岷江上游景观格局及生态水文特征分析

基于1994年岷江上游TM遥感影像分类,结合6个不同集水区1992、1993、1995年植被生长季降雨、径流及同期NOAA/AVHRR的N DVI数据,构建了植被保水指数作为表征植被生态水文功能分析的指标。并用此对岷江上游6个不同集水区景观格局与生态水文特征进行分析。结果表明:不同集水区植被组成及景观结构有显著差异;不同集水区植被保蓄降雨能力即保水指数有明显差异;不同集水区景观结构指数与保水指数之间具有很高相关性,其中边界密度、多样性指数与保水指数呈负相关,聚集度指数与保水指数呈正相关。保水指数的构建对植被建设具有一定的科学意义     

气候变化对马尾松潜在分布影响预估的多模型比较

物种分布模型被广泛应用于评估气候变化对物种分布的影响。随着计算机和统计学的发展, 模拟物种分布的模型层出不穷, 但对这些模型的相对表现知之甚少, 因此需要对其进行对比分析, 以便更可靠地评估气候变化的影响。该文采用3个比较新颖的组合集成学习(ensemble learning)模型(随机森林(random forest, RF)、广义助推法和NeuralEnsembles)、3个常规模型(广义线性模型、广义加法模型和分类回归树)、3个大气环流模型(global circulation model, GCM) (MIROC32_medres, JP; CCCMA_CGCM3, CA; BCCR-BCM2.0, NW)和一个气体排放情景(SRES_A2), 模拟分析了马尾松(Pinus massoniana)历史基准气候(1961-1990)和未来3个不同时期(2010-2039, 2020s; 2040-2069, 2050s; 2070-2099, 2080s)的潜在分布。基于环境阈值方法选择物种不发生区, 依据ClimateChina软件进行当前和未来气候数据的降尺度处理, 采用接收机工作特征曲线(receiver operator characteristic, ROC)下的面积(area under the curve, AUC)、Kappa值和真实技巧统计法(true skill statistic, TSS)以及马尾松种子区划范围来评价模型的预测精度。结果表明: 6个物种分布模型都具有较高的预测精度, 但组合集成学习模型的预测精度稍高于其他常规模型, 其中RF的预测精度最高。3个GCM和6个模型模拟条件下, 马尾松对气候变化的响应格局既有一致性也有异同性。一致性表现在: 随着时间的推移, 马尾松分布区将逐渐向北迁移, 未来潜在分布区的面积将逐渐增加; 异同性表现在: 在不同模型和不同气候情景下, 马尾松潜在分布区的迁移距离和面积变化幅度不同, 其中NW模式下预测的变化幅度小于CA和JP模式; RF模型预测的分布区迁移距离和面积变化幅度最大。随着时间的推移, 未来马尾松的18个潜在分布空间预测图(6个模型 × 3 GCM)之间的差异也逐渐增大, 其中空间不一致性地区主要集中发生在马尾松潜在分布区的北部和西部边缘地带。模型本身不同的构建原理以及GCM之间的差异是导致预测结果存在差异的主要原因。     

穿透雨减少下锐齿栎叶片光合色素季节动态及其反射光谱响应

通过林地穿透雨排除的方法模拟降雨减少,测定河南宝天曼自然保护区锐齿栎叶片光合色素含量与反射光谱的季节变化,对减雨处理造成的光合色素变化及其反射光谱的变化进行了定量分析,并探讨了水分控制条件下反射光谱对叶片光合色素变化的响应机制.结果表明: 锐齿栎叶片的光合色素含量和色素比率均呈现明显的季节变化.减雨样地与对照样地叶片的光合色素含量和比率在生长季的各个时期存在差异,其中,叶片叶绿素b(Chl b)含量的差异显著,说明Chl b对减雨处理的敏感性最高,叶片类胡萝卜素(Car)含量的差异较小,说明Car对减雨处理的敏感性相对较弱.550 nm处的光谱反射率对色素季节变化的响应最敏感,以其构造的简单比值指数(SR_750,550)与叶片Chl a、Chl b、总Chl和Car含量的正相关关系显著,光化学反射指数(PRI)与叶片Car/Chl的负相关关系显著.550 nm处的光谱反射率对减雨处理造成的色素变化响应最为敏感.SR_750,550对减雨处理造成的叶片Chl a、Chl b和总Chl的含量变化表现敏感(P<0.01),对Chl a/b的变化不敏感.PRI对减雨处理造成的叶片Car/Chl变化表现敏感(P<0.01).     

流域水碳过程耦合模拟——WaSSI-C模型的率定与检验

在复杂的气候变化条件下, 利用水碳耦合模型进行生态水文学研究成为主要的研究手段和途径。该文以杂谷脑河上游流域为例, 在确定生态水文模型WaSSI-C模拟尺度的基础上, 探讨水碳耦合模型在中国西南湿润地区的适用性。杂古脑河上游流域位于岷江上游, 隶属于长江流域。在分析和讨论了模型结构和机理的基础上, 分别对模型蒸散和融雪计算进行了补充改进, 以提高模型的适用性。将1988-1996年作为模型的率定期, 1997-2006年作为模型的验证期, 分别在率定期和验证期利用实测的径流数据和中分辨率成像光谱仪数据的总初级生产力、蒸散(ET)数据, 对模拟结果进行对比验证。并利用决定系数(R²)和Nash-Sutcliffe效率系数(NS)两个指标对模拟效果进行评价。流域总径流率定期和验证期对比验证的R²分别为0.86和0.78; NS分别为0.82和0.67。总生态系统生产力和ET验证期的R²分别为0.89和0.78。可见模型模拟结果的两个评价指标都处于较为理想的区间内, 说明WaSSI-C模型在研究区内具有较好的适用性。并对模型的蒸散计算方法进行了讨论, 在此基础上提出了模型中存在的问题和改进的方向。     

树干液流对环境变化响应研究进展

随着大气中CO2浓度和其它温室气体的上升,预计全球和区域尺度的温度会增加,由于增温导致地球上一些地区降水增加,一些地区可能面临干旱的加剧.要分析气候、环境变化对植被的影响,需要深入了解植被和大气之间能量、水汽和CO2交换,蒸腾是这个交换过程的一个重要组成部分,是水分和能量离开森林生态系统的主要途径.目前,树干液流测定技术已经发展得比较成熟,能比较可靠的估计整树蒸腾,逐步被应用于研究树木水分利用对环境变化的响应.介绍比较成熟的树木(林分)蒸腾估算方法,就树木(林分)水分利用对环境变化响应研究中的几个热点问题进行了总结:(1) 大气中CO2浓度升高对树木水分利用、气孔导度和冠层结构的影响,环境条件决定树木水分利用对CO2的响应幅度.(2) 树木蒸腾对降雨的响应类型,降雨格局改变导致的土壤干旱对林分蒸腾的影响.(3) 树体储存水的生理意义.随着液流技术的发展和推广,其作为一种科学研究的技术与手段将会受到更多学者的重视,也必将推进树木水分利用对环境变化响应的研究.     

亚热带-暖温带过渡区天然栎林的能量平衡特征

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象。以一个完整年(2016年10月—2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、季节变化以及各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:锐齿栎林观测期间一整年净辐射为2626.17 MJ/m~2,感热通量为867.1 MJ/m~2,潜热通量为1417.25 MJ/m~2,土壤热通量为-2.60 MJ/m~2,土壤为热源;各能量分量日变化基本呈单峰型曲线,季节变化特征明显。非生长季,锐齿栎林的能量主要分配给感热通量,占净辐射的54.18%;生长季,能量主要分配给潜热通量,占净辐射的67.48%。观测期间研究区年降雨量较平均值稍大(1231.8 mm),森林蒸散量为579 mm,仅为降雨量的47%。波文比受森林物候变化影响较大,在非生长季平均值约为2.1,生长季约为0.2。土壤热通量在生长季2017年4—9月份为正值,土壤表现为热汇,其余月份皆为热源。土壤热通量的变化过程主要受净辐射调控,森林物候也起了一定的作用。河南宝天曼锐齿栎森林通量观测站全年能量闭合度为67%,在国际同类观测站的范围之内(55%—99%)。不能完全闭合的原因可能与通量源区面积不匹配、计算能量平衡时忽略冠层热存储等有关。     

随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用——以云南松分布模拟为例

通常来讲,生态学者对于解释生态关系、描述格局和过程、进行空间或时间预测比较感兴趣。这些工作可以通过模拟输出值(响应)与一些特征值(即解释变量)的关系来实现。然而,生态数据模拟遇到了挑战,这是因为响应变量和预测变量可能是连续变量或离散变量。需要解释的生态关系通常是非线性的,并且解释变量之间具有复杂的相互作用关系。响应变量和解释变量存在缺失值并不是不常有的现象,奇异值也经常出现在生态数据中。此外,生态学者通常希望生态模型即要易于建立又易要于解释。通常是利用多种统计方法来分析处理各种各样情景中出现的独特的生态问题,这些模型包括(多元)逻辑回归、线性模型、生存模型、方差分析等等。随机森林是一个可以处理所有这些问题的有效方法。随机森林可以用来做分类、聚类、回归和生存分析、评估变量的重要性、检测数据中的奇异值、对缺失数据进行插补等。鉴于随机森林本身在算法上的优势,将就随机森林在生态学中的应用进行总结,对建模过程进行概述,并以云南松分布模拟研究为例,对其主要功能特点进行案例展示。通过对随机森林的一般术语、概念和建模思想进行介绍,有利于读者掌握本方法的应用本质,可以预见随机森林在生态学研究中将得到更多的应用和发展。     

大尺度生态水文模型的构建及其与GIS集成

基于过程模拟手段揭示森林植被的生态水文功能和变化机制,已经成为生态水文学研究的重要手段。由于陆地生态水文过程的非线性和尺度问题的广泛性,基于过程的坡面或小流域尺度的分布式水文模型不适合大流域的水文过程的分析和预测;另外,传统的水文模型主要侧重水文物理过程,只有充分耦合植被生态过程,才能从机制上揭示森林植被参与水文循环的调控作用。依据大流域的水文过程特点,从5个方面阐述了大尺度生态水文模型构建过程中的主要问题：①大尺度生态水文模型的概念和结构;②尺度的界定与匹配;③离散化数据集的建立,着重分析了植被覆盖、土壤质地、山地气候等主要数据集的建立方法;④分布式与集总式模型,这两类模型可以从他们的基本空间单元上进行区分,数字流域的建立和空间分析手段使得集总式模型和分布式模型得到了很好的结合;⑤生态水文模型与GIS的集成。分析了4种不同的集成方式,“松散型”的集成方式因其编程工作量小而被广泛采用。集成的目的不仅是要提高模拟的技术水平,更要提高系统整体的概念化水平。     

川西亚高山流域水碳平衡研究

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于WaSSI-C水碳耦合模型和趋势分析, 研究了1982-2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系, 发现: 1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型, 但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗, 因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型; 且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2) 25年的土壤水分蓄变量的平均值, 高山草甸流域为-44 mm, 混交林为-18 mm, 针叶林为-5 mm, 说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降, 其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性, 且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响: 高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力, 常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量, 且森林覆盖率越高, 产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势, 且高山草甸的上升趋势显著。     

川西亚高山不同暗针叶林群落类型的冠层降水截留特征

在林分和小流域尺度上,应用模型研究了四川卧龙亚高山暗针叶林冠层的降水截留特征.结果表明:生长季节(5—10月),箭竹-岷江冷杉原始林冠层截留系数在33%～72%之间,平均48%;冠层截留量与降水量之间呈显著的线性关系,截留系数与降水量之间呈负指数函数关系;试验小流域内,植被冠层最大截留量的平均值为1.74mm,不同林分间的差异显著,其顺序为藓类-箭竹-岷江冷杉林>草类-箭竹-岷江冷杉林>藓类-杜鹃-岷江冷杉林>草类-杜鹃-岷江冷杉林>杜鹃灌丛;冠层最大截留量与叶面积指数(LAI)之间呈极显著的线性关系;冠层截留量、冠层最大截留量、附加截留量分别占同期降水量的39%、25%和14%.所选模型对整个生长季平均截留量的模拟效果较好,相对误差为9%～14%.