0～200gC·m-2·a-1,黄土高原丘陵沟壑区年平均NPP在200～ 300 g C·m-2·a-1,中部林区年平均NPP在400～500 g C·m-2·a-1,渭北旱作农业区年平均NPP在300～400 g C·m-2·a-1,关中灌溉农作区年平均NPP大部在400～500 g C·m-2·a-1,秦巴山地林区年平均NPP ＞400 gC·m-2·a-1.与2000年相比,2006年陕西省年NPP大部分地区是增加的,年NPP增加的面积占国土面积的90.5％.陕西省NPP线性变化趋势以增加为主,NPP变化百分率增加10％以上的面积所占陕西省国土面积的比例为50.6％;植被NPP的变化百分率＞10％的植被主要分布在延安市以北地区,说明通过实施退耕还林等生态建设工程,这些地区植被状况得到较好的改善.     

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。     

西辽河流域植被NPP时空分布特征及其影响因素研究

为研究西辽河流域植被生长特征及受气候变化的影响,该文以2000年—2015年MOD17A3的年均植被净初级生产力(NPP)数据、植被类型数据、土壤类型数据以及气温、降水资料为基础,利用GIS和RS技术,分析了西辽河流域植被净初级生产力时空格局、演变特征及驱动因子。结果表明:(1)西辽河流域近16年来植被NPP总量呈波动增加的趋势,变化范围为156.89～260.90 g C·m^-2·a^-1,平均值为219.76 g C·m^-2·a^-1,空间分布呈“边缘高、中间低”的特征; 植被NPP变化斜率为-16.53～16.65,95.74%的区域NPP呈增加趋势。(2)不同植被类型的NPP总量大小排序为草原>栽培植被>阔叶林>灌丛>草甸>针叶林; 西辽河流域固碳的植被类型主要是草原、栽培植被以及阔叶林,固碳能力较强的为针叶林。(3)生长在棕壤、褐土和潮土的植被年均NPP较高,生长在栗钙土和风沙土的植被年均NPP较低。(4)16年间植被NPP增长主要受降雨影响。气候暖-湿化及生态建设工程的实施,促进了西辽河流域植被的生长。以上研究结果为后期流域生态环境治理提供了科学依据及数据支持。     

Different patterns of ecosystem carbon accumulation between a young and an old-growth subtropical forest in Southern China

Using long-term (22 years) measurements from a young and an old-growth subtropical forest in southern China, we found that both forests accumulated carbon from 1982 to 2004, with the mean carbon accumulation rate at 227 ± 59 g C m⁻² year⁻¹ for young forest and 115 ± 89 g C m⁻² year⁻¹ for the old-growth forest. Allocation of the accumulated carbon was quite different between these two forests: the young forest accumulated a significant amount of carbon in plant live biomass, whereas the old-growth forest accumulated a significant amount of carbon in the soil. From 1982 to 2004, net primary productivity (NPP) increased for the young forest, and did not change significantly for the old-growth forest. The increase in NPP of the young forest resulted from recruitment of some dominant tree species characteristic of the subtropical mature forest in the region and an increase in tree density; decline of NPP of the old-growth forest was caused by increased mortality of the dominant trees.     

广西植被净初级生产力(NPP)时空演变及主要影响因素分析

利用2001-2010年EOS/MODIS17A3卫星遥感资料,对广西植被净初级生产力(NPP)时空特征及其影响因素进行分析.结果表明：(1)NPP 表现出明显的年际变化,2005年植被年均 NPP 最小为625 gC??m-2??a-1,2003年最大,为714 gC??m-2??a-1,十年间广西植被年NPP平均值为662 gC??m-2??a-1;(2)不同植被类型NPP有较大差异,森林、灌木、农作物的NPP 平均值分别为834、614、517 gC??m-2??a-1;(3)十年间广西区年均NPP为显著下降趋势,且年均气温和降水对NPP时间变化作用显著,而日照时数对 NPP 时间变化的作用不显著;(4)广西区NPP空间格局形成主要影响因素为坡度,其次为经度,再次为地貌特征、纬度和降水;(5)非喀斯特区域北热带季雨林、南亚热带季雨林化/季雨化常绿阔叶林年均 NPP 大于喀斯特地区,相反,喀斯特地区中亚热带常绿阔叶林,农作物年均NPP大于非喀斯特地区.整体而言,广西非喀斯特地区植被NPP为683 gC??m-2??a-1,喀斯特地区植被NPP为620 gC??m-2??a-1.     

Comparing soil carbon sequestration in coastal freshwater wetlands with various geomorphic features and plant communities in Veracruz,Mexico

Background and aims

Wetlands are important carbon sinks across the planet. However, soil carbon sequestration in tropical freshwater wetlands has been studied less than its counterpart in temperate wetlands. We compared carbon stocks and carbon sequestration in freshwater wetlands with various geomorphic features (estuarine, perilacustrine and depressional) and various plant communities (marshes and swamps) on the tropical coastal plain of the Gulf of Mexico in the state of Veracruz, Mexico. These swamps are dominated by Ficus insipida, Pachira aquatic and Annona glabra and the marshes by Typha domingensis, Thalia geniculata, Cyperus giganteus, and Pontederia sagittata.

Methods

The soil carbon concentration and bulk density were measured every 2 cm along 80 cm soil profiles in five swamps and five marshes. Short-term sediment accretion rates were measured during a year using horizontal makers in three of the five swamps and marshes, the carbon sequestration was calculated using the accretion rates, and the bulk density and the percentage of organic carbon in the surficial layer was measured.

Results

The average carbon concentration ranged from 50 to 150 gC kg^?1 in the marshes and 50 to 225 gC kg^?1 in the swamps. When the wetlands were grouped according to their geomorphic features, no significant differences in the carbon stock (P?=?0.095) were found (estuarine (25.50?±?2.26 kgC m^?2), perilacustrine (28.33?±?2.74 kgC m^?2) and depressional wetlands (34.93?±?4.56 kgC m^?2)). However, the carbon stock was significantly higher (P?=?0.030) in the swamps (34.96?±?1.3 kgC m^?2) than in the marshes (25.85?±?1.19 kgC m^?2). The average sediment accretion rates were 1.55?±?0.09 cm yr^?1 in the swamps and 0.84?±?0.02 cm yr^?1 in the marshes with significant differences (P?=?0.040). The rate of carbon sequestration was higher (P?=?0.001) in swamp soils (0.92?±?0.12 kgC m^?2 yr^?1) than marsh soils (0.31?±?0.08 kgC m^?2 yr^?1). Differences in the rates of carbon sequestration associated with geomorphic features were found between the swamp ecosystems (P?<?0.05); i.e., higher values were found in the swamps than in the marshes in perilacustrine and estuarine wetlands (P?<?0.05). However, no significant differences (P?=?0.324) in carbon sequestration rates were found between the marsh and swamp areas of the depressional site.

Conclusions

Swamp soils are more important contributors to the carbon stock and sequestration than are marsh soils, resulting in a reduction in global warming, which suggests that the plant community is an important factor that needs to be considered in global carbon budgets and projects of restoration and conservation of wetlands.     

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。     

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。     

Simulation of forest net primary production and the effects of fire disturbance in Northeast China

 森林净初级生产力(NPP)是衡量陆地碳源/汇的重要参数, 准确地估算森林生态系统的NPP, 同时通过引入干扰因子以期更加完整地描述生态学过程及其响应是目前森林生态系统碳循环研究的重点。因此, 该研究基于北方生态系统生产力(BEPS)模型, 结合遥感数据和气象数据等模拟2003年东北林区NPP; 将BEPS模型模拟的结果作为整合陆地生态系统碳收支(InTEC)模型的参考年数据, 模拟东北林区1901–2008年的NPP, 并在InTEC模型中加入林火干扰数据, 模拟大兴安岭地区1966–2008年的森林NPP。结果显示: 在1901年, 东北林区NPP平均值仅为278.8 g C·m^–2·a^–1, 到了1950年, NPP平均值增加到338.5 g C·m^–2·a^–1, 2008年NPP平均值进一步增加到378.4 g C·m^–2·a^–1。其中长白山地区的NPP平均值始终最高, 大兴安岭次之, 小兴安岭始终最低。到了2008年, 大、小兴安岭和长白山地区的NPP平均值都有较大涨幅, 其中涨幅最高的是长白山地区, 达到200–300 g C·m^–2·a^–1; 东北三省中, 黑龙江和吉林的NPP平均值和总量都比较高, 辽宁相对较低, 但相比于1901年的涨幅最高, 达到70%; 重大火灾(100–1000 hm²)对NPP的影响不是很大, 而特大火灾(>1 000 hm²)的影响比较大, 使NPP下降幅度达到10%左右, 其他火灾年份, NPP增长迅速并保持在较高水平; 对火灾面积在100 000 hm²以上的4个年份的NPP进行分析, 发现NPP平均值都大幅度下降, 其中1987年下降幅度最大, 为11%以上。