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。     

南极罗斯海表层沉积物中的放射虫组合分布及与其他硅质生物关系和环境生态意义

本文利用中国第31-33次南极科学考察在罗斯海陆架区采取的表层沉积物样品,研究了生物硅含量、硅质微体生物遗骸丰度分布特征和放射虫属种组合及其与海洋环境和生态的关系。研究显示,区域上生物硅含量是硅藻、放射虫和海绵骨针共同沉积的结果。其中,高的硅藻和放射虫丰度指示了罗斯海陆架区西部表层水初级生产力,而高的海绵骨针丰度可能与悬浮食物来源有关。主要放射虫属种的Q型因子分析将37个放射虫优势种归为四类属种组合。其中,以Antarctissa denticulata为优势种的组合代表寒冷的南极表层水;以Plectacantha oikiskos-Antarctissa(?) sp.1为优势种的组合指示水深和地形变化大、高初级生产力的近岸环境,代表罗斯海季节性海冰生成活跃的冰缘区;以Antarctissa strelkovi-Trisulcus borealis为优势种的组合中,A.strelkovi可能指示表层水硅酸盐浓度较高的浅水环境,而Trisulcus borealis和其它优势种可能受到多种环境因素的共同影响;以Lithomelissa setosa为优势种的组合主要受到上层冷暖水团混合的影响较大,可能指示侵入罗斯海陆架中部的变性绕极深层水。     

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。     

大兴安岭北坡火烧迹地森林景观恢复及其影响因子——以郁闭度指标为例

197年发生在大兴安岭北坡的特大火灾造成了森林资源的巨大损失,森林景观恢复一直是人们关注的热点.本研究选取与森林生产力密切相关的郁闭度因子作为研究对象,以ArcView、ArcGIS等地理信息系统软件为研究平台,采用1987年和2000年两期森林资源二类调查数据,对郁闭度、火烧强度、抚育类型和地形因子等进行分级,利用Kendall等级相关分析、相似性分析等方法,探讨了森林郁闭度格局的恢复状况以及火烧强度、更新类型、地形因子对郁闭度恢复的影响.结果表明,2000年郁闭度等级构成与1987年火前相比发生了明显变化,无林地以及高郁闭度等级比重明显下降,较低郁闭度等级比重显著上升;火烧强度对火后恢复的影响最为关键,火烧强度与郁闭度等级呈负相关;更新措施短期内对郁闭度恢复影响不显著,但可以缩短森林演替的周期,对未来针叶林群落生产力恢复具有重要的促进作用;地形因子中坡度对郁闭度恢复影响最为明显,其次为坡位,坡向影响最弱.     

宁夏荒漠草原植物群落结构和物种多样性研究

采用样方法对宁夏荒漠草原植物群落进行了调查,对群落结构、功能群物种组成和物种多样性以及群落生产力的关系进行探讨。结果表明,群落生产力除受物种多样性的影响外,也受物种本身特征和环境资源的影响。在荒漠草原中功能群盖度与群落初级生产力无显著的相关关系。功能群内物种多样性、物种数和个体数量上呈现一定的互为消长关系。     

香溪河官庄坪库湾叶绿素a 及初级生产力的分布特征

2005年2月—4月对三峡库区香溪河进行了定点初级生产力及相关影响因子的研究,分析了官庄坪库湾叶绿素a含量和初级生产力的时空分布特征。结果表明,叶绿素a含量、初级生产力在各水层的变化具有相同的周期性,均存在5个峰值,平均每个周期为7—10d左右,但两者不同步。官庄坪测站的真光层深度为10m左右,介于湖泊与海洋之间,光补偿点为4—5m。初级生产力最大值出现在水下0.5m处,并沿物理深度逐渐降低;叶绿素a含量最大值则出现在水下2m处。水温的垂直变化在后期差异明显,各水层日平均水温增量(ΔT/d)与平均毛初级生产、净初级生产存在极显著的相关性。     

大兴安岭天然沼泽湿地生态系统碳储量

采用碳/氮分析仪测定法与标准木解析法,研究大兴安岭5种典型天然沼泽湿地(草丛沼泽、灌丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽和落叶松沼泽)的生态系统碳储量(植被和土壤)、净初级生产力、植被年净固碳量及其沿沼泽至森林方向过渡带水分环境梯度的分布格局,揭示其空间变异规律性,并定量评价寒温带5种典型天然沼泽湿地的碳储量与固碳能力及其长期碳汇作用。结果表明:①5种天然沼泽湿地的植被碳储量分布在(0.48±0.08)—(8.33±0.66)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度呈递增趋势;②土壤碳储量分布在(19.21±6.17)—(38.28±4.86)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度却呈递减趋势;③生态系统碳储量分布在(27.54±7.16)—(38.76±4.58)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度基本呈恒定分布规律性,且以湿地土壤碳储量占优势地位(69.8%—98.8%);④植被净初级生产力分布在(0.68±0.10)—(1.08±0.12)kg.m-.2a-1之间,毛赤杨沼泽最高,草丛沼泽、灌丛沼泽、白桦沼泽居中,落叶松沼泽最低,且总体上低于温带森林湿地而高于寒温带天然落叶松林;⑤植被年净固碳量分布在(0.32±0.09)—(0.51±0.06)kgC.m-.2a-1,毛赤杨沼泽最高(高于全球植被平均年净固碳量)、灌丛沼泽和白桦沼泽居中(达到或接近全球平均值)、草丛沼泽和落叶松沼泽最低(略低于全球平均值),故这5种沼泽湿地均属于碳汇功能相对较强的湿地植被类型。     

水稻主茎节位分蘖及生产力补偿能力

本研究选用两个籼稻杂交品种西农优1号和冈优725,采用人工去蘖形成分蘖初期的早发、中发、迟发三个处理,在群体条件下研究分蘖和生产力的补偿能力。本研究发现,迟发处理高节位群的分蘖补偿能力最明显,但绝对补偿量小。迟发处理高节位群的生长势、有效分蘖倍数增加,抽穗期单茎叶面积有增加的趋势,但抽穗期有效穗数、叶面积系数降低;迟发处理冠层光分布增加,叶绿素、蛋白质含量提高,叶片细胞内保护酶类(Superoxide dismutase, SOD、catalase,CAT)活性下降慢,叶片衰老慢,但是漏光率增加,截光率下降;迟发处理净光合生产率（Net assimulation rate, NAR）增加,同化物分配合理,经济系数有增加的趋势,但物质积累速度（Crop growth rate ,CGR）和干物质生产量减少。在本实验条件下,早发与中发处理的经济产量差异不显著,但早发与迟发处理的经济产量差异达极显著。本研究结果表明大苗秧对生物、非生物因素胁迫,如本田前期一定程度的人工去蘖,具有一定的分蘖补偿能力。     

太湖湖岸带浮游植物初级生产力特征及影响因素

利用高频溶解氧监测,估算了太湖梅梁湾湖岸带浮游植物初级生产力的高频变化特征。结合同步气象监测及浮游植物、浮游动物和营养盐的周年逐周观测数据,分析了气象和环境条件对富营养化湖泊浮游植物初级生产力的影响。结果发现,高频溶解氧监测估算的初级生产力变化与浮游藻类生物量的变化一致,能够反映出浮游植物生产力的昼夜变化、季节变化等规律。统计分析表明,气温对太湖这一富营养化湖泊初级生产力影响很大;氮的供给与浮游动物的选择性牧食也是影响浮游植物初级生产力的重要因素。湖岸带的水华堆积过程对初级生产力影响巨大,气象、水文过程又加剧了蓝藻水华初级生产力的变化幅度,反映出富营养化湖泊初级生产力可能存在极大的时空不均一性。研究表明,溶解氧高频监测法估算初级生产力能够捕捉到湖泊初级生产力的快速变化过程,可以用于富营养化湖泊初级生产力监测、蓝藻水华灾害预警中。     

沙化草地土壤碳氮磷化学计量特征及其对植被生产力和多样性的影响

沙化草地土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征及其对植被生产力与多样性的影响对于认识草地沙漠化过程中土壤与植被的互馈关系,以及沙漠化发展的生态学机理具有重要的意义。通过对科尔沁沙地75个沙化样地的野外调查,研究了科尔沁沙地不同程度沙化草地的表层土壤C、N、P化学计量特征及其与生产力和多样性的相关关系。结果表明:1)科尔沁沙地沙化草地表层土壤具有较低的有机C、全N、全P含量及C∶N、N∶P和C∶P,平均值分别为1.39 mg/g、0.117 mg/g、0.079 mg/g和7.50、2.22、16.91;草地沙漠化过程中,土壤有机C、全N、全P含量显著降低的同时,C∶N、N∶P和C∶P亦显著降低,表明土壤有机C、全N、全P在沙漠化过程中的损失是不同步的;2)科尔沁沙地沙化草地表层土壤有机C、全N、全P元素间均呈显著正相关,具有一定的耦合关系,且土壤有机C和全P间的耦合关系不随沙漠化的发展而发生改变;3)草地沙化过程中,土壤养分的损失限制着草地生产力,而土壤N∶P较全N、全P含量更能反映土壤养分对生产力的限制作用;4)沙化草地土壤全N含量与物种丰富度间具有显著正相关关系,而土壤全P含量与其无显著相关性;多样性指数与全N、全P含量间均具有显著正相关关系;相对于土壤全N、全P含量,N∶P能更好地反映养分平衡对物种多样性的影响作用。