Testing parameter sensitivities and uncertainty analysis of Biome-BGC model in simulating carbon and water fluxes in broadleaved-Korean pine forests

生态过程模型的发展为研究者在长时间序列和区域尺度的研究提供了便利, 但模型模拟的准确性受到模型自身结构、模型参数估计合理性的影响。敏感性分析能够定量或定性筛选出对模型模拟结果影响较大的敏感参数, 是模型参数校准过程中的重要工具, 也是建模和应用的先决条件。该文以阔叶红松林为研究对象, 采用全局敏感性分析方法——傅里叶幅度灵敏度检验扩展法(EFAST)对Biome-BGC模型的生理生态参数进行了敏感性分析, 分别分析了红松(Pinus koraiensis)和阔叶树的净初级生产力(NPP)、蒸散(ET)对参数变化的敏感性。结果表明: (1)模拟红松NPP的不确定性高于阔叶树, 但二者的模拟ET的不确定性均较小。阔叶树的NPP和ET对生理生态参数的敏感性总体上都小于红松。(2)无论是红松、阔叶或其他植被类型, 模拟NPP均表现出对叶片碳氮比、细根碳氮比、比叶面积(SLA)和冠层截留系数的敏感性, 这4个参数的高敏感性主要是由模型自身结构所决定的, 与植被类型和研究地区的关系较小。对模拟ET而言, 细根与叶片碳分配比、新茎与新叶碳分配比和SLA均是影响红松和阔叶树ET的敏感参数, 但红松ET主要受参数与参数间的二阶或多阶交互作用的间接影响, 而阔叶树ET则主要是受到敏感参数直接效应的影响。(3)除了上述影响红松和阔叶树碳水通量的共性参数外, 诸如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶中叶氮含量、叶片与细根周转率、所有叶面积与投影叶面积之比等也是对模拟结果有影响的重要参数, 但是其敏感程度随物种不同和研究区不同而不同, 所以这类参数可以根据具体情况进行参数本地化, 对于其他不敏感参数则可以采用模型缺省值。     

东北森林净第一性生产力与碳收支对气候变化的响应

以东北地区(38.43'N～53.34'N,115.37'E～135.5'E)为研究对象,利用当前气候状况和不同气候情景下的气象数据驱动基于个体生长过程的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN,模拟了气候变化对东北森林生态系统净第一性生产力(NPP)和碳收支(NEP)的影响.结果表明:1981～2002年期间,东北森林NPP总量位于0.27～0.40 pgc·a-1之间,平均值为0.34 pgc·a-1;土壤呼吸总量在0.11～0.27 PgC·a-1,平均为0.19 PgC·a-1;NEP总量位于0.11～0.18 PgC·a-1之间,且近20多年来该区森林起着CO2汇的作用,平均每年吸收0.15 Pg C的CO2;该区森林NPP和NEP对温度升高比对降雨变化的反应更为敏感;综合降雨增加(20%)和气温增加(3℃)的情况,该区各点森林的NPP和NEP增加的幅度最大;温度不变、降水增加(不变)情景下最小.     

2001-2010年疏勒河流域植被净初级生产力时空变化及其与气候因子的关系

通过改进的光能利用率CASA模型估算2001-2010年间疏勒河流域陆地生态系统的净第一性生产力（NPP），采用线性趋势分析、变异系数和Hurst指数等方法，分析了NPP的时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：①疏勒河流域NPP的空间分布具有明显差异，空间上呈现西北低、东南高的趋势，且具有较明显的经向"条带"分布特征，2001-2010年，NPP平均值为102.26 gC m^-2 a^-1。②2001-2010年，疏勒河流域NPP总体呈增长趋势，年际波动较大，NPP明显增加的区域占总面积25.15%，明显减小的区域约占11.93%。③Hurst指数分析显示，疏勒河流域NPP变化的同向特征强于反向特征，其中持续改善地区占总面积的78.3%，21.7%的区域将由改善转为退化。④在年尺度上，降水是植被NPP变化的主要影响因素，NPP与降水呈弱的正相关关系，与温度相关性不显著；在月尺度上，温度是NPP变化的主要控制因子。疏勒河流域NPP对气候因子不存在明显的时滞和累积效应。     

基于碳循环的化石能源及电力生态足迹

研究在对陆地生态系统的碳循环的进行分析后,将化石能源地定义被修订为"吸收化石能源燃烧排放的温室气体排放的森林和草原".然后,基于净生态系统生产量(NEP)--植被体内碳净累积量计算了全球森林及草原对温室气体的平均吸收能力.最后,结合能源热量转换和碳排放数据,重新计算了各种化石能源及电力的生态足迹.     

Temporal and spatial variation characteristics of China shrubland net primary production and its response to climate change from 2001 to 2013

Aims Net primary production (NPP) is the input to terrestrial ecosystem carbon pool. Climate and land use change affect NPP significantly. Shrublands occupy more than 20% of the terrestrial area of China, and their NPP is comparable to those of the forests. Our objective was to estimate China shrubland NPP from 2001 to 2013, and to analyze its variation and response to climate change.Methods We used a Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA) model to estimate the NPP of six shrubland types in China from 2001 to 2013. Furthermore, we used Theil-Sen slope combined with Mann-kendall test to analyze its spatial variation and a linear regression of one-variable model to analyze its inter- and intra-annual variation. Finally, a multi-factor linear regression model was used to analyze its response to climate change.Important findings We found the annual mean NPP of China shrubland was 281.82 g•m^-2•a^-1. The subtropical evergreen shrubland has the maximum NPP of 420.47 g•m^-2•a^-1, while the high cold desert shrubland has the minimum NPP of 52.65 g•m^-2•a^-1. The countrywide shrublands NPP increased at the rate of 1.23 g•m^-2•a^-1, the relative change rate was 5.99%. The temperate deciduous shrubland NPP increased the fastest with a speed of 3.05 g•m^-2•a^-1 and subalpine evergreen shrubland had a decreasing trend with a speed of -0.73 g•m^-2•a^-1. Moreover, the other four shrublands NPP had a growing trend, only subalpine deciduous shrubland NPP did not change significantly. The response of NPP to climate change of different seasons varies to different shrubland types. In general, the NPP variation was mainly affected by precipitation, and the spring warming also contributed to it. The increase of countrywide shrubland NPP may promote its contribution to the regional ecosystem function.     

植被光合呼吸模型在长白山温带阔叶红松林的优化及验证

植被光合呼吸模型(VPRM)关键参数的确定和优化是准确计算生态系统净CO_2交换(NEE)的基础。利用中国通量观测研究联盟(China FLUX)长白山站温带阔叶红松林2005年的通量观测资料,对VPRM的4个参数(最大光能利用率ε_0、光照为半饱和条件下光合有效辐射值PAR0和呼吸参数(α、β))进行优化,并使用2006年的观测资料对参数优化前后的模拟结果进行评估。结果表明:参数优化后,VPRM能够较好地模拟长白山地区2006年植物生长季NEE的变化。对30min NEE模拟的平均误差为-1.81μmol m~(-2)s~(-1),相关系数为0.72,模拟NEE平均日变化的峰值约为观测值的91%,相关系数为0.97。但在植物非生长季模型对森林NEE的模拟效果较差。模型模拟30min NEE的平均误差为0.39μmol m~(-2)s~(-1),相关系数仅为0.10,并且模拟低估NEE平均日变化白天吸收峰值约82%,日变化模拟值与观测值的相关系数为0.50。通过分析不同天气个例,发现模型可以较好地模拟晴天条件下NEE的变化,而对阴雨天NEE的模拟误差较大。该研究有利于提高VPRM模型对温带落叶阔叶林NEE的模拟能力,对进一步改进区域陆地NEE的模拟具有重要意义。     

中国植被净初级生产力变化的时空格局

利用植被净初级生产力（NPP）遥感估算模型，基于统计学分析方法，研究了1982-2000年我国陆地植被NPP的变化及其年际波动的空间分布特征。结果表明：（1）20年间，我国仅8％的陆地区域植被NPP显著减少，而47％的陆地区域植被NPP显著增加，45％的陆地区域植被NPP变化不明显；（2）从空间分布上看，我国大部地区年NPP增加，仅东部沿海发达地区或工业、城市密集区的年NPP减少，但增减速率在空间上存在明显的差异；（3）1982-2000年间，我国大部地区植被NPP年际波动相对变率较小，但西北地区的荒漠草原，相对变率较大。     

黑河流域中游地区净初级生产力的人类占用

基于Miami模型，对黑河流域中游净初级生产力的人类占用（HANPP）及其与生态系统多样性的关系进行了研究，并对HANPP与生态足迹（EF）指标在可持续发展评估方面的价值进行了比较.结果表明：HANPP的提高将降低生态系统多样性，研究区现状年的平均HANPP率为38.61%，肃州区和甘州区的HANPP已超过生态系统潜在生产能力的极限；结合气候变化和社会经济发展状况进行分析，未来40年黑河流域中游生态系统将面临更大压力.与生态足迹（EF）相比，HANPP更适于从生态系统功能变化角度评估区域发展的可持续性.     

植物组织培养中液体生根培养基的研究与应用

采用液体生根培养基（不加琼脂）对蚊净香草（Pelargoniumgraveolens）进行生根培养，并已应用于非洲菊的生根培养，得到了很好的效果。现介绍如下。     

黄土高原丘陵沟壑区小流域植被净第一性生产力模型

构建了机理性植被净第一性生产力模型(Vegetation—Soil—Integrated—Model,VSIM)。该模型将土壤水分动态过程与植被生长过程相耦合,用以分析黄土高原丘陵沟壑区土壤水分对植被生产力的影响。模型考虑了叶片尺度上气孔导度对净光合过程和蒸腾过程的影响,在此基础上通过考虑植被冠层结构和地形因素的影响对模型进行尺度转换,并以位于黄土高原丘陵沟壑区纸坊沟流域的观测数据对模型进行参数化和验证。结果表明对于生物量的模拟草本和半灌木比乔、灌木好．主要植被类型LAI的季节变化与观测结果具有很好的一致性,模型能够反映出流域降雨一产流过程,并且基本上也能够反映土壤水分的时空变化范围。模拟结果表明,刺槐林和苹果林属于高光合一低蒸腾类型,农作物、白羊草群落和达乌里胡枝子群落属于高光合一高蒸腾类型,铁杆蒿群落和茭蒿群落属于低光合一低蒸腾类型,而沙棘灌丛和柠条灌丛的净第一性生产力居中,但蒸腾量较高。流域内土壤水分在多年序列上基本平衡,而在不同的水文年表现出失衡。其中刺槐林、苹果林和沙棘灌丛的多年平均土壤水分在年内存在少量亏缺,铁杆蒿群落和茭蒿群落略有增加,而其它植被类型基本保持平衡。丰水年不同植被类型土壤含水量都明显高于欠水年,土壤水分含量的变化在丰水年表现为盈余,而在欠水年表现为明显的亏缺。