20世纪90年代以来中国生态空间演化的时空格局和梯度效应

改革开放以来中国经济和城市化的快速发展促使生产和生活空间挤占大量生态空间，系统认识和评估我国生态空间演化的宏观格局和过程对于生态文明建设具有重要的理论和现实意义。为揭示全国生态空间变化的时空过程，在对生态空间内涵进行界定的基础上，结合全国尺度时序土地利用数据构建生态空间分类体系，并评估1990-2015年中国生态空间演化特征。结果表明：1990-2015年中国生态用地面积持续减少，主要向半生态用地转变，发生在重要的粮食生产区域及周边；半生态用地面积波动明显，前期主要表现为不断扩张，后期大量转换为弱生态用地，发生在主要城市群地区；弱生态用地持续扩张，与城镇化进程不断加速相关。中国生态空间演变过程表现出一定的区域差异和梯度效应，不同区域生态空间变化发生的拐点时间有所不同，呈现"自东向西、由南到北"的3级梯度特征，区域生态空间状况与经济发展战略及生态空间管控具有较强的相关性。本研究对于国家生态空间管控近远期战略方案制订具有一定启示，建议处于不同梯度的各地区应基于区域生态空间演化所处阶段和不同驱动机制，确定分区域生态空间安全红线目标和生态空间管控方案。     

自然植被物候遥感提取精度评估

利用遥感开展植被物候的研究涉及到物候提取方法这一基本问题,但当前不同方法的优劣尚无定论,亟待开展不同方法的综合评价。本研究利用2009年的叶面积指数数据,基于18种植被物候遥感提取组合,联立23个地面站点的物候观测数据,利用偏差等5个定量指标综合评价不同遥感提取组合对植被生长季开始时期(SOS)、结束时期(EOS)和长度(LOS)的提取精度。结果表明:基于SG-Sa 0.1(SG滤波法+阈值为0.1的季节性振幅法)组合能够较好地提取地面23个站点的总体植被物候;针对单个物候期,SOS、EOS和LOS的最优方法分别为SG-Sa 0.1、SG-Sa 0.3和DL-Sa 0.1,但提取结果与地面观测物候日期的最小偏差均超过5 d,显示了利用时间分辨率为8 d的遥感数据提取植被物候可以达到的精度水平; SOS、EOS和LOS各自最优与对应的最差方法提取的物候期差值分别可达到-51.55、19.06和86.33 d,说明选取适宜遥感提取方法的重要性。此外,遥感提取物候和地面观测物候不能完全匹配,采用多重评价方法,特别是偏差一致性方法可以有效选取出最优的遥感提取组合。     

沙化和退化状态对甘南草地生态系统固碳的影响

陆地生态系统作为全球第二大碳库,其碳收支应对气候变化一直是研究的热点领域。多数研究主要探讨温/湿度、CO₂浓度等对陆地生态系统碳循环的影响,而针对草地的沙化、退化对植被整个固碳过程所产生影响的研究相对不足。本研究以30 m×30 m空间分辨率的遥感数据做支撑,参考国家标准GB/T 24255—2009解译草地沙化和退化数据,并结合光能利用率遥感模型,模拟陆地生态系统总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP),分析甘南地区植被固碳的时空变化特征,最后讨论草地沙化和退化对植被固碳所产生的影响。结果表明：甘南地区的草地主要呈现无沙化和轻度沙化状态,并伴随着较少区域面积不同程度的土地退化现象,其中玛曲县的草地沙化和退化情况相对严重,草地沙化和退化面积分别占甘南地区总面积的0.03%和2.50%;研究区草地GPP、NPP和NEP均具有上半年呈递增、下半年呈递减的月变化特征,而在空间格局上呈现为东高西低、北高南低的分布特征;其中,玛曲县是草地年固碳量最大的县,其草地固碳量为691.28 t C·a^-1,唯舟曲县为碳源,其N...     

京津唐城市群土地利用变化的区域增温效应模拟

土地利用变化与大气相互作用,影响区域气候,而城市及其周边地区受人类活动影响很大,成为土地利用变化最为强烈的区域。利用耦合了城市冠层模型的中尺度大气模式(WRF/UCM),在2008年的初始大气条件和边界条件下,用20世纪70年代后期和2008年两期京津唐地区土地利用资料替换WRF/UCM模式推荐的地表覆盖数据,模拟分析不同土地利用类型及其变化对应的气候差异情况。在此过程中,利用插值方法(ANUSPLIN)得到京津唐及其周边26个气象站点观测气温的插值数据,并以此在时空尺度上对比验证了模式的模拟结果。结果表明:WRF/UCM较好地模拟出了近地表2 m的气温,无论在空间上还是在时间上都表现良好;由城市扩展主导的土地利用变化导致研究区大部分区域的增温幅度大于0.05℃,且最大的增温区域出现在城市扩展区,可达1.31℃。此外本研究初步探讨了土地利用变化的增温贡献率,结果显示研究区土地利用变化导致增温0.08℃,整体贡献率为9.88%,城市扩展区增温0.29℃,表示出了城市扩展导致的增温贡献率达到32.75%。     

甘南地区二氧化碳施肥效应对生态系统的影响

陆地生态系统是全球第二大碳库,其碳收支一直是气候变化研究的热点领域,而研究二氧化碳（CO₂）施肥效应又是全球变化碳循环领域较为关注的前沿部分。CO₂与生态系统关系复杂,当前仍无法厘清CO₂对陆地生态系统碳循环的影响作用。基于太阳辐射数据、气温数据及归一化植被指数数据等,利用光能利用率遥感模型,模拟2019年甘南地区的碳循环,选取三个指标,即GPP （陆地生态系统总初级生产力）、NPP （净初级生产力）和NEP （净生态系统生产力）来分析甘南地区植被固碳的时空变化特征及CO₂施肥效应。结果表明：（1）甘南地区2019年植被固碳总量约为2611 tC。甘南地区生态系统GPP、NPP和NEP季节性特征明显,其值均在夏季达到最高;而在空间上,GPP、NPP表现为东高西低的特征,NEP呈现出北高南低的分布特征。（2） CO₂对GPP、NPP存在正向的施肥效应,分别增加了14.4%和14.3%;而对NEP具有负向反馈效应,使其减少了0.3%,并且CO₂对NEP的影响整体也表现为北高南低的特征。研究揭示出：虽然CO₂在提升GPP和NPP时,正向的施肥效应明显,但是对甘南地区的NEP,即固碳量来说,CO₂的影响却很有限。因此在研究CO₂施肥效应时不应一概而论,生态地理环境对其的影响不可忽视。研究可以为揭示陆地生态系统碳循环的动态机制提供一定的理论依据。     

中国森林面积变化及其温室气体储量模拟研究

陆地生态系统承载的温室气体对全球碳循环及气候调节服务意义重大,森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,量化森林对温室气体的储量有利于从生物地球化学角度研究全球变化问题。针对中国森林生态系统承载的温室气体在大尺度上无法有效量化的问题,基于2000与2010年两期土地利用数据和前人的相关研究,通过一个生态系统温室气体值模型,模拟得到中国森林生态系统承载的三大主要温室气体(CO_2,CH_4,N_2O)的量。结果表明:(1)中国森林生态系统的面积从2000年的224.3×10~6 hm~2略增到2010的224.6×10~6 hm~2;其中落叶阔叶林、常绿阔叶林和针叶林的面积减少,而混交林与灌木林的面积增加;(2)对应地,2000和2010年中国森林的温室气体储量分别为154.03和154.37 Pg CO_2当量,10年间增加了0.34 Pg CO_2当量。其中,常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林在研究时段内的GHG储量减少,而混交林和灌木林增加。分区来看,温室气体储量增长较多的区域有华北、西北与西南地区,分别增长了0.13 Pg CO_2、0.12 Pg CO_2与0.15 Pg CO_2当量。温室气体储量减少较明显的是东北地区,减少了约0.1 Pg CO_2当量。本研究分别用本地化参数和模型自带参数,首次尝试对中国森林生态系统的GHG储量进行了模拟研究,并与他人的研究做了对比分析。研究同时发现,当前的相关研究存在很多不确定性,未来需要多源数据和方法提升精度,而模型模拟是一个重要的手段。     

黄河中下游影响区生态空间和生态指数变化评估

黄河中下游影响区人地关系复杂，受到自然和人类活动交叠影响，厘清该区域的生态空间及其生态指数变化对实现黄河流域生态保护与高质量发展这一国家战略具有重要意义。对黄河中下游影响区的生态空间时空格局演化和生态状况进行定量分析，具体包括基于土地利用遥感监测数据的生态空间演变分析和基于纯遥感驱动的遥感生态指数RSEI （Remote Sensing Ecological Index）分析，从而完整刻画了2000-2020年黄河中下游影响区生态环境的动态变化格局。研究结果显示：（1）从土地利用类型变化来看，黄河中下游影响区主要土地利用类型是耕地，占研究区的70%；近20年以来耕地和建设用地变化明显，耕地面积减少了2.15%（约9849km²），建设用地增加了30.75%（约11146km²），且建设用地的扩张主要以侵占耕地为主；（2）从生态空间类型变化来看，研究区半生态用地面积变化较大，主要向弱生态用地转变，发生在城市地区；天津市、河北省以及山东省的沿海地区生态空间类型由弱生态用地转为生态用地；黄河流域河南段可以明显看出半生态用地向生态用地的转变；（3）从生态级别来看，近20年来生态级别为"差"和"较差"的面积有所减少，由2000年的38.85%减少至2020年的23.01%，生态级别为"中等"和"良"的面积有所上升，由2000年的45.54%增加至2020年的73.71%，生态级别为"优"主要分布在河南省、江苏省和安徽省周边；黄河滩区内外生态环境质量相当，均呈缓慢上升趋势。本研究利用遥感大数据完整地对黄河中下游影响区的生态空间及其对应生态状况进行了长时间序列的监测与评估，为总体认知和把握该区的生态状况提供了基础支撑。     

我国双季稻物候特征及其与水热条件的关系研究

水稻生长发育过程受到气候条件的影响,而其又可以有效反映水热气候条件的变化情况。选取我国双季稻(早稻和晚稻)2000—2013年的物候观测数据和气象观测数据,总结了双季稻物候期的变化趋势和空间分布,并分析了双季稻各生长期(营养生长期、繁殖生长期、总生长期)与对应水热条件的相关关系。研究发现,物候期呈推迟趋势的站点数往往要多于呈提前趋势的站点数;有别于全球变暖的大背景,早稻晚稻总生长期期间平均温和降水量均无显著性变化,但各生长期长度普遍与平均温呈负相关、与降水量呈正相关关系。此外,分农业区量化了平均温和降水变化对各生长期的影响,结果表明温度对生长期长度的影响更大。最后,利用轮作站点探讨了用年值气候数据替代生长期气候数据分析水稻物候对气候的响应特征的合理性问题。     

植被变化对气候的反馈机制及调节效应

植被通过光合作用固定大气中的CO₂来减缓温室效应，同时植被也通过改变地表能量收支影响温室效应。在过去的气候-植被研究中，大多关注气候变化对植被的影响，而植被对气候反馈的研究相对较少。植被通过调节地表能量收支、水通量等重要地气过程影响局地、区域乃至全球气候，在气候变化中的作用十分重要。因此，需要厘清植被对气候的反馈效应机制及其结果，并识别其地域差异。从生物地球物理和生物地球化学过程两方面分析植被与气候之间的作用机制，对全球及关键区域内植被变化对局地、区域乃至全球的气候反馈效应进行了系统总结：（1）生物地球物理反馈的区域特征明显，生物地球化学反馈则表现在全球尺度上，二者相互作用但难以统一；（2）植被破坏带来的气候影响在气温效应方面与生态系统的类型及地理分布相关：热带森林破坏带来增温效应，北方森林破坏带来降温效应，温带森林破坏则会通过增加森林反照率抵消丢失的固碳降温效应，气温效应表现不明显；（3）当前研究对关键过程机制考虑不够完善，不同研究方法的结果差异较大，且缺乏高质量观测数据的验证；同时考虑生物地球物理和生物地球化学的净气候反馈研究尚无法支撑植树造林对气候变化单一减缓作用的常规理解。本文可为科学评估植树造林对气候变化作用的方向与强度提供理论依据。