四川植被净第一性生产力(NPP)对全球气候变化的响应

根据全球气候变化的趋势 ,利用生态信息系统 (EIS)技术 ,采用植被净第一性生产力模型 ,并结合海拔因素 ,模拟了四川植被净第一性生产力在未来气候 5种水热条件下空间分布格局的变化趋势。结果表明 ,当前四川植被的净第一性生产力 (NPP)从总体上沿东南向西北呈逐渐递减趋势。植被净第一性生产力与降水量呈明显正相关关系 ,二者曲线比较近似。与可能蒸散率呈明显负相关关系 ,与海拔关系比较复杂。在盆地内 ,NPP值主要取决于降水量的多少。在盆地向高原过渡地区和高山高原地区 ,植被净第一性生产力主要取决于可能蒸散率的大小。随着全球气候的变化 ,四川省的植被净第一性生产力将沿东南至西北方向发生面积和值的推移。当温度升高 2 5℃ ,降水量增加 10 %时 ,四川省的植被净第一性生产力将增加13 76 % ,随着降水量增加到 2 0 % ,其值将进一步升高 ,达到 10 92 2TDM·hm-2 ·年 -1。当温度升高 4℃ ,降水量增加 10 %时 ,四川省的植被净第一性生产力将增加 18 2 9% ,随着降水量减少到P 10 %时 ,其值将逐渐减少到 9 5 30TDM·hm-2 ·年-1。     

我国西南喀斯特地区2001—2018年植被净初级生产力时空演变

植被净初级生产力（Net primary productivity,NPP）是陆地生态系统碳循环的重要指标,定量评价NPP的变化规律是碳循环机理的主要研究内容之一。以我国西南地区为研究区域,基于土地覆盖和NPP产品分析了2001-2018年西南地区NPP的时空变化特征,利用土地转移矩阵和统计分析方法,定量描述了土地覆盖类型变化导致的NPP变化量,对NPP变化的主要原因进行分析。结果表明：（1）2001-2018年,西南地区NPP均值呈波动上升趋势。（2） NPP变化趋势在空间分布上呈南高北低,NPP呈增长趋势主要集中在四川的中东部、重庆、贵州西部和云南东部;NPP呈减少趋势出现在云南、四川中西部和贵州东部。（3）森林、草地和耕地转灌丛以及灌丛转森林是对NPP变化量影响较大的土地覆盖类型转变,土地类型转变导致的NPP净增量为20.643 TgC。（4）降水与NPP相关性低,气温与NPP有一定相关性,植被叶面积指数与NPP有显著相关关系,表明气候因子对NPP的影响较小,植被生长密度对NPP有显著影响。退耕还林还草等生态工程实施,导致耕地面积减少和森林面积大量增加,是西南地区NPP上升的主导因素,因此生态工程的实施是西南地区NPP增加的重要影响因素。研究可为生态工程实施背景下NPP的变化机理研究提供参考。     

2001-2009年中国碳排放与碳足迹时空格局

碳排放引发的全球变暖给自然环境及人类社会都带来了显著影响,而碳足迹可以衡量自然生态系统对人类活动碳排放的响应。为研究自然-社会二元系统碳动态,基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)数据和统计资料计算2001—2009年中国陆地植被净初级生产力、能源消费碳排放、碳足迹和碳赤字;在GIS(Geographic Information System)技术支持下,运用空间自相关分析方法讨论其时空格局;据此划分生态经济区。结果表明:(1)2001—2009年全国植被净初级生产力(Net Primary Production,NPP)平均值为3.32 Pg C/a(1 Pg=1015g),呈西南地区东南沿海华中、华东地区东北、华北地区西北地区的空间格局;(2)2001—2009年全国能源消费碳排放逐年增加,年均增长率16.7%,多年平均值2.53 Pg C/a,呈东部中部西部的空间格局;(3)2001—2009年全国碳足迹逐年增加,年均增长率14.7%,多年平均值6.98×106km2;具有正碳赤字(即碳源)的省份为山西、环渤海地区各省、长三角地区各省、广东;相邻省份碳赤字的相对大小由于互相影响而改变;(4)全国分为中东部、南部、北部、西部四个生态经济大区。研究结果直观揭示了中国碳排放和碳足迹的时空动态,为实现自然-社会二元系统的可持续发展提供科学依据。     

2000—2020年青藏高原植被净初级生产力时空变化及其气候驱动作用

青藏高原是我国乃至全世界的“气候变化实验室”,在气候变化驱动下,青藏高原植被净初级生产力(NPP)发生了显著变化。本研究利用归一化植被指数、数字高程、年降水量和年气温等数据,探究2000—2020年青藏高原植被NPP的时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明: 2000—2020年,青藏高原植被NPP呈显著增加趋势,NPP增加速率为1.67 g C·m^-2·a^-1。青藏高原植被NPP空间分布表现为从东南向西北逐渐递减,该分布格局与气温、降水量的空间分布格局基本吻合。植被NPP与气温和降水量变化显著正相关。暖湿化气候变化趋势是促进植被NPP显著增加的重要动力,如果气候持续更暖更湿,青藏高原植被NPP将会持续增加。     

中国森林生态系统氮循环特征与生产力间的相互关系

为了更好地了解森林生态系统净初级生产力(NPP)与氮循环之间的关系,本文对中国主要森林生态系统类型中净初级生产力(NPP)、枯落物氮、植被年氮积累量和土壤氮矿化速率之间的关系进行了研究分析.结果表明,我国森林生态系统净初级生产力与枯落物氮、植被年氮积累量和土壤氮矿化速率之间均存在比较显著的相关关系.其中相关性最显著的是净初级生产力与氮矿化速率之间的相关关系(R₂=0.7,n=37),其次是净初级生产力与植被年氮积累量之间的相关关系(R₂=0.60,n=37).     

气候变化对无定河流域生态水文过程的影响

建立分布式生态水文过程模式,模拟分析了黄土高原无定河流域近40a来及未来气候变化情景下水循环和植被生产力的演变特征。结果显示,无定河流域近40a来温度上升,而降水量没有明显的下降趋势,但年际波动幅度变小。与之相应,地表蒸散量也没有明显的变化趋势。然而,因大气CO2浓度的上升,植被净生产力明显增加,速率约为0．6gCm^-2a^-1,水分利用效率随之提高。该流域生态系统对HadCM3气候变化情景的响应显著,蒸散、地表径流和植被净第一性生产力（NPP）均增加,植被水分利用效率明显提高。     

2001—2020年秦巴山区植被生产力对干旱的响应

为定量评估干旱对秦巴山区植被生产力的影响,本研究利用MODIS GPP数据和标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了2001—2020年秦巴山区总初级生产力(GPP)和干旱时空变化特征,识别了不同植被类型GPP负异常事件的波动趋势,量化了GPP的干旱脆弱性和干旱风险。结果表明: 2001—2020年间,秦巴山区98.0%的区域年GPP呈增加趋势。除湿地外,其余植被类型GPP均呈极显著增长。秦巴山区23.8%的区域SPEI呈减小趋势。GPP负异常事件数无显著变化,但GPP异常波动程度逐渐加剧,并以耕地最明显。2011年后,所有地类GPP负异常与干旱并发事件比例均下降,但干旱在GPP负异常事件中的时空范围呈扩大趋势。与2001—2010年相比,2011年后GPP干旱脆弱性和干旱风险为正值的区域占比分别增长104.1%和6.7%,即干旱导致GPP下降的面积有所扩大。所有地类中,干旱导致湿地GPP下降的程度最大。研究结果揭示出2001—2020年干旱使秦巴山区GPP波动加剧,极端值出现频率增大,进而导致多数植被类型GPP出现不同程度的下降。     

近20年来西南地区植被净初级生产力时空变化与影响因素及其对生态工程响应

植被净初级生产力（NPP）是研究陆地生态系统中物质和能量转换的重要指标,NPP的空间分布与区域气候、植被生长以及人类活动等因素息息相关,其变化能反映植被群落的生产能力,是生态系统功能和结构变化的重要表征。近20年来,中国西南地区植被NPP呈现增长趋势。然而,目前对NPP时空变化格局及潜在原因尚不清楚。因此,利用2001-2018年间MODIS-NPP、岩性、气候、土地利用、造林面积和石漠化治理情况等数据,对西南地区植被NPP的时空变化趋势及其成因进行了分析。结果发现：（1）2001-2018年间,中国西南地区植被NPP总体呈增长趋势,突变分析结果显示,2012-2018年间NPP的增长速度（5.13 gC m^-2a^-1）比2001-2011年更快（1.78 gC m^-2a^-1）,在两个时段,岩溶区NPP增长速度都高于非岩溶区;（2）对西南地区植被NPP变化与气候因子的相关分析结果显示,2001-2011年与2012-2018年两个时间段内NPP与温度的平均相关性（R=0.19,0.26）要高于NPP与降水的平均相关性（R=0.07,0.05）,表明西南地区植被NPP更容易受到温度的影响;（3）对两个时期土地利用变化下NPP总量的变化情况的研究结果显示,2001-2011年期间城市用地面积增加使得NPP总量下降,而2012-2018年未利用地面积增长造成了NPP总量下降;（4）2001-2018年西南地区累计造林面积与NPP存在显著正相关性（R=0.7,P<0.05）,说明"退耕还林"工程实施促进了西南地区NPP增长。对石漠化面积统计结果表明,2011年后石漠化面积显著减少,这与NPP的突变点一致,表明石漠化治理对西南地区NPP增长有重要促进作用。     

中国西北部草地植被降水利用效率的时空格局

植被降水利用效率(PUE)是评价干旱、半干旱地区植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。利用光能利用率CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了2001—2010年中国西北七省草地植被净初级生产力(NPP),结合降水量的空间插值数据,分析了近十年草地植被PUE的空间分布、主要植被类型的PUE,及其时空格局的驱动因素。结果表明:(1)2001—2010年西北七省草地植被的平均PUE为0.68 g C m~(-2)mm~(-1)。在温带草地各类型中,PUE的大小顺序为草甸草原灌丛典型草原荒漠草原荒漠,各类型草地PUE之间差异显著;对于高寒草地而言,高寒草原的PUE显著高于高寒草甸;(2)温带草地PUE的空间分布与年降水量的关系呈抛物线形状(R~2=0.65,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=472.9 mm的地区;荒漠地区植被PUE的空间分布与年降水量的关系同样呈抛物线形状(R~2=0.63,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=263.2mm的地区;对于高寒草地而言,年降水量100 mm以下地区植被PUE变异较大,年降水量大于100 mm的地区植被PUE的空间分布随降水量的变化呈抛物线形状(R~2=0.47,P0.001),PUE峰值出现在P=559.2 mm的地区;(3)不同降水量区域,植被PUE的年际波动与气候因子的关系也有较大差别。在年降水量为200—1000 mm的地区,草地PUE的年际波动与年降水量的变化呈正相关;在年降水量高于1050 mm的地区,草地PUE的年际波动与年均温的相关性较强,相关系数最高可达到0.4。     

疏勒河流域气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响评价

气候变化和人类活动是对陆地生态系统碳循环产生重要影响的两个因素,定量评估气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的相对影响,对深入理解其驱动机制和控制荒漠化发展具有重要意义。以疏勒河流域为研究区,利用遥感和气象数据计算潜在NPP(PNPP)及其与实际NPP(ANPP)之间的差值,分别衡量了气候变化和人类活动对流域NPP的相对影响。研究结果表明:(1)2001—2015年疏勒河流域年ANPP整体呈缓慢增加趋势,与全国和西北地区相比,普遍较低,流域植被整体生产力水平不高。流域年ANPP空间分布呈现上游祁连山区和中下游绿洲区ANPP较高,而中下游荒漠戈壁区ANPP较低的分布格局。(2)2001—2015年流域年PNPP的变化趋势表明,降水量的变化是导致疏勒河流域植被退化加剧或缓解的主要气候驱动因素,但气温的变化对植被的影响较为复杂。(3)2001—2015年流域大部分地区植被退化系人类活动造成的,但人类活动的负向影响力在减弱。(4)气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响均表现出明显的空间异质性,其中人类活动是疏勒河流域植被变化的主要驱动因素。     

盘锦湿地净初级生产力时空分布特征

主要采用中巴地球资源卫星(CBERS)、合成孔径雷达(SAR)和数字高程模型(DEM)数据,通过主成分变换融合算法、分类回归树CART算法和混合像元分解模型结合神经网络算法,进行了盘锦湿地土地覆盖类型分类。充分考虑湿地生态系统的典型特征,将盐分胁迫因子作为估算湿地耐盐植被净初级生产力(NPP)的环境影响因子之一,构建了基于光能利用率和遥感数据的湿地植被净初级生产力模型。分析了盘锦湿地植被NPP的时空分布特征,并研究了盘锦湿地植被NPP对气温和降水的响应特征。结果表明:2009年盘锦市植被净初级生产力介于0—1175 gC·m-·2a-1之间,平均值为553 gC·m-·2a-1。盘锦市植被NPP空间分布规律呈东北向西南逐渐递增的趋势。在湿地植被分类类型中,芦苇的单位面积平均NPP最高,达到1016 gC·m-·2a-1。2004—2009年盘锦植被单位面积平均NPP值在缓慢上升,湿地已呈现缓慢恢复的趋势。总体上气温对盘锦湿地主要植被类型芦苇月平均NPP的影响要强于降水。2004—2009年降水对盘锦地区植被年平均NPP的影响强于气温。     

Climate Responses of Aboveground Productivity and Allocation in Fagus sylvatica: A Transect Study in Mature Forests

According to recent climate change scenarios, temperate forests will be increasingly exposed to droughts in the 21st century which are thought to affect productivity. Although decreasing timber yield with reduced precipitation has frequently been reported from temperate forests, the dependence of forest net primary production (NPP) on precipitation is little understood. In a 3-year transect study (2009–2011) carried out in 12 mature beech forests (Fagus sylvatica) along a precipitation gradient (820–540 mm y^?1) in Northern Germany, we measured all aboveground NPP components (NPP_a; stem wood, leaf mass, flower and fruit production) and analyzed relationships with monthly weather data. Because we measured NPP_a under a broad range of precipitation levels, drought lengths and mast fruiting intensities, the climatic controls of aboveground productivity and carbon allocation could be analyzed in detail. Despite a significant decrease in annual (and growing season) precipitation sums along the transect, NPP_a remained largely invariant in each of the years, but varied remarkably between the years (means of 981, 702, 955 g DM m^?2 y^?1, respectively). Variation in NPP_a was most closely related to current year’s early summer weather conditions (June–July), whereas the patterns of biomass allocation to wood, leaf, and fruit production responded to the previous summer’s weather. Wood production cannot predict NPP_a in beech due to alternative allocation priorities of vegetative and reproductive growth. Our results show that apparent drought-induced reductions in beech timber yield often are the result of allocation shifts toward fruit production triggered by warm and dry weather in the previous summer.     

亚热带湖滨沙地典型下垫面土壤水分变化

亚热带湖滨沙化作为南方荒漠化的一种典型类型,阐明沙化土壤水分变化规律对该地区植被恢复与重建具有重要指示意义。研究于2013年2月至2014年2月对鄱阳湖多宝湖滨沙地的土壤水分动态进行了监测,分析了不同覆被条件下沙地土壤水分在年内及极端气候条件下的动态特征。结果如下:(1)湖滨沙地土壤水分在梅雨和伏旱时期差异显著。在梅雨期及其前后,土壤水分主要受降水控制,各下垫面土壤平均含水量相对较高(0.063 cm~3/cm~3),且差异较小;而在伏旱及其后期,覆盖条件的差异起关键作用,湿地松样地的土壤平均含水量均低于0.035 cm~3/cm~3。(2)持续高温干旱天气下,浅层10cm土壤含水量迅速降低,之后维持在极低水平(0.01 cm~3/cm~3);随着深度增加,不同样地土壤含水量差异将会增强。(3)在多雨季节,17年生湿地松能有效增加土壤表层的持水能力;在干旱季节,湿地松对降水的截留及吸附作用强烈地影响土壤水分的补给量及补偿深度,当降水强度较低时,17年生湿地松样地的浅层土壤水分难以获得补给。因此,在亚热带沙地进行湿地松种植时,应增大初植密度,并且对于植株过高的湿地松林,也应采取适当措施降低其密度,以抵御愈加频发的极端干旱事件带来的风险,促使沙化地区发生持续的正向演替。     

呼伦贝尔沙地樟子松林净初级生产力对气候变化的响应

以呼伦贝尔沙地樟子松人工林为研究对象,利用树木年轮学和解析木法,推算过去41年樟子松林的生物量和年净初级生产力,并分析年净初级生产力与气温、降水、湿度等气象因子的关系。研究表明：随着林龄的增加,樟子松林生物量变化符合逻辑斯蒂生长方程;樟子松林生物量从1977年的4.83 t/hm²到2017年的167.95 t/hm²。樟子松林净初级生产力年际差异较大,呈先增加后减小、最后趋于稳定的趋势,多年平均净初级生产力为4.08 t hm^-2 a^-1,最高达到6.13 t hm^-2 a^-1,最低为2.63 t hm^-2 a^-1。气候因子与樟子松林净初级生产力关系较为密切,并具有一定的"滞后效应";樟子松林净初级生产力与上一年8月、12月和当年3月的降水量显著相关;净初级生产力与上一年和当年8-9月的月均湿度极显著正相关;净初级生产力与各月温度均呈不同程度的负相关,尤其是上一年和当年的6-9月温度显著影响着净初级生产力。研究表明,樟子松林净初级生产力受温度和降水的综合影响,净初级生产力与气候因子的关系属于温度敏感型,未来该地区持续升温的条件下樟子松林净初级生产力可能会降低。     

Above- and Belowground Net Primary Production in a Temperate Mixed Deciduous Forest

Our current ability to detect and predict changes in forest ecosystem productivity is constrained by several limitations. These include a poor understanding of belowground productivity, the short duration of most analyses, and a need for greater examination of species- or community-specific variability in productivity studies. We quantified aboveground net primary productivity (ANPP) over 3 years (1999–2001), and both belowground NPP (BNPP) and total NPP over 2 years (2000–2001) in both mesic and xeric site community types of the mixed mesophytic forest of southeastern Kentucky to examine landscape variability in productivity and its relation with soil resource [water and nitrogen (N)] availability. Across sites, ANPP was significantly correlated with N availability (R² = 0.58, P = 0.028) while BNPP was best predicted by soil moisture content (R² = 0.72, P = 0.008). Because of these offsetting patterns, total NPP was unrelated to either soil resource. Interannual variability in growing season precipitation during the study resulted in a 50% decline in mesic site litter production, possibly due to a lag effect following a moderate drought year in 1999. As a result, ANPP in mesic sites declined 27% in 2000 compared to 1999, while xeric sites had no aboveground production differences related to precipitation variability. If global climate change produces more frequent occurrences of drought, then the response of mesic sites to prolonged moisture deficiency and the consequences of shifting carbon (C) allocation on C storage will become important questions.     

Influence of Precipitation on Pronghorn Demography in Texas

Abstract: Ungulate populations in desert environments are thought to be regulated by precipitation. Pronghorn (Antilocapra americana) populations in Trans-Pecos, Texas, USA, experienced a 70% decline between 1977 and 2001. The causative factors associated with the decline are unknown but appear to be related to drought. We evaluated the relationships between pronghorn abundance and productivity and precipitation (i.e., raw precipitation, Palmer Drought indices) for the Trans-Pecos district of Texas from 1977 to 2004. Pronghorn productivity (range = 305-4,407) and abundance (range = 5,061-17,266) showed high variability. Precipitation was also highly variable, ranging from 18 cm to 57 cm. Pronghorn abundance was positively influenced by precipitation indices (R = 0.790, P < 0.001). The relationship between fawn production and raw precipitation (R = 0.869, P < 0.001) suggested that fawn production may be more closely related to immediate moisture conditions, whereas pronghorn abundance was more influenced by long-term population trends. Management plans for pronghorn populations in more arid regions should include drought contingencies including reduced stocking rates and harvest quotas.     

Response of Net Ecosystem Productivity of Three Boreal Forest Stands to Drought

In 2001–03, continuous eddy covariance measurements of carbon dioxide (CO₂) flux were made above mature boreal aspen, black spruce, and jack pine forests in Saskatchewan, Canada, prior to and during a 3−year drought. During the 1st drought year, ecosystem respiration (R) was reduced at the aspen site due to the drying of surface soil layers. Gross ecosystem photosynthesis (GEP) increased as a result of a warm spring and a slow decrease of deep soil moisture. These conditions resulted in the highest annual net ecosystem productivity (NEP) in the 9 years of flux measurements at this site. During 2002 and 2003, a reduction of 6% and 34% in NEP, respectively, compared to 2000 was observed as the result of reductions in both R and GEP, indicating a conservative response to the drought. Although the drought affected most of western Canada, there was considerable spatial variability in summer rainfall over the 100−km extent of the study area; summer rainfalls in 2001 and 2002 at the two conifer sites minimized the impact of the drought. In 2003, however, precipitation was similarly low at all three sites. Due to low topographic position and consequent poor drainage at the black spruce site and the coarse soil with low water-holding capacity at the jack pine site almost no reduction in R, GEP, and NEP was observed at these two sites. This study shows that the impact of drought on carbon sequestration by boreal forest ecosystems strongly depends on rainfall distribution, soil characteristics, topography, and the presence of vegetation that is well adapted to these conditions.     

Interannual variability in responses of belowground net primary productivity (NPP) and NPP partitioning to long‐term warming and clipping in a tallgrass prairie

The dynamics of belowground net primary productivity (BNPP) is of fundamental importance in understanding carbon (C) allocation and storage in grasslands. However, our knowledge of the interannual variability in response of BNPP to ongoing global warming is limited. In this study, we explored temporal responses of BNPP and net primary productivity (NPP) partitioning to warming and clipping in a tallgrass prairie in Oklahoma, USA. Infrared heaters were used to elevate soil temperature by approximately 2 °C since November 1999. Annual clipping was to mimic hay harvest. On average from 2005 to 2009, warming increased BNPP by 41.89% in the unclipped subplots and 66.93% in the clipped subplots, with significant increase observed in wet years. Clipping also had significant positive impact on BNPP, which was mostly found under warming. Overall, f_BNPP, the fraction of BNPP to NPP, increased under both warming and clipping treatments, more in dry years. Water availability (either precipitation or soil moisture) was the most limiting factor for both BNPP and f_BNPP. It strongly dominated the interannual variability in NPP, f_BNPP, and their responses to warming and clipping. Our results suggest that water availability regulates tallgrass prairie's responses to warming and land use change, which may eventually influence the global C cycle. With increasing variability in future precipitation patterns, warming effects on the vegetation in this region may become less predictable.     

呼伦贝尔草原区CO2源、汇及时空分布模拟研究

近年来,随着全球气候变化和人为影响加剧,半干旱草地生态系统的碳循环受到剧烈影响。半干旱草原区域CO_2模拟研究主要集中于已有观测资料的地区,然而,观测资料缺乏的草原区CO_2通量模拟却鲜少有人研究。因此选择缺通量资料的呼伦贝尔草原地区为主要研究对象,并将VPRM模型应用于缺资料地区,模拟了该区域内2016年的NEE时空分布。结果表明:(1)在特旱年的气候条件下2016年全年都表现为微弱的碳源(全年NEE值为47.27 gC/m~2),且其变化趋势与降水和气温在年内变化趋势相近。(2)空间上,根据趋势来看NEE在空间分布由草原区向草甸区、森林区逐渐降低。基于植被分布情况,不同植被类型的区域碳排放顺序为:克氏针茅草原和大针茅草原羊草草原杂草草甸草原(以线叶菊等为主)。(3)干旱胁迫是该地区表现为碳源的主要原因之一,而且降水与NEE表现出极显著的二次函数关系(R~2=0.938,P0.001),说明了干旱气候条件下,随着月降水量的增加,草原生态系统出现碳源向碳汇转移的趋势。(4)地上生物量(AGB)与GPP和Reco表现出了极显著的正相关关系(R~2分别为0.89和0.9,P0.01),与NEE表现出了极显著的负相关关系(R~2=0.68,P0.01),说明了草原的地上生物量增加能有效地降低二氧化碳排放。