土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量估算模型研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热、CO2通量的准确估算对理解陆地和大气的物质和能量交换过程有着重要意义.重点阐述了基于过程的土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量模型,综述了统计模型、综合模型及基于遥感的模型的发展过程.其中水热通量统计模型包括基于温度和湿度以及基于温度和辐射的方法;CO2通量统计模型包括基于气候因子或蒸散因子以及基于光能利用率的方法.水热通量过程模型包括大叶、双源、多源和多层的水热传输物理模型;CO2通量过程模型包括叶片尺度及由大叶、双叶和多层方法扩展到冠层尺度的生理生态模型以及光合-蒸腾耦合模型.综合模型包括生物物理模型、生物化学模型和生物地理模型.统计模型形式简单,资料易得,对大范围的水热通量模拟具有指导意义;过程模型准确的揭示了水热和CO2通量传输的物理和生理过程,是大尺度综合模型的基础.未来生态系统水热、CO2通量估算模型将集成各种技术手段进行多尺度网络观测和大尺度机理模拟.     

四川省大熊猫保护地生态安全及其时空演变

大熊猫是生态保护的旗舰物种,保护大熊猫及其栖息地具有重要的示范作用和科学价值。中国致力于建设以国家公园为主体的自然保护地体系,分析大熊猫保护地生态安全,为建立大熊猫国家公园提供理论依据,具有重要意义。以四川省为例,选取被划入或将来可能被划入大熊猫保护地的典型县域,构建大熊猫保护地生态安全评价指标体系,采用熵权法、层次分析法进行综合评价,并结合空间相关性分析,从时间和空间两个维度对大熊猫保护地生态安全状况进行时空动态分析。结果表明：（1）2003-2017年四川省大熊猫保护地生态安全综合指数呈波动性上升趋势,生态环境改善显著,但仍有部分县域出现不同程度的环境恶化现象。（2）各县域生态安全状况表现出较强的差异性,并且相邻县域生态安全指数存在显著的空间正相关性和空间集聚性。（3）大熊猫保护地生态安全与周边社会经济发展之间矛盾依然尖锐,相邻县域之间的经济发展和生态保护状况相互影响的作用明显,需联合治理,共同促进生态平衡,提高大熊猫及其栖息地保护效果。     

植物物候对气候变化的响应

植物物候的变化可以直观地反映某些气候变化,尤其是气候变暖.植物生长节律的变化引起植物与环境关系的改变.生态系统的物质循环（如水和碳的循环）等过程将随物候而改变.不同种类植物物候对气候变化的响应的差异,会使植物间和动植物间的竞争与依赖关系也发生深刻的变化.目前欧洲、美洲、亚洲等许多地区均有关于春季植物物候提前,秋季物候推迟,使植物的生长季延长,从而提示气候变暖的趋势.植物物候的模拟模型构成生态系统生产力模型的重要部分.     

不同区域森林火灾对生态因子的响应及其概率模型

火灾是影响森林生态系统过程的重要干扰之一,其对森林生态系统内各生态因子的响应各不相同.由于植被状况及生态环境的不同,森林火灾的时空分布特征在中国不同植被气候类型内表现不同,根据植被气候类型分类系统,将中国主要森林火灾地区划分为4个区域:东北(冷温带松林)、华北(落叶阔叶林)、东南(常绿阔叶林)和西南(热带雨林),应用遥感监测数据和地面环境数据,以时空变量、生态因子(植被生长变化指数、湿度等)为可选自变量,应用半参数化Logistic回归模型,就森林火险对不同生态影响因子的响应规律进行了分析,建立了基于生态因子的着火概率模型和大火蔓延概率模型,通过模拟及实际数据散点图、火险概率图,评估了模型应用价值.结果表明,土壤湿度及植被含水量在落叶阔叶林、常绿阔叶林、热带雨林地区对着火概率影响显著.在4个植被气候区内,土壤及凋落物湿度对大火蔓延的作用较小.在冷温带松林、落叶阔叶林、常绿阔叶林地区,植被生长的年内变化对火灾发生的影响显著,在常绿阔叶林地区,年内植被生长变化对大火蔓延的作用较小.森林火险概率与各生态因子的相关关系主要呈现出非线性.不同植被气候区内,火险概率受不同生态因子组合的影响,这与不同区域的植被状况及生态环境不同有关.在不同植被气候类型,应用时空变量、生态因子建立半参数化logistic回归模型,进行着火概率和大火蔓延概率的模拟具有可行性和实际应用能力.为进一步分析森林生态系统与火灾之间的动态关系、展开生态系统火灾干扰研究提供了理论基础.     

基于最小二乘支持向量机的农田水汽通量建模

支持向量机是在统计学习理论基础上发展起来的一种新型的机器学习方法,已在模式识别、非线性建模等领域中得到了应用．本文将最小二乘支持向量机方法应用于农田水汽通量的建模中,并同前馈反向传播神经网络的建模性能进行了比较．结果表明,最小二乘支持向量机方法具有可调参数少、学习速度较快等优点,具有更好的推广能力,以更高的精度建立农田水汽通量模型．模型的敏感性分析进一步显示,用最小二乘支持向量机方法建立的农田水汽通量模型是合理可行的．     

不饱和土壤CH4的吸收与氧化

不饱和土壤是已知唯一的 CH4 生物壑。综述了不饱和土壤 CH4 的吸收、氧化过程及其影响因素。不饱和土壤中 CH4 氧化的临界浓度低 ,因而甲烷氧化菌可氧化大气 CH4 并将其当作唯一的碳源和能源。土壤 CH4 吸收率与土壤湿度通常呈负相关关系。土壤湿度过高 ,大气 CH4 和 O2 向土壤中扩散受阻 ;或土壤湿度过低引起水分胁迫均导致甲烷氧化菌活性下降。NH 4对土壤中 CH4 氧化的抑制作用可归结为 NH3和 CH4 在甲烷单氧酶水平上的竞争、由氧化作用向硝化作用的转移以及 NH 4氧化生成的 NO- 2 的毒性。NH 4对 CH4 氧化的抑制作用与土壤有效氮含量成正比。各类氮肥对 CH4 氧化抑制作用 :化肥 >有机肥 ;铵态氮肥 >尿素。 NO- 3对 CH4 氧化没有抑制效应。阳离子代换量 (CEC)高的土壤 NH 4对 CH4 氧化的抑制作用轻。 CH4 氧化菌对大气 CH4 的高亲和力及 CH4 氧化所需较低的活化能导致其温度系数 Q1 0 较小。地温较低时 ,土壤氧化 CH4 的能力随温度升高而升高。当地温高于 CH4 氧化的最佳温度时 ,CH4 氧化菌难以与硝化细菌及其它微生物竞争利用土壤空气中的 O2 ,导致其活性降低。甲烷氧化菌对 p H值变化不敏感。团粒结构较好的壤土可保护 CH4 氧化菌免受干扰。未受干扰的森林土壤 CH4 氧化率的峰值一般出现在亚表     

涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响

涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法。然而,能量不闭合现象在涡度相关测量中普遍存在。分析能量不闭合对涡度相关观测的影响,对于提高涡度相关观测精度具有重要意义。以蒸渗仪法为参照,探讨涡度相关观测的能量闭合状况对农田蒸散测定的影响,在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中,寻找对蒸散测定有影响的因素。结果表明:涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季日均EBR范围在0.26—2.84之间,平均1.15;玉米季日均EBR范围在0.19—2.59之间,平均0.78。无论麦季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P<0.01),并有相似的季节变化。平均蒸散比(ETec/ETL)麦季约为0.61,玉米季约为0.50。在冬小麦田和夏玉米田,ETec/ETL均与EBR显著相关(P<0.01)。麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸散比与EBR成正比(P<0.01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当LAI>1,下垫面变得较均匀后,蒸散比与EBR的关系才变得显著(P<0.01)。风速小时ETec/ETL与EBR显著相关,风速增加时二者相关性减弱。尤其在玉米田,当摩擦风速(u*)大于0.3 m/s时,ETec/ETL与EBR的相关性不再显著。风速小时,大气湍流微弱,湍流的涡旋较大。在有限的观测时段(0.5h)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。以上结果为应用能量平衡比率校正农田蒸散提供了可能途径。     

冬小麦不同生育期最小冠层阻力的估算

作物最小冠层阻力是研究农田蒸发和作物缺水的一个重要参数。使用作物的冠层红外温度信息,将作物在充分灌溉情况下冠层温度与空气温度之差与空气的饱和水汽压差的经验关系同其理论解释相结合,通过实验数据,估算了在华北平原气候条件下的冬小麦（Triticum aestivum L.）的平均最小冠层阻力,为基于这种阻力的应用共基础,研究表明冬小麦最小冠层阻力随发育期而不同,并且抽穗前后差异明显,给出了冬小麦不同生育阶段的平均最小冠层阻力。     

植物气孔导度的机理模型

 Ball-Berry气孔导度模型及其修正模型是评价植物叶片气孔调节的重要工具。该文从CO₂分子在叶片气孔中扩散这个最基本的物理过程出发, 应用物理学中的分子扩散和碰撞理论、流体力学与植物生理学等知识, 严格推导出叶片气孔导度的机理模型。利用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合作用测定仪控制CO₂浓度、湿度和温度, 测量了华北平原冬小麦(Triticum aestivum)的光响应数据和气孔导度数据。拟合结果表明: 推导的气孔导度机理模型较之Ball-Berry气孔导度模型和Tuzet等气孔导度模型, 能更好地描述冬小麦的气孔导度与净光合速率之间的关系。如果用气孔导度的机理模型耦合光合作用对光响应的修正模型, 则耦合模型可以很好地描述华北平原冬小麦叶片气孔导度对光强的响应曲线, 并可直接估算冬小麦的最大气孔导度和对应的饱和光强, 同时可以研究最大气孔导度是否与最大净光合速率同步的问题。拟合结果还表明: 冬小麦在30 °C、560 μmol·mol^–1 CO₂, 或在32 °C、370 μmol·mol^–1 CO₂条件下, 最大气孔导度与最大净光合速率并不同步。