基于集成生物圈模型的南岭不同植被类型碳收支研究

广东南岭保存着世界上同纬度带上最完整的亚热带植被,森林资源丰富,具有巨大的固碳潜力。然而,目前该地区不同森林植被类型的碳收支年积累量特征及月动态规律尚不明确。选择广东南岭国家级自然保护区内沟谷常绿阔叶林、山地常绿阔叶林、针阔叶混交林和山顶常绿阔叶矮林4种典型森林植被为研究对象,运用集成生物圈模型(IBIS)对其2020年总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)、净生态系统生产力(NEP)和土壤异养呼吸(R_h)进行模拟,利用样地调查数据对NPP模拟结果进行验证,分析该地区不同植被类型的碳收支年积累量特征及月变化特征。研究结果表明,2020年南岭不同植被类型GPP、NPP、NEP和R_h的平均值分别为1.709、0.718、0.596和0.123 kg C m^-2 a^-1,4种植被类型中GPP最高的是沟谷常绿阔叶林,NPP、NEP最高的是山地常绿阔叶林,山顶常绿阔叶矮林的GPP、NPP和NEP均相对较低。南岭不同植被类型全年各月均表现出碳汇(NEP>0),逐月NPP和NEP均表现为双峰变化规律...     

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。     

基于耦合模型的干旱区植被净初级生产力估算

净初级生产力是陆地生态系统物质与能量运转研究的基础, 在干旱区生态环境演变及其与气候相互作用和影响方面极为敏感,是揭示干旱区生态环境特征的重要指标.本研究基于RS和GIS技术,利用地面气象数据、涡度相关数据、Landsat 8数据和MODIS数据,通过SEBAL模型和光能利用率模型的耦合,估算了新疆玛纳斯河流域植被净初级生产力(NPP),分析了其空间格局及与高程和坡度的关系.结果表明: SEBAL模型与光能利用率模型的耦合对玛纳斯河流域山地-绿洲-荒漠生态系统植被NPP的模拟效果较合理,能较好地反映植被净初级生产力的实际情况;2013年,玛纳斯河流域植被NPP总量为7066.72 Tg C·a^-1,平均值为278.06 g C·m^-2·a^-1,总体分布趋势是自南向北先增加后减少再增加最后减少,随着地貌和土地利用类型的变化呈现明显的分布规律,且其月变化比较明显,7—8月达到最大值,占总量NPP的52.2%;植被净初级生产力随海拔和坡度的增加整体呈下降趋势,但随海拔增加植被NPP出现3次波动.这些波动主要由地表植被覆盖类型和环境因素所引起.     

黄土高原草地净初级生产力时空趋势及其驱动因素

草地净初级生产力是生态系统碳循环的关键环节和重要组成部分。本研究使用分段线性回归分析和Pearson相关分析,分析了黄土高原2000—2015年间土地利用类型未改变的草地净初级生产力(NPP)的变化趋势及气候核心因子(年降水量、年强降水量、年有效降水日数、年平均温度、年最高温度、年最低温度)对NPP变化的影响,并借助增强回归树逐像素分析了草地NPP的驱动因素。结果表明: 2000—2015年,研究区草地NPP总体呈增加趋势,显著增加区域占51.3%。年均NPP的变化速率从2000—2004年间的15.23 g C·m^-2·a^-1下降到2005—2015年间的3.58 g C·m^-2·a^-1。黄土高原草地NPP与降水指标呈显著正相关,与温度指标主要呈负相关。年降水量是研究区草地NPP变化最重要的驱动因素且具有最高的平均相对贡献率,年最高温度是高原中部草地NPP的主要限制因素,年最低温度主要影响高原西部高海拔地区的草地生长。     

基于VPM模型的长白山自然保护区植被总初级生产力动态变化

总初级生产力(GPP)是碳循环的重要参数,它的准确估算对碳循环及全球气候变化研究有重要作用.利用VPM模型及2000—2015年MOD09A1数据/气候因子的空间数据,对长白山自然保护区的植被GPP进行模拟.结果表明: 2000—2015年,保护区GPP年均值为1203 g C·m^-2·a^-1,GPP呈极显著趋势增长.森林植被GPP年际增长变化在不同植被垂直带下没有显著区别,但从高山苔原带往上,GPP年际增长明显减小.GPP与降水的年际相关性不显著,与温度的正相关关系集中分布在阔叶红松林带和高山苔原带.春季气温对GPP影响最大,有80%像元显示与气温呈正相关.GPP与温度的年际相关性明显高于降水.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力（NPP）进行模拟.结果表明： 1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO₂浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m^-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征.植被NPP与CO₂浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

植被覆盖度和物候变化对典型黑沙蒿灌丛生态系统总初级生产力的影响

气候变化和人类活动是植被生产力年际尺度变化的重要驱动因素, 明晰二者对植被生产力的共同影响对于生态系统可持续管理至关重要。气候变化可能导致植被物候变化, 进而影响植被生产力。目前尚不清楚毛乌素沙地典型植被物候如何响应气候变化, 并因此影响生态系统总初级生产力(GPP)。此外, 植被恢复(覆盖度增加)和物候变化对GPP的共同影响有待明确。该研究选取典型黑沙蒿(Artemisia ordosica)灌丛生态系统, 结合MODIS遥感数据与涡度相关数据, 利用植被光合模型(VPM), 模拟并分析了2005-2018年间植被覆盖度和物候变化对GPP的影响。结果表明: (1) VPM模型能够较好地模拟涡度相关法观测的GPP动态(GPP_Flux), 而MODIS遥感产品(MOD17A2H)则显著低估GPP_Flux; (2)研究期内年均归一化差异植被指数(NDVI)、最大NDVI (NDVI_max)和年总GPP均显著增加, 表明植被恢复促进了植被生产力增加; (3)基于NDVI和GPP日序列估算的生长季开始日期显著提前(2.1 d·a^-1), 生长季结束日期显著推迟(1.5 d·a^-1), 二者共同促使生长季长度延长(3.6 d·a^-1); (4)物候期延长促进了GPP增加, 生长季长度每延长1天, 全年GPP显著增加6.44 g C·m^-2·a^-1; (5)植被覆盖度增加和生长季延长分别可以解释79%和57%的GPP增加; (6)尽管植被覆盖度和物候变化均促进GPP增加, 但前者是其增加的主要驱动因素。鉴于植被覆盖度增加和生长季延长也可能导致生态系统呼吸和蒸散发增加, 未来研究仍需探究生态系统碳汇能力、水分利用效率和水分承载力对气候变化和人类活动的响应。此外, 该研究主要探讨GPP在年际尺度的变化趋势及影响因素, 未来需要研究GPP的年际变异规律及驱动因素, 尤其是对降水年际变异和极端干旱事件的响应。     

中国森林生态系统氮循环特征与生产力间的相互关系

为了更好地了解森林生态系统净初级生产力(NPP)与氮循环之间的关系,本文对中国主要森林生态系统类型中净初级生产力(NPP)、枯落物氮、植被年氮积累量和土壤氮矿化速率之间的关系进行了研究分析.结果表明,我国森林生态系统净初级生产力与枯落物氮、植被年氮积累量和土壤氮矿化速率之间均存在比较显著的相关关系.其中相关性最显著的是净初级生产力与氮矿化速率之间的相关关系(R₂=0.7,n=37),其次是净初级生产力与植被年氮积累量之间的相关关系(R₂=0.60,n=37).     

2000—2019年石羊河流域植被总初级生产力变化及其气候特征

石羊河流域是我国典型的内陆河流域,生态特征敏感脆弱,是了解干旱地区陆地生态系统总初级生产力(gross primary productivity, GPP)对气候变化响应及反馈的典型区域。本研究通过卫星数据和地面观测数据建立光能利用率模型,模拟估算了石羊河流域2000—2019年植被GPP,分析了气候影响下的不同植被类型GPP的空间分布以及年际变化。结果表明：石羊河流域GPP的平均值为256.52 g C·m^-2;落叶阔叶林、常绿针叶林、灌木林、耕地、草原、湿地和荒漠植被GPP分别为676.38、609.96、144.42、404.49、314.07、75.15和110.21 g C·m^-2,表现为南部祁连山区的落叶阔叶林GPP最高,北部荒漠区的湿地GPP最低;GPP的变化呈上升趋势,年际变化存在波动,趋势增加的面积为92%,平均速率为6.99 g C·m^-2·a^-1;流域内不同植被类型GPP增加速度从大到小顺序为落叶阔叶林>常绿针叶林>草地>耕地>灌木林>荒漠>...     

未来气候情景下中国东北森林生态系统碳收支变化

应用FGOALS模式输出的未来气候情景数据驱动中国森林生态系统碳循环模型FORCCHN,模拟了东北地区森林生态系统碳收支未来可能的时空变化。预测结果表明：未来平衡发展情景（A1B）气候变化情景下,2003—2049年东北森林生态系统净初级生产力（NPP）和土壤呼吸在达到饱和状态前均呈波动上升趋势,将分别增加10.84%、134.43%,且土壤呼吸的增加速率远远大于NPP的增加速率;2003—2049年,东北森林生态系统可能仍将具有明显碳汇功能,但强度呈下降趋势,将下降95.64%;未来47年东北森林虽然碳汇能力在减弱,但吸碳总量还在不断增加,说明未来47年东北森林对降低大气中温室气体浓度上升以及缓解气候变化将会起到积极作用。     

基于MODIS和CASA模型的伊春市森林植被NPP变化特征及其影响因子分析

植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)是判定生态系统质量状况和碳汇的重要因子,反映了植被群落的生产能力和生态过程,对调节全球碳平衡、增强生态服务功能具有重要的意义.本文基于MODIS卫星遥感资料和改进的CASA模型,利用2000-2019年MOD17A3HGF的NPP年际数据和气象...     

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。     

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.     

1981—2002年中国东北地区森林生态系统碳储量的模拟

基于中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN,对模型水分模块进行优化,加入了降雨截留、降雪截留以及下层植物和凋落物层截留,模拟了1981—2002年中国东北地区森林生态系统碳储量的时空分布格局.结果表明：1981—2002年间,中国东北地区森林生态系统起着碳“汇”的作用,总碳储量约12.37 Pg C·a^-1,其中植被和土壤碳储量分别为4.01和8.36 Pg C·a^-1;研究期间,植被碳储量和土壤碳储量均呈增长趋势,气温升高对该区森林生态系统碳储量增加的贡献大于降水的变化;研究区植被碳密度的空间分布具有东南高、西北低的特点,平均约10.45 kg C·m^-2;东北各地区森林生态系统土壤有机碳密度普遍较高,最大值出现在大小兴安岭及长白山的部分地区,平均约21.78 kg C·m^-2;中国东北地区森林碳库在全国森林碳库中占有重要位置,研究区有林地面积占全国森林的31.4%,其植被、土壤碳储量分别为全国森林的74.28%、63.88%,植被、土壤碳密度分别为全国森林的2.70和1.22倍.     

不同步长尺度下BEPS碳循环模型的协同应用

小时步长的BEPSHourly模型可以模拟植被日内生态生理过程,但模型的结构及解算过程复杂耗时,常适用于站点尺度进行参数优化及总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)的日内变化分析;日步长的BEPSDaily模型解算日光合速率方法简单,不涉及众多的迭代过程,模型耗时较少,适用于模拟计算区域初级生产力及分析区域碳源/汇空间分布.本研究根据BEPSDaily及BEPSHourly各自的模型特点及适用性,提出了小时步长及日步长BEPS模型的协同应用研究方法.首先利用BEPSHourly模型在站点尺度进行主要光合作用参数——最大羧化速率(V_{c max})、最大电子传递速率(J_max)的优化,将优化后主要光合作用参数引入区域BEPSDaily模型进行参数修正,再基于优化修正后的区域BEPSDaily模型进行区域NPP估测.结果表明: 基于通量数据对光合作用主要参数进行优化可以提高模型的模拟能力;2011年,帽儿山地区不同森林类型的初级生产能力依次为阔叶林>针阔混交林>针叶林;本研究提出的不同步长尺度碳循环模型协同应用研究方法能够有效地进行主要光合作用参数的优化,模拟GPP、NPP的月平均日内变化,快速估测区域NPP并分析碳源/汇空间分布.     

基于FLUXNET观测数据与VPM模型的森林生态系统光合作用关键参数优化及验证

生态系统总初级生产力(GPP)是全球生态系统碳循环研究的重要组成部分.植被最大光能利用率(ε_max)是陆地生态系统GPP模拟的关键参数.本文基于植被光合模型(VPM)和全球通量网(FLUXNET)40个站点(179条站点年数据)的涡度相关通量观测数据,采用单因素轮换法对VPM模型进行参数敏感性分析,并利用交叉验证法对全球森林生态系统的光合作用关键参数进行优化和验证.结果表明:森林生态系统GPP模型受ε_max、光合最高温度(T_max)以及光合最适温度(T_opt)的影响最大;优化后的ε_max在不同植被类型之间存在明显差异,介于0.05～0.08 μmol CO₂·μmol^-1 PAR,常绿阔叶林>常绿针叶林>混交林>落叶阔叶林;优化后的森林生态系统T_max为38～48 ℃,T_opt为18～22 ℃;利用分植被类型优化后的模型关键参数,VPM模型可较好地模拟全球主要森林生态系统GPP的季节和年际变化.     

臭氧污染对亚热带森林生产力和生物量的影响——以鼎湖山为例

全球气候变化背景下,我国近地面臭氧浓度不断增加,已严重威胁到森林生态系统。但是,目前臭氧污染影响我国亚热带森林生物量的研究仍然具有较高的不确定性。本研究比较了不同模型和不同参数化方案评估的鼎湖山森林和林下草地生物量损失率的差别,比较了鼎湖山阔叶林和针叶林以及林下草地的生物量损失率与总初级生产力(GPP)损失率的一致性。2015—2016年臭氧污染造成的鼎湖山阔叶林生物量损失率为11.3%—11.69%,针叶林生物量损失率为3.97%—3.68%,草地生物量损失11.2%—14.6%;不同参数化方案估计的鼎湖山阔叶林的生物量损失率在9%—13%之间,针叶林的生物量损失率在3.68%—4.4%之间变化,草地在11.2%—14.6%之间。基于臭氧剂量响应关系模型估算的阔叶林GPP损失率为10%—12.6%,针叶林GPP损失率为1.81%—2.6%,草地GPP损失率为3.2%—3.3%。总的来看,鼎湖山阔叶林和针叶林的生物量和GPP损失具有较高的一致性,阔叶林生物量和GPP的损失率明显高于针叶林生物量和GPP的损失率。     

大兴安岭棕色针叶林土壤的真菌多样性

为探究大兴安岭棕色针叶林土壤的真菌群落分布特征及其与土壤环境因子间的关系,采用高通量测序技术对大兴安岭呼中自然保护区兴安落叶松林的表浅棕色针叶林土、生草棕色针叶林土和典型棕色针叶林土的土壤真菌群落结构和多样性进行分析,运用R语言、SPSS 17.0等软件对土壤真菌群落与土壤环境因子间进行冗余分析和相关性分析.结果表明: 3个亚类的棕色针叶林土壤的理化性质间存在显著性差异.测序共获得6门23纲46目74科88属111种的土壤真菌,其中,子囊菌门、担子菌门为优势菌门;门分类水平上各样地菌群的相对丰度存在显著性差异.土壤真菌Ace和Chao1多样性指数在各亚类土壤间无显著性差异, 浅棕色针叶林土壤样地的Shannon和Simpson指数与其他样地存在显著差异.典型关联分析和相关性分析发现,土壤真菌的α和β多样性与土壤含水率、pH值、有机质、全氮、全钾等显著相关.说明土壤环境因子是影响大兴安岭兴安落叶松棕色针叶林土壤真菌多样性的重要因素.     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。