大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理。在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的“多过程耦合-多技术集成-多目标应用”的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化及其资源、环境和灾害效应科学研究的重要科技任务。本研究围绕宏观生态系统模拟分析方法问题,在回顾陆地生态系统模型研究现状和发展趋势的基础上,深入讨论开发大尺度陆地生态系统动态变化和空间变异及其资源环境效应模拟系统的理念,以及模拟系统的功能定位、结构设计等基本问题,为构造中国陆地生态系统数值模拟器提供参考。     

大尺度区域生态环境治理及国家生态安全格局构建的技术途径和战略布局

陆地生态系统是地球生物圈系统的核心组分,是人类生活、生产及社会经济活动的场所。然而,人类文明发展和科学技术进步在不断地扩大对资源的利用规模和强度,也导致了严重威胁社会可持续发展的全球气候变化、生物多样性丧失、环境污染、资源枯竭、生态系统退化等环境问题。社会公众期望生态学研究能够为区域、大陆及全球尺度的生态系统的利用和保护、维持人类社会可持续发展提供科学理论及系统性的解决方案。本研究以服务中国生态文明建设、生态安全格局构建、区域生态环境治理,以及宏观生态系统科学发展为目标,回顾了中国的区域生态环境治理成效及经验;分析了我国生态文明建设对大尺度生态系统科学研究的科技需求与时代特征,提出了利用基于自然的宏生态系统途径的新思路提升区域生态环境治理及安全格局构建的设想。在此基础上,讨论了中国的大尺度区域安全格局构建及生态环境治理的新思路、战略布局、技术途径与科技支撑体系,为中国安全、健康和美丽的国土空间利用及生态文明建设进步提供理论参考。     

生态风险评价研究进展

20多年来,生态风险评价研究经历了从环境风险到生态风险到区域生态风险评价的发展历程,风险源由单一风险源扩展到多风险源,风险受体由单一受体发展到多受体,评价范围由局地扩展到区域景观水平.区域生态风险评价就是大尺度上研究复杂环境背景下包含多风险源、多风险受体的综合风险研究.目前,区域生态风险评价的理论框架已经搭建起来,统计方法多采用相对评价法.区域生态风险评价未来的发展方向为继续加强实验和野外调查,进一步减小不确定性,逐步解决尺度推移问题.区域生态风险评价必须与经济、社会、文化相结合,才能充分发挥它在管理决策中的作用.     

长江流域两栖动物物种多样性的大尺度格局

根据两栖动物分布依赖于水系的特点，依据主要水系将长江流域分为18个区域，共记录了两栖动物145种，隶属于2目10科30属，特有种和受威胁物种分别有49和69种。除了海拔最高的江源区和金沙江中上游流域外，两栖动物种类以及受威胁物种种类，从上游到下游逐渐降低，特有种比例同样从上游到下游随海拔降低逐渐降低；分析G-F多样性指数发现，G指数的分布与物种数分布规律相似，F指数与G-F指数相似，除了江源区、汉江和赣江较低外，其他区域内比较均匀。利用Jaccard物种相似性系数对流域内18个区域进行聚类分析，发现整个流域分成6部分：江源区，横断山区，云贵高原，川西高原东缘、四川盆地和秦巴山区，洞庭湖水系、鄱阳湖流域和下游流域，以及赣江流域，基本反映了长江流域内自然地理环境及我国大陆地势三级台阶变化的特点。     

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.     

近20年亚欧大陆植被指数(NDVI)对大尺度气候变化的敏感性

利用1982～2000年4～10月的AVHRR-NDVI数据,分析了大尺度的气候(温度)变化对欧亚大陆植被状况的影响.分析方法为奇异值分解,从温度和NDVI的年际变化中检测出二者最重要和最密切的大尺度空间相关特征.用每个奇异值的平方占总的协方差平方和的比例(解释率),可以度量每对模态的重要性.春季(4和5月)、夏季和秋季(9和10月)的解释率分别是60.9%、39.5%和24.6%,这说明整体上春季植被状况对温度的敏感性高于夏季和秋季.奇异值分解的显著模态中心是二者关系最密切的地区,也就是NDVI对温度最敏感的地区,春季为西西伯利亚和东欧东北部,敏感性为 0.308 0 NDVI/℃;夏季没有特别突出的敏感中心,选择与计算春季相同格点数的高值中心,其敏感性为 0.248 0 NDVI/℃;秋季敏感中心在亚洲东部高纬度地区,相同格点大小范围(110°～140° E,55°～65°N)平均敏感性为 0.087 5 NDVI/℃.这种大尺度的NDVI-气温的关系及其敏感性非常稳定,并不随使用的NDVI的空间分辨率的改变而改变.     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

景观统计与景观抽样调查方法

研究大尺度景观时,采用低分辨率遥感数据往往会出现“可塑性面积单元问题”,而尺度推演技术也很难保证其结果的可靠性。借鉴统计学基本原理和方法研究景观生态现象的景观统计与抽样调查技术是解决上述问题的一种好的思路与方法,它可使研究者在资源有限的条件下对大尺度景观进行较为精确的研究。本文介绍了景观统计的基本概念,对景观抽样调查和统计推断原理与方法进行了重点讨论,并总结了景观统计的应用范围和应用难点,展望了景观统计的学科发展前景。     

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。     

景观生态学中的尺度分析方法

多尺度空间分析法是发现和识别景观特征尺度的主要方法.当前这类方法很多,缺乏归类和对比分析评价.基于空间类型变量和数值变量,对多尺度空间分析方法进行了重新梳理.同时对当前常用的尺度分析方法:半方差分析、尺度方差分析、小波分析和孔隙度指数分析,以中国三北防护林为例,对比了各种尺度分析方法的特点和优劣.结果表明,在特征尺度的识别上:小波方差方法清晰明了;半方差分析法灵活简捷,结果明显;尺度方差分析法和孔隙度指数法在本研究中的判识结果不甚明显.在计算速度上:半方差分析法计算量最大、耗时最长,尺度方差次之,小波方差速度最快,孔隙度指数法计算速度快于前两种,慢于小波方差分析方法.半方差分析方法简单灵活,而且相关理论方法成熟,但缺乏对大尺度格局的整体把握,而小波分析恰恰能很好的弥补这一不足.最后提出,半方差分析和小波变换相结合将会是最优的尺度分析方法.