中国西南喀斯特地区植被变化时空特征及其成因

2000年以来,国家在中国西南喀斯特地区开展一系列生态治理工程,该地区退化生态系统得到一定程度的恢复,而2008年开展石漠化综合治理工程以来该地区的植被覆盖和生产力如何变化尚不清楚。本研究利用遥感增强型植被指数(EVI)和总初级生产力(GPP)数据,研究2000—2015年西南喀斯特地区植被EVI年均值和GPP年总量的时空变化特征,重点探讨2008年以来石漠化综合治理工程、气候变化等因素对植被覆盖及生长的影响,进而评估石漠化综合治理工程的成效。结果表明,2000—2015年西南喀斯特地区植被EVI总体显著增加,其中2008—2015年植被EVI均值和变化率分别比2000—2007年高6.9%和85.7%,EVI显著增加的区域占西南喀斯特地区的13.4%;该区域GPP年总量亦呈显著增加趋势(20.58 g C m-2a-1)。2008—2015年气温和降水对植被EVI变化趋势的贡献仅占28.3%,退耕还林还草等生态恢复措施、大气CO2浓度、大气氮沉降的增加可能是该区域植被覆盖显著增加的主要贡献因子。在100个首批石漠化综合治理试点县中,大部分试点县植被EVI的变化趋势受非气候因子的影响,其中治理面积大的县受非气候因子的影响显著高于治理面积小的县,表明石漠化综合治理工程的实施有效地促进了试点县植被覆盖的增加。     

中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性

涡度相关技术是测定大气与陆地生态系统之间CO₂交换、水分和能量通量最直接的方法,可用于研究土壤、植被与大气间的CO₂交换及其调控机制。收集了11个影响净碳交换量的主要变量信息,包括气象因素、土壤因素和地形因素的非生物因子、实际植被状态以及植被生产力,采用多元地理变量空间聚类分析方法,绘制出不同聚类数（25、50、75、85、100、150和200类）的通量生态区。结合中国现有通量观测站点的空间分布格局,与新生成的通量生态区和已有的自然地理区划进行对比分析,发现由于中国地形复杂,生态系统类型多样,现有85个涡度相关通量观测站点仅能刻画部分中国生态系统类型的净碳交换量时空特征,通量生态区划分为100-150类比较合适。考虑到涡度相关通量观测运行成本,通量站点可增加至150个,从而使得优化后的通量观测网络能够代表中国主要类型的生态系统,并且有利于通量观测数据与遥感资料的有效结合,提高碳水通量观测从站点扩展到区域尺度的精度,从而更好地检验过程机理模型的模拟结果。     

基于过程模型的2000-2018年中国陆地生态系统服务时空动态及其权衡与协同分析

2000年以来,中国陆地生态系统经历了剧烈变化并显著改变了生态系统服务。深入理解近20年中国陆地生态系统服务的时空演变格局及其权衡与协同关系对生态系统管理和可持续发展具有重要的理论和实践意义。基于最新发展的遥感驱动的生态系统服务评估过程模型(CEVSA-ES),研究定量评估了2000—2018年中国4种生态系统服务(即净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持)的时空格局及其权衡与协同关系。结果发现：(1)净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持等服务在2018的全国总量分别为3.68 Pg C/a、0.43 Pg C/a、1015.71 km³/a 208.18 Gt/a;东部季风区的生态系统服务显著高于西北内陆地区及青藏高原地区,特别是热带-亚热带地区主导了中国生态系统服务供给,其对全国尺度不同生态系统服务总量的贡献率均高于50%;(2)2000—2018年,全国净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持均呈增加趋势,年际变化速率分别为42.80 Tg C/a、13.42 Tg C/a、11.90 km³/a、1.11 Gt/a,其中净初级生产力、固碳、蓄水呈...     

基于中国生态系统研究网络的典型森林生态系统土壤保持功能分析

森林生态系统土壤保持功能在控制土壤侵蚀以及维持生态安全方面具有不可替代的作用。根据不同气候带降雨特征进行降雨侵蚀力参数校正,基于中国生态系统研究网络(CERN)的森林生态系统长期定位观测样地2005—2015年监测数据利用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)定量分析了典型森林生态系统土壤保持功能的时空变化特征,并探讨了土壤保持功能的影响因素。研究结果表明:①日雨量侵蚀力模型在降雨丰富的热带模拟效果优于降雨相对较少的亚热带和温带,参数校正后模拟效果明显提升;②研究期内10个典型森林生态系统土壤保持量变化范围为4.44—891.67 t hm^-2 a^-1,呈现北低南高的空间格局(R²=0.65^***);土壤保持率均达到97%以上;③降雨、归一化植被指数、土壤质地和植被林龄是影响森林生态系统土壤保持功能的主要影响因素;降雨量与土壤保持量显著相关(R²=0.52^*),NDVI和土壤质地与实际土壤侵蚀量显著相关(R²=0.64^**     

三江源国家公园草地地上生物量时空动态及其气候影响

三江源区位于青藏高原腹地,作为长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地,是我国重要的生态安全屏障。基于三江源区域草地AGB的野外调查数据,本研究采用多种机器学习算法集成分析的方式构建模型,实现了高精度的三江源国家公园草地AGB时空估算。基于AGB时空模拟结果,分析了近19年(2000—2018年)三江源国家公园区域草地AGB的时空动态变化。研究结果显示：(1)通过多种机器学习结合贝叶斯平均模型,草地AGB模拟值与实测值的r为0.88,RMSE为71.60g/m²,表明多模型集成分析的方式对草地AGB估算获得了较好的模拟效果。(2)三江源国家公园区域草地AGB的空间分布具有明显的空间异质性,呈从东南向西北递减的趋势。(3)2000—2018年长江源国家公园、黄河源国家公园和澜沧江国家公园区域草地AGB多年平均值分别为82.96 g/m²、117.54g/m²和168.39 g/m²。(4)近19年间,在黄河和长江源园区受到温度上升的影响草地AGB呈现出非显著性上升趋势;澜沧江区域,由于2015和2016年的...     

2000-2015年中国陆地生态系统蒸散时空变化及其影响因素

准确量化区域蒸散时空格局及其影响因素对理解陆地生态系统碳水循环具有十分重要的意义。近年来中国经历了严重的空气污染及气候波动,亟须探讨蒸散的时空变化及其影响因素。基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型,集成遥感数据和气象数据模拟了中国陆地生态系统2000-2015年蒸散,并分析其时空变化及影响因素。结果表明：1）参数优化后PT-JPL模型可解释蒸散年际变化的68%,优于原始模型及MODIS蒸散产品;2）中国地区多年平均蒸散为440.16 mm/a,呈东南沿海到西北内陆逐渐递减的空间格局;3）2000-2015年蒸散整体呈轻微下降趋势（slope=6.48 Gt/a,P=0.17）,但具有年代际差异,2000-2010年中国地区蒸散呈显著下降趋势（slope=21.05,P < 0.01）,占全国蒸散总量45.05%的内蒙古地区、甘新地区、黄土高原地区及青藏地区解释了61.88%的年际变化;2010-2015年呈轻微上升趋势（slope=10.48,P=0.71）,各地区均无显著变化趋势;4）辐射主导了蒸散的年代际差异,分别解释了2010年前后蒸散下降及上升趋势的51.45%、85.26%。蒸散呈显著变化趋势的内蒙古地区、黄土高原地区及青藏地区主要受辐射控制,甘新地区主要受降水和温度的影响。     

基于模型数据融合的长白山阔叶红松林碳循环模拟

 充分、有效地利用各种陆地生态系统碳观测数据改善陆地生态系统模型, 是当前我国陆地生态系统碳循环研究领域亟待解决的重要问题之一。该研究以2003~2005年长白山阔叶红松林的6组生物计量观测数据和涡度相关技术测定的碳通量数据为基础, 利用马尔可夫链-蒙特卡罗方法对陆地生态系统模型的关键参数(即碳滞留时间)进行了反演, 进而预测了长白山阔叶红松林生态系统碳库、碳通量及其不确定性。反演结果表明, 长白山阔叶红松林叶凋落物和微生物碳的平均滞留时间最短, 为2~6个月; 其次是叶和细根生物量碳, 二者的平均滞留时间为1~2 a; 慢性土壤有机碳的平均滞留时间为8~16 a; 碳在木质生物量和惰性土壤有机质库中的滞留时间最长, 平均滞留时间分别为77~109 a和409~1 879 a。模拟结果显示, 碳库和累积碳通量模拟值的不确定性将随着模拟时间的延长而增大。当气温升高10%和20%时, 长白山阔叶红松林总初级生产力年总量将分别增加6.5%和9.9%, 净生态系统生产力(NEP)年总量的变化取决于土壤温度的变化。若土壤温度保持不变, NEP年总量将分别增加11.4%~21.9%和17.6%~33.1%; 若土壤温度也相应升高10%和20%, NEP年总量的增幅反而下降甚至低于原来的水平。假设气候和植被保持在2003~2005年的状态, 2020年长白山阔叶红松林NEP年总量为(163±12) g C·m^–2·a^–1, 土壤呼吸年总量为(721±14) g C·m^–2·a^–1。马尔可夫链-蒙特卡罗方法是反演模型参数、优化模拟结果和评估模拟结果不确定性的有效方法, 但今后仍需在惰性土壤碳滞留时间的估计、驱动数据和模型结构的不确定性分析、模型数据融合方法方面进行深入研究, 以进一步提高碳循环模拟的准确性。     

大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理.在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的多过程耦合-多技术集成-多目标应用的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化...     

基于FLUXNET的CLM模型总初级生产力模拟评价与误差分析

总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的准确估计是陆地生态系统碳循环研究以及未来气候变化预测的基础。本文利用全球通量网的通量观测数据评估了CLM4.5的GPP模拟效果,结合叶面积指数(leaf area index,LAI)观测数据分析了CLM4.5模型GPP模拟误差的主要原因,并对CLM4.5模型主要的光合参数进行敏感性分析,探讨改善光合作用模拟精度的可能途径。结果表明:CLM4.5对GPP的模拟效果优于CLM4,月尺度和年尺度GPP模拟值的平均绝对偏差分别降低15%和29%。但与观测值相比,CLM4.5模拟的GPP年总量仍然具有较大偏差,平均偏差为366.06 g C·m-2·a-1。不同植被功能型GPP模拟误差具有不同的季节变化特征,误差主要发生在春季和夏季。冠层顶部比叶面积、叶片碳氮比和叶片氮含量中Rubisco氮含量所占比例是GPP模拟的3个敏感参数。未来应主要从物候期及LAI模拟的改进、磷循环过程的影响、生态系统水平光合参数集的构建等方面实现对GPP模拟精度的提高。     

中国典型森林生态系统土壤水分时空分异及其影响因素

森林土壤水分作为物质与能量循环的载体影响林木生长与发育,并通过影响水分在陆气之间的循环与分配影响区域气候。基于我国不同气候带的9个森林生态系统定位观测站的长期观测数据,探究了2005-2016年中国典型森林生态系统土壤水分的空间分异及其时间动态,并进一步分析了影响其时空分异的环境因素。主要研究结论如下：（1）9个森林生态系统的土壤水分多年均值介于12.45%-36.30%之间,空间上呈现中温带、亚热带、热带土壤水分较高,暖温带土壤水分较低的分布特征。降水蒸散差（降水与蒸散的差值）可以解释我国森林生态系统土壤水分空间分异的62%（P<0.05）;（2）我国北部与东部季风区森林区域土壤水分呈上升趋势,降水上升是主因,其中暖温带北京、南亚热带鼎湖山与鹤山森林土壤水分上升趋势显著,增幅分别为0.67%/a、1.72%/a与0.69%/a;西南地区森林生态系统土壤水分呈下降趋势,该趋势由降水下降与蒸散上升共同导致,其中中亚热带贡嘎山及哀牢山森林生态系统土壤水分下降趋势显著,降幅分别为-1.77%/a与-0.94%/a;土壤水分时间分异与降水蒸散差的相关性最高（R=0.59,P<0.01）;（3）土壤水分呈下降趋势的森林生态系统中,春季土壤水分变化主导了年际变化,土壤水分上升的森林生态系统中,年际变化则是由秋、冬季主导。（4）与ERA-interim土壤水分再分析数据比较得出,两者在空间格局与变化趋势上均具有较高的一致性。CERN土壤水分观测数据反映了无人为干扰的自然条件下森林土壤-植被-气候之间的反馈作用,可为基于模型的土壤水分研究提供长时序的验证数据。