基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算

以南京市紫金山林区为研究区,利用e-Cognition面向对象分类方法,基于光谱和空间信息融合后的IKONOS影像提取单木树冠阳性冠幅(PoCA, Positive crown area)信息,并结合野外实测的样方生物量数据,分别建立了针叶林和阔叶林地上生物量 (AGB, Aboveground Biomass)的遥感估算模型,并利用实测森林生物量数据对模型进行了验证。结果表明,基于遥感影像提取的PoCA与实测AGB存在较好的非线性相关关系,所建针叶林AGB估算模型的可靠性优于阔叶林模型。对建模样本而言,估算的针叶林和阔叶林AGB与观测数据比较的R2分别为0.62 (P<0.01,n=9) 和0.56(P<0.01,n=16)。验证表明,所建AGB估算模型的可靠性较好,估算的针叶林和阔叶林AGB与观测数据比较的R2分别为0.55(P<0.01,n=6) 和0.52(P<0.01,n=10),但当AGB较低时,模型结果偏高,AGB较低时,模型结果偏低。研究说明通过高分辨率遥感数据的融合、提取树冠信息进行生物量估算是可行性的。     

中国遥感干旱指数时空特征及其对气候和地表覆盖变化的响应

干旱严重影响植被生长,威胁粮食安全,基于遥感计算的植被状态指数（Vegetation Condition Index,VCI）、温度状态指数（Temperature Condition Index,TCI）和植被健康指数（Vegetation Health Index,VHI）是常用的干旱指数,被广泛应用于干旱监测。为了探究近年来我国干旱特征及其对气候和地表覆盖变化的响应,分析了2003-2016年期间VCI、TCI和VHI的时空变化特征;采用最小二乘（OLS）和偏相关分析方法分析了这些指数对气候和地表覆盖变化的响应。基于上述干旱指数计算的干旱频率表明,中温带中部和南温带等地区干旱发生频率高,干旱指数变化趋势表明在2003-2016年期间中国大部分地区干旱缓解,但在中温带、南温带和高原气候区等局部地区干旱加剧;总体而言,干旱指数随着年平均温度的上升和年降水量的降低而减小,VHI与温度和降水量的相关性在不同气候区的一致性优于VCI和TCI;裸土的减少和植被的增加导致干旱指数增大,树木转变为低矮植被干旱指数降低。     

新疆喀纳斯国家自然保护区植被叶面积指数观测与遥感估算

叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是重要的植被结构参数,调控着植被与大气之间的物质与能量交换,在生态环境脆弱的我国西北部开展植被LAI的研究对阐明该地区植被对气候变化和人类活动的响应特征具有重要的科学意义.利用LAI-2200和TRAC仪器观测了新疆喀纳斯国家级自然保护区森林和草地的有效叶面积指数(LAIe)和真实LAI,构建了其遥感估算模型,生成了研究区LAIe和LAI的空间分布图.在此基础上,分析了LAI随地形因子(海拔、坡度、坡向)的变化特征,探讨了将其应用于估算研究区森林生物量密度的可行性,并评估了研究区MODIS LAI产品的精度.结果表明:研究区阔叶林、针阔混交林、针叶林、草地LAIe的平均值分别为4.40、3.18、2.57、1.76,LAI的平均值分别为4.76、3.93、3.27、2.30.LAIe和LAI的高值主要集中分布在湖泊和河流附近;植被LAI随海拔、坡度和坡向的变化表现出明显的垂直地带性的特点.LAI随海拔和坡度的增加呈现先增加后减小的变化趋势,坡向对针叶林和草地LAI的影响明显,但对阔叶林和针阔混交林LAI的影响较弱;森林生物量密度(BD)随LAI增加而线性增加(BD=44.396LAI-25.946,R2=0.83),研究区森林生物量密度平均值为120.3 t/hm2,估算的总生物量为5.0×l06 t;MODIS LAI产品与利用TM数据生成的LAI之间具有一定的相似性(森林R2=0.42,草地R2=0.53),但森林和草地的MODIS LAI产品分别比利用TM数据生成的LAI偏低16.5％和24.4％.     

2004-2013年山东省森林碳储量及其碳汇经济价值

森林作为陆地生态系统的主体,其林分碳储量及其碳汇经济价值的估算是全球碳循环研究的热点和重要内容。基于2004-2008年和2009-2013年山东省森林资源清查数据以及实测样地数据改进的生物量蓄积量转换参数,利用生物量转换因子连续函数法,估算2004-2013年山东省森林碳储量及其碳汇经济价值动态。研究结果表明,2004-2013年山东省森林面积、碳储量和碳密度分别从2004-2008年的156.12×10⁴hm²、34.75Tg C和22.26Mg C/hm²增加到2009-2013年161.44×10⁴hm²、43.98Tg C和27.24Mg C/hm²。人工林是森林面积、碳储量和碳密度增加的主要贡献者,人工林和天然林对森林生物量碳汇的贡献分别为97.3%和2.7%。两次森林清查期间,杨树和硬阔软阔类森林的碳储量之和分别占全省总量的70.2%和69.6%,杨树的碳储量和碳密度增加最为显著。各龄组森林碳储量由大到小依次为：幼龄林 > 中龄林 > 成熟林 > 近熟林 > 过熟林。森林碳汇经济价值从2004-2008年的243.37亿元增长到2009-2013年的253.42亿元,年均增长2.01亿元,杨树的碳汇经济价值占全省所有森林类型的60%,赤松单位面积碳汇经济价值最强为2.08万元/ha。     

基于遥感和过程模型的亚洲东部陆地生态系统初级生产力分布特征

利用美国环境预测中心的再分析气象资料和由GIMMS NDVI资料生成的叶面积指数对BEPS生态模型进行驱动,模拟分析了2000-2005年亚洲东部地区总初级生产力(GPP)和总净初级生产力(NPP)的时空变化特征.在进行区域模拟计算前,使用15个站点不同生态系统的GPP观测数据及1300个样点的NPP观测数据对模型进行验证.结果表明:BEPS模型能较好地模拟不同生态系统的GPP和NPP变化,模拟的GPP与观测数据之间的R2为0.86 ～0.99,均方根误差(RMSE)为0.2～1.2 gC·m-2·d-1;BEPS模拟值能够解释78％的年NPP变化,其RMSE为118gC ·m-2 ·a-1.2000-2005年,亚洲东部地区GPP和NPP总量平均值分别为21.7和10.5 Pg C·a-1.NPP和GPP具有相似的时空变化特征.研究期间,NPP总量的变化范围为10.2～10.7 Pg C·a-1,变异系数为2.2％.NPP由东南向西北显著减少,高值区(＞1000 g C·m-2·a-1)出现在东南亚海岛国家,我国的西北干旱沙漠地区为低值区(＜30 g C·m-2·a-1),其空间格局主要由气候因子决定.不同国家的人均NPP差异很大,其中,蒙古最高,达70217 kgC·a-1,远高于中国的人均NPP(1921 kg C·a-1),印度的人均NPP最小,为757 kg C·a-1.     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO_2和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO_2交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO_2和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO_2和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

陆地生态系统碳水循环的相互作用及其模拟

回顾了近年来陆地生态系统碳循环与水循环相互作用及模拟方面的进展,指出了今后该领域研究的重点和发展方向。陆地生态系统碳水循环是两个相互耦合的生态学过程,二者及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响,并对气候系统具有强烈的反馈作用,因而成为当前全球变化研究的热点。近年来,国内外开展了大量观测和模拟研究,分析了碳循环和水循环在不同时空尺度上的相互作用及其对环境因子和土地利用/覆被变化的响应,发现土壤水分条件对陆地生态系统碳循环的主要分量（光合和呼吸）均具有显著作用,但作用的强度在不同的生态系统存在差异。精确模拟土壤水分动态及其对碳循环的影响是陆地生态系统碳收支估算的基础,碳循环和水循环的耦合模拟是生态和水文模型发展的方向。目前,大部分模型在模拟土壤水分动态时,未考虑地形对土壤水分水平移动的影响,土壤水分对土壤异养呼吸影响的模拟也多采用经验性模型,制约了碳收支模拟的精度,需要加以解决。     

太阳辐射变化对亚热带人工常绿针叶林总初级生产力影响的模拟分析

太阳辐射是陆地生态系统碳水循环的能量来源。太阳辐射的变化对植被吸收大气CO2具有重要影响。该文通过辐射观测数据建立散射辐射比例与晴空指数的关系,结合生态过程模型(BEPS)和通量观测数据,模拟分析了太阳辐射变化对千烟洲常绿针叶林总初级生产力(GPP)的影响。研究结果表明:千烟洲森林生态系统的阴叶对年GPP总量的贡献达67%,太阳辐射变化对阴叶光合作用的影响决定了冠层GPP的变化;太阳辐射强度和分布的年际差异导致年GPP对太阳辐射变化的响应不同,2003、2004和2005年太阳辐射分别变化–5.44%、–1.83%和6.26%,可使千烟洲生态系统当年GPP总量达到最大值;在季节上,太阳辐射的增加会导致5–6月GPP上升,7–9月GPP下降,使年GPP变化程度降低;在天尺度上,晴空指数在0.43时,太阳辐射变化对GPP的影响最小。     

内蒙古不同类型草地叶面积指数遥感估算

叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是重要的植被结构参数,反演LAI是植被遥感的重要研究内容之一。根据在内蒙古呼伦贝尔和锡林浩特草原利用LAI 2000观测的草地LAI,比较了不同植被指数(SR、RSR、EVI、NDVI、SAVI和ARVI)估算不同类型草地LAI的能力,建立了基于Landsat-5 TM遥感数据的LAI估算模型,并利用LAI观测数据对模型进行了检验,生成了研究区内草地LAI分布图,据此对MODIS LAI产品一致性进行了评价。结果表明,在呼伦贝尔和锡林浩特两个研究区,RSR与LAI的相关性最高(R²分别为0.628、0.728,RMSE分别为0.512、0.490),在低密度草地,RSR的优势更为明显;验证表明,根据RSR建立的LAI估算模型的精度可达70%;利用TM数据生成的两个地区的LAI(TM LAI)空间变化明显,锡林浩特草地的LAI值整体上低于呼伦贝尔草地;在呼伦贝尔和锡林浩特,MODIS LAI产品与TM LAI一致性分别为0.566,0.323,MODIS LAI产品高估了呼伦贝尔草地LAI值,而在锡林浩特研究区则存在低估现象。     

江苏省农作物最大光能利用率时空特征及影响因子

基于遥感数据的光能利用率模型被广泛应用于计算陆地生态系统的生产力,但其结果对最大光能利用率(εmax)参数非常敏感。由于该参数存在明显的时空变异性,在区域尺度上难以确定。利用MODIS遥感数据、分县产量统计数据和VPM模型推算了2001—2010年江苏省各县逐年的农田εmax,分析了其时空变化特征及其可能原因。结果表明,在2001—2010年期间,江苏省61个县区农田εmax平均值的变化范围为0.757—3.435 g C/MJ,呈现北高南低、中间高四周较低的空间分布特征;各县区农田的εmax都呈现出上升趋势,但在2001—2006年期间存在明显的年际波动,2002年、2004年和2006年的εmax相对较低,2007年后全省农田εmax稳定上升;εmax的年际波动呈现由北向南递减的趋势;全省大部分地区εmax的年际变化与单位耕地面积农用化肥施用量呈正相关性,苏北北部尤为明显;同时也与C4作物产量所占比例相关。研究表明在利用光能利用率模型计算农田生产力时,需要发展能考虑εmax时空变化的参数化方案。