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。     

8种绿化树种光合特性及叶片解剖结构比较

城市绿化不仅包含了园林绿化的美化作用,还具有重要的生态功能,其生态功能是通过植物的生理活动实现的。光合能力在种间和基因型间的变化很大,这些差异通常与代谢和(或)叶片的解剖结构的性质有关。本研究选择8种哈尔滨常见树种,采用Li-6400便携式光合测定系统对叶净光合速率(P_n)、呼吸速率(R_d)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、胞间CO_2浓度(C_i)等进行测定,并利用显微镜观察测定叶片厚度、表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度,从而探讨叶片结构对光合生理的影响。结果表明:8个树种间叶片最大光合速率、气孔导度、胞间CO_2浓度、蒸腾速率、光饱和点差异显著(P <0.05);表皮厚度、栅栏组织厚度、上表皮气孔密度和下表皮气孔密度差异显著(P <0.05)。虽然8个树种间光合能力和叶片解剖结构的差异较大,但分析发现其间也存在一定的相关性。其中,光饱和点与叶表皮厚度显著正相关(P <0.01),相关系数为0.78。胞间CO_2浓度与上表皮气孔密度显著负相关(P <0.05),相关系数为-0.65。而最大光合速率、呼吸速率、蒸腾速率和光补偿点与表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、上表皮气孔密度和下表皮气孔密度相关均不显著(P> 0.05)。胞间CO_2浓度与表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和下表皮气孔密度相关均不显著(P> 0.05)。光饱和点与栅栏组织厚度、海绵组织厚度、上表皮气孔密度和下表皮气孔密度相关均不显著(P> 0.05)。虽然对叶片结构对生理过程的影响的机理还需要进一步研究,但是我们认为叶片解剖结构的研究可以更好地理解生理指标的变化。     

外源性的电磁干预对神经病理性疼痛大鼠的镇痛效果研究

目的:探讨外源性的电磁干预方法对神经病理性疼痛大鼠的镇痛效果。方法:将30只成熟的雄性SD大鼠随机等分成3组:空白对照组(Control),坐骨神经慢性压迫损伤(CCI)组以及坐骨神经慢性压迫损伤协同电磁刺激组(CCI+EMF)。CCI组和CCI+EMF组的20只大鼠建立坐骨神经慢性压迫损伤模型,CCI+EMF组大鼠行外源性的全身性电磁刺激干预(脉冲波形,频率15 Hz,强度30 Gs),每天刺激6小时。在CCI模型构建的第0、3、6、9、12及15天对大鼠测试和比较足底机械痛阈值、足底热痛阈值、运动功能评分和神经传导速率。结果:CCI组大鼠的足底机械痛阈值、足底热痛阈值及感觉神经传导速率从CCI手术后的第3天即出现显著性降低,其6、9、12、15天足底机械痛阈值、足底热痛阈值及感觉神经传导速率均显著低于Control组(P0.01),而运动功能评分均显著高于Control组(P0.05)。CCI+EMF组大鼠的足底机械痛阈值、足底热痛阈值及感觉神经传导速率在第9、12、15天显著高于CCI组大鼠(P0.05),而运动功能评分均显著高于CCI l组。结论:外源性的电磁刺激对于神经病理性疼痛大鼠具有良好的镇痛效果,有望成为一种临床治疗神经病理性疼痛的新的物理治疗手段。     

川西亚高山不同森林类型土壤呼吸和总硝化速率的季节动态

川西亚高山原始林及其采伐后通过不同恢复措施形成的不同类型森林土壤呼吸和总硝化速率的对比分析及其耦合关系的研究相对匮乏。采用气压过程分离系统(Ba PS)技术研究了川西亚高山岷江冷杉原始林及其砍伐后恢复的粗枝云杉阔叶林、红桦-岷江冷杉天然次生林和粗枝云杉人工林土壤呼吸和总硝化速率的季节动态及其影响因素。结果表明:生长季内平均土壤呼吸速率和总硝化速率分别以粗枝云杉阔叶林和粗枝云杉人工林较高,均以岷江冷杉原始林较低。土壤呼吸和总硝化速率在生长季内具有明显的季节动态,呈以7月份最高的单峰趋势。土壤呼吸和总硝化速率与土壤温度显著相关,而与土壤水分相关性不显著,表明土壤温度是调控呼吸和总硝化作用季节动态的主要因子。土壤呼吸的温度敏感性(Q_(10))介于2.59—4.71,以岷江冷杉原始林最高,表明高海拔的岷江冷杉原始林可能更易受到气候变化的影响。林型间土壤呼吸和总硝化速率主要受凋落物量、p H和有机质的影响。不同林型间土壤呼吸和总硝化速率显著正相关,表明土壤呼吸和总硝化速率存在耦合关系。     

2000-2015年中国陆地生态系统蒸散时空变化及其影响因素

准确量化区域蒸散时空格局及其影响因素对理解陆地生态系统碳水循环具有十分重要的意义。近年来中国经历了严重的空气污染及气候波动,亟须探讨蒸散的时空变化及其影响因素。基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型,集成遥感数据和气象数据模拟了中国陆地生态系统2000-2015年蒸散,并分析其时空变化及影响因素。结果表明：1）参数优化后PT-JPL模型可解释蒸散年际变化的68%,优于原始模型及MODIS蒸散产品;2）中国地区多年平均蒸散为440.16 mm/a,呈东南沿海到西北内陆逐渐递减的空间格局;3）2000-2015年蒸散整体呈轻微下降趋势（slope=6.48 Gt/a,P=0.17）,但具有年代际差异,2000-2010年中国地区蒸散呈显著下降趋势（slope=21.05,P < 0.01）,占全国蒸散总量45.05%的内蒙古地区、甘新地区、黄土高原地区及青藏地区解释了61.88%的年际变化;2010-2015年呈轻微上升趋势（slope=10.48,P=0.71）,各地区均无显著变化趋势;4）辐射主导了蒸散的年代际差异,分别解释了2010年前后蒸散下降及上升趋势的51.45%、85.26%。蒸散呈显著变化趋势的内蒙古地区、黄土高原地区及青藏地区主要受辐射控制,甘新地区主要受降水和温度的影响。     

模拟增温对西藏高原高寒草甸土壤供氮潜力的影响

过去几十年青藏高原呈现显著的增温趋势,冬季增温幅度显著高于生长季的季节非对称特征。气候变暖会对生态系统氮素循环产生重要影响,但关于全年增温与冬季增温对高寒生态系统氮循环的不同影响仍缺乏研究。在青藏高原高寒草甸区开展模拟增温试验,研究季节非对称增温对高寒草甸生态系统氮循环的影响。该试验布设于2010年7月,设置3种处理(不增温、冬季增温与全年增温)。研究结果发现,开顶箱增温装置造成了小环境的暖干化:显著提高了地表空气温度和表层土壤温度,降低了表层土壤含水量。冬季增温会加剧土壤中氮素的流失,所以在经历了冬季增温后土壤氮含量显著降低;在生长季节,土壤氮素周转速率受土壤水分的调控,在降雨较少的季节,增温引起的土壤含水量降低会抑制土壤氮周转速率。对于土壤微生物量而言,高寒草甸土壤微生物量碳表现出明显的季节动态,在生长季旺盛期较低,在生长季末期和初冬季节反而较高,这说明为了降低对土壤养分的竞争,高寒草甸植物氮吸收与土壤微生物氮固持在时间上存在分离。研究结果表明,冬季增温导致的土壤养分含量变化会影响随后生长季植物群落的生产力、结构组成与碳氮循环等过程,对生态系统过程产生深远的影响。     

基于Shuttleworth-Wallace模型的科尔沁沙地流动半流动沙丘蒸散发模拟

陆面蒸散发在气候调节和维持区域水量平衡中起关键作用.量化蒸散发及其各组分项,对深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.本研究基于科尔沁沙地流动半流动沙丘2017年生长季气象监测系统的原位监测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型对沙丘蒸散发进行模拟,在此基础上,对蒸散各组分进行拆分,并利用涡度相关对模拟蒸散发值进行验证.结果表明: 整个生长季模型模拟蒸散发值为308 mm,涡度相关实测值为296 mm,偏差较小,证明S-W模型适用于该地区的蒸散发模拟.蒸散发整体呈生长旺盛期>生长后期>生长初期,分别为192、71和45 mm,分别占总量的62.3%、23.1%和14.6%.日尺度上模型模拟值与实测蒸散发值一致性较高,模型模拟精度大体表现为: 晴天>阴天>雨天,且阴雨天模型模拟值较涡度相关实测值偏低.经拆分,土壤蒸发和植被蒸腾分别为176和132 mm,分别占总量的57.1%和42.9%,表明沙地水分利用效率较低.持续干旱和降水后,蒸散发规律明显不同,且土壤蒸发对降水的敏感性强于植被蒸腾.     

濒危连香树种群性比和雌雄株功能性状的差异

雌雄异株植物种群性比偏倚和性别间功能性状的差异可能对种群维持产生不利影响,目前的研究很少关注雌雄异株濒危植物的性别差异.本文调查了四川小寨子沟国家级自然保护区内天然连香树种群性比并比较其雌雄株之间的形态、光合能力、水分和养分利用效率差异.结果发现,连香树种群性比显著偏雌(F/M=1.97;x^2 =4.46,P=0.035),雌株的胸径、冠幅、最大光合速率、表观量子效率、最大羧化效率、比叶面积、叶氮含量及水分、氮和磷利用效率分别比雄株高44.50%、27.94%、20.11%、50%、21.14%、14.32%、14.86%、158.7%、19.74%和28.03%,而其气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和光补偿点分别低20.83%、24.61%、56.11%和44.44%,表明该地连香树种群存在性别偏倚且性别间已呈现出性别二态性,这可能是其濒危的重要原因,建议在探讨其濒危机制中应该考虑性别的因素.