基于遥感和地面数据的景观尺度生态系统生产力的模拟

描述了一个反映系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型(EPPML)．该模型以遥感图像作为数据源,从中获取影响植被生产力的重要变量——叶面积指数(LAI);主要对景观尺度生态系统的净初级生产力(NPP)和蒸散量的空间分布格局和时间动态进行模拟;用地理信息系统(GIS)手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换．本研究用EPPML对1995年长白山自然保护区的植被生产力进行了模拟,结果表明,EPPML可以比较准确地模拟该保护区主要植被的NPP．NPP的模拟值年均为0．680kgC·m^-2,变幅为0．105—1．241kgC·m^-2(82.1％),其中阔叶红松林的年NPP最高(1．084kgC·m^-2)．NPP年总量为1．332×10^6tC,以阔叶红松林和云冷杉林最高,分别为0．540×10^6tC和0．428×10^6tC．NPP的季节变化呈明显的单峰型,7月最大(6．13gC·m^2·d^-1)．NPP在夏季积累最多(0．465kgC·m^-2),春季次之,冬季最少。     

基于景观尺度过程模型的长白山地表径流量时空变化特征的模拟

运用已建立的景观尺度生态系统生产力过程模型EPPML对长白山自然保护区地表径流量的季节动态和空间分布特征进行了模拟,对其与环境因子间的相互关系进行了分析．模拟结果表明,长白山自然保护区地表径流量的季节进程表现出明显的三峰型,6月和9月出现低谷,8月达最大(2．58mm·d^-1),与土壤含水量的季节变化趋势十分相似．1995年地表径流量的模拟值平均为0．203m·年^-l,空间分布随海拔升高呈现明显增加的趋势,最高为高山流砾滩(0．619m·年^-1),最低为阔叶红松林(0．081m·年^-1)．年地表径流量与叶面积指数(LAI)呈极显著负相关指数关系(R^2＝0．857)．年地表径流量与气温和总辐射呈负相关关系(R^2分别为0．965和0．836),与降水量、相对湿度和风速呈正相关关系(R^2均大于0．950),还与土壤特性密切相关。     

深圳福田无瓣海桑-海桑林能量的研究

在研究生物量、生产力的基础上,对深圳福田无瓣海桑-海桑林中2种红树植物海桑和无瓣海桑各组分的干重热值、林分能量现存量、年能量净固定量进行了研究．结果表明,各组分样品干重热值有一定的差异,树叶干重热值最高,纫根干重热值最低;海桑各组分样品干重热值比无瓣海桑相应组分稍高．林分能量现存量(1999年10月)为84774．72kJ·m^2,其中无瓣海桑种群能量现存量为54693．26kJ·m^-2,占林分总的64．54％,海桑种群能量现存量为30051．46kJ·m^-2,占林分总量的35．46％．林分凋落物的能量归还量(1999年)为24549．54kJ·m^-2·年^-1,其中无瓣海桑种群的能量归还量为17223．99kJ·m^-2·年^-1,占总林分的70．16％,海桑种群的能量归还量为7325．55kJ·m^-2·年^-1,占总林分的29．84％．林分能量净固定量为50391．4kJ·m^-2·年^-1,其中无瓣海桑种群和海桑种群的能量净固定量为分别为31778kJ·m^-2·年^-1和18613．4kJ·m^-2·年^-1．     

新疆近15年草地NPP动态变化与气象因子的相关性研究

为揭示新疆不同时空格局下气候因素变化对植被生产力的影响, 探讨草地植被生产力与气候因子的相关关系, 采用2000-2014年8月MOD13A1遥感数据集, 利用CASA模型分析新疆草地植被净初级生产力的空间格局及动态变化, 结合降水量、温度数据分析新疆不同草地植被类型NPP的变化趋势, 并对其与气象因子的相关关系进行分析。结果表明: (1)从空间上, 草地植被NPP各年呈北高南低的空间格局, 不同的草地类型的NPP也存在较大差异, 总体大致表现为草甸>高山亚高山草甸>平原草地>高山亚高山草地>荒漠草地。(2)从时间上, 2000—2014年, 草地植被NPP总体呈波动式下降趋势, 在2006年、2012年、2014年降到谷底, 分别为50.520 g C·(m²·a)-1、54.438 g C·(m²·a)-1、54.213 g C·(m²·a)-1。(3)新疆草地植被NPP与降水呈显著正相关, 与温度呈不显著负相关。表明降水是影响该地区植被NPP的主要气候因子。     

两个林分水曲柳土壤种子库空间格局的定量比较

依据地统计理论和方法,采取规则网格数据结构的空间取样设计,在树种组成、林分密度及林下植被等均不相同的两个林分中设置样地,对水曲柳土壤种子库的空间格局进行了定量比较研究．结果表明,在水曲柳杨树等混生的样地1,种子库密度较大(158．1±96．7个·m^-2),异质性程度较高(C0+C＝0．549),格局尺度相对较大(4．52m),空间自相关因素引起的变异高达89．4％,随机变异仅占10．6％,格局变异呈现较高的自相似性(分数维值D＝1．728-1．865)．在水曲柳纯林中的样地2,种子库密度较小(57．4±44．7个·m^-2),异质性程度较低(C0+C＝0．125),且主要体现在相对较小的尺度范围内(2．59m),空间自相关变异占56．8％,随机因素对空间格局的影响较大(D＝1．906-1．960)．两样地之间种子库空间格局表现的尺度范围、强度及空间结构等有显著差异,林分空间异质性是导致这种差异的主要原因．     

华南亚热带山地土壤剖面有机质分布特征数值模拟研究

选择鼎湖山自然保护区两种植被带土壤剖面,利用有机质扩散—平移—分解模型,定量研究土壤有机质分布、更新与运移特征及其控制因子,为陆地生态系统有机质模型提供运行基础数据．数值试验表明,华南亚热带山地土壤剖面有机质分布遵从物质扩散、平移、分解规律;森林植被带土壤有机质快组分分解速率为0．483·年^-1,灌丛植被带土壤的为0．694·年^-1;两类剖面有机质慢组分、稳定组分的分解速率分别一致,为0．02·年^-1、0．001·年^-1;森林植被带土壤有机质扩散、平移系数分别为4和0．2mm·年^-1,灌丛植被带土壤相应参数分别为1和0．5mm·年^-1．有机质含量计算值与实测值的明显偏差出现在0～10cm土层,这很可能与土壤表层处于陆一气界面,受气候、环境变化直接影响有关;在中、下部,两种结果吻合较好,反映成土环境稳定．扩散作用对土壤剖面有机质分布影响显著,平移作用仅对上部0～10cm层段影响明显．对比分析表明,土壤有机质动态主要受剖面性状制约;提高地表植被初级生产力,快组分分解速率降低,有机质累积．     

北京山区侧柏林冠层-大气蒸腾导度模拟及环境因子响应

蒸腾导度模型是衡量冠层-大气界面水汽输出的重要阻力模型,研究其特征及对环境因子的响应,为揭示森林冠层-大气界面水汽输出阻力机制提供理论依据。以首都圈森林生态系统定位观测研究站侧柏林为研究对象,采用TDP热探针法测定侧柏林树干液流密度,同步监测光合有效辐射、饱和水汽压差、气温、风速等主要环境因子,分析冠层导度和空气动力学导度的动态变化,构建冠层-大气蒸腾导度模型并模拟,明确冠层-大气蒸腾导度对各环境因子的响应关系。结果表明:蒸腾导度季节变化表现为非生长季与冠层导度趋势一致,生长季与空气动力学导度趋势一致,全年均为单峰趋势。冬季蒸腾导度与冠层导度保持较稳定差值(45 mol m^(-2 )s^-1左右),其他季节蒸腾导度与冠层导度、空气动力学导度的最大差值,均在各季节冠层导度、空气动力学导度的峰值水平。全年日均蒸腾导度冬季最大(86.92 mol m^(-2 )s^-1),其他季节较小且稳定(40—50 mol m^(-2 )s^-1之间)。在非生长季各环境因子对蒸腾导度的影响与对冠层导度的影响基本一致,温度为主要影响因子(r=-0.198),其他环境因子影响较小(r<0.1);在生长季中风速为主要影响因子(r=0.488),光合有效辐射(r=0.228)和饱和水汽压差(r=-0.299)的影响明显升高,温度的影响降低(r=0.114)。蒸腾导度模型较好的模拟了冠层-大气界面侧柏蒸腾不同季节的变化规律,阐明了各环境因子和冠层导度、空气动力学导度对蒸腾导度的影响机制,证实在生长季应重视空气动力学导度对蒸腾的影响。     

林下植被对遥感估算马尾松LAI的影响

叶面积指数是一项极其重要的描述植被冠层结构的植被特征参量。根据植被物候规律,利用中国环境卫星CCD多光谱影像和野外马尾松样区调查数据,通过建立不同季节和不同郁闭度样区马尾松LAI和影像NDVI经验回归模型,并利用一个新的LAI观测方式定量比较乔木层LAI和生态系统总LAI(包括草本层、灌木层和乔木层)的差异,研究林下植被对马尾松反演的影响程度。结果表明:(1)由于林下植被的物候变化,冬季林下植被对马尾松LAI反演影响最小,马尾松NDVI和LAI线性关系R2维持在0.65;夏季林下植被影响最大,线性关系R2只有0.25;春季和秋季影响居中,NDVI和LAI线性关系R2在0.47附近。但是,受林下植被影响较小的A类样区4个季节内NDVI和LAI线性关系基本都在0.60以上(夏季略低于0.60);(2)乔木层LAI和总LAI差距非常大,最大差距达到2.93,相差的比例最大达到了2.45倍;(3)总LAI和NDVI相关关系显著,其中线性关系R2达到0.66,对数关系R2可达到0.68,而乔木层LAI和NDVI相关关系较差,线性关系R2只有0.30。分别建立冬季和其它季节实测总LAI和NDVI的关系,可以估算出林下植被对马尾松LAI反演的影响程度。     

2000-2008年中国东北地区植被净初级生产力的模拟及季节变化

利用GLOPEM-CEVSA模型模拟并分析了中国东北地区2000-2008年植被净初级生产力(NPP)时空分布格局及其影响因素,并以4个森林生态站点(大兴安岭、老爷岭、凉水和长白山森林生态站)为例研究了东北地区森林NPP季节变化特征及其环境驱动.结果表明:2000-2008年,东北地区植被年均NPP为445 g C·m-2·a-1;整个研究区沿长白山山脉到小兴安岭山脉地区以及三江平原部分地区的NPP最高,沿长白山山脉到小兴安岭山脉西侧的辽河平原、松嫩平原东部、三江平原和大兴安岭地区次之,西部稀疏草原和荒漠地区的NPP最低.东北地区森林生态系统年均NPP最高,其次为灌丛、农田和草地,荒漠最低.森林生态系统中,针阔混交林年均NPP最大(722 g C·m-2·a-1),落叶针叶林年均NPP最小(451 g C·m-2·a-1).研究期间,森林NPP无显著年际变化,其中2007、2008年较往年NPP大幅增加,很可能与该地区期间气温上升有关(较往年偏高1 ℃=～2℃).东北地区森林自北向南生长季开始时间逐渐提前,生长季变长.     

不同时间尺度下华北落叶松人工林冠层蒸腾与环境因子的关系

在半干旱区连续2年监测华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)的树干液流、气象因子和土壤体积含水量,分析不同时间尺度下人工林冠层蒸腾与环境因子的关系。结果表明：不同时间尺度下,华北落叶松人工林冠层蒸腾的季节变化均呈单峰曲线,即先增大后减小的趋势;2016年、2017年日蒸腾量分别为1.58 mm/d和1.71 mm/d,生长季蒸腾总量分别为241.30 mm和260.97 mm。在日尺度下,气温、太阳辐射强度和饱和水汽压差是影响华北落叶松人工林冠层蒸腾主要环境因子;月尺度下,气温、风速、降水和土壤水分是冠层蒸腾的主要影响因子;冠层蒸腾与降水、大气相对湿度的相关关系由日尺度下的负相关到月尺度的正相关,相关性增强。总体来看,随时间尺度由小到大,气温、风速、大气相对湿度、降水、土壤水分对冠层蒸腾的影响作用增大,而太阳辐射强度、饱和水汽压差的作用减弱;在未来增温增雨趋势下,研究区生长季将延长,华北落叶松人工林冠层蒸腾量可能会加大。     

基于3S的自然植被光能利用率的时空分布特征的模拟

 光能利用率（LUE）直接影响植被各层中的能量分布和光合速率,在确定环境对光合和地上部生长分配的综合限制上十分有价值,是衡量系统功能的一个重要指标。本研究以遥感图像（TM）作为数据源,获取了影响植被LUE的重要变量——叶面积指数（LAI）;用程序语言编写了描述系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型（EPPML）,对长白山自然保护区的太阳总辐射、净初级生产力（NPP）和LUE等的季节动态和空间分布进行了模拟;并用地理信息系统（GIS）手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现了将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换。EPPML可以比较准确地模拟长白山自然保护区景观尺度上主要植被类型的NPP和太阳总辐射,对LUE的模拟结果也大多在我国森林的LUE范围之内,但对不同植被类型LUE的验证因实测数据不足,仅做了初步比较。模拟结果表明,长白山植被的LUE与NPP的季节进程十分近似,7月可达2.9%。春、夏、秋、冬四个季节植被LUE的模拟平均值分别为0.551%、2.680%、0.551%和0.047%。植被年LUE的模拟值平均为1.075%,在-3.272%～3.556%之间变化,阔叶红松(Pinus koraiensis)林最大（1.653%）,高山流砾滩草类最小（0.146%）。阔叶红松林的LUE虽然较高,但仍有很大的增长潜力。     

利用GIS和RS确定长白山自然保护区森林景观分布的环境范围

在对遥感数据进行景观分类和对环境因子进行空间表达基础上,在地理信息系统的支持下,确定长白山自然保护区森林景观分布的环境(包括年均温、年降水量、坡度和坡向)范围．结果表明。从苔原、岳桦、云冷杉到阔叶红松林,最适海拔高度范围依次为1780-2212、1705-1956、1042-1625、823-1184m;最适温度范围分别为-4．75～-2．40℃、-3．42～-2．07℃、-1．49-1．39℃、0．71-2．37℃;最适降水范围分别为1034～1110、1014-1060、883-1017、824-925mm;长白山自然保护区的森林景观主要分布在平、缓坡地上,并与坡向关系密切。苔原在各个坡向上均有分布。且在各个坡向上分布面积的变化不大;岳样、云冷杉林、阔叶红松林、山杨白样林主要呈现北、西北向分布,其次为东北、西向分布;落叶松林主要为东北向分布。其次为东和北向分布;疏林主要为西向分布,其次为西南、西北和南向分布;风倒区主要为西、西南、西北向分布。     

长白山红松年轮碳同位素与净初级生产力的关系

解析树木年轮碳同位素变化是揭示气候与环境变化的有效途径,然而少有研究分析年轮碳同位素对森林净初级生产力(NPP)的指示效应.基于生长季气象因子,分析了长白山红松年轮δ¹³C记录序列与阔叶红松林红松种群NPP变化趋势以及两者之间的相关关系.结果表明: 1970年以前,研究区红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化同步,且两者间呈极显著线性正相关关系,年轮δ¹³C记录了气候变化对红松种群NPP的影响;1970年以后,红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化出现分异,两者呈负相关关系但相关性不显著,表明干旱等其他环境因子的影响使年轮δ¹³C对气候变化的敏感性和对NPP指示性降低.这一相关关系在红松年轮δ¹³C与当年和下一年红松种群NPP之间都存在,表明当年环境状况对来年红松生长的重要意义.说明长白山红松年轮δ¹³C对红松种群NPP有良好的指示性,树木年轮δ¹³C有重建森林历史NPP长期变化的潜力.     

Spatiotemporal patterns and drivers of net primary production in the terrestrial ecosystem of the Dajiuhu Basin,China, between 1990 and 2018

Net primary production (NPP) plays a vital role in both the evolution of ecosystems and the terrestrial carbon cycle and is influenced by geographical conditions and climate change. Understanding the terrestrial carbon balance requires an in-depth knowledge of the relationships between NPP and geographical and climatic conditions. This study aimed to simulate and map the daily spatiotemporal features of terrestrial NPP in the Dajiuhu Basin (DB), China, using the BEPS-TerrainLab V2.0 model. This area is highly sensitive to climate change and is a water source in the central path of the South-to-North Water Transfer Project. Changes in the distribution of daily and seasonal NPP between 1990 and 2018 were examined using the Mann-Kendall (MK) test, the moving t-test (MTT), and multiple regression analyses. It was found that: 1) The model explained 79% of the variation in eddy covariance (EC)-tower-measured NPP, and could thus be applied to the DB; 2) The mean annual NPP in the DB between 1990 and 2018 was 705 g C/m²/yr, with the terrestrial NPP decreasing before 1999 (−31.8 g C/m²/yr) and increasing after 1999 (0.87 g C/m²/yr); 3) The NPP first increased and then decreased with increasing altitude, with higher NPP values mainly found in the mountains on the periphery of the basin and lower NPP values in the central basin;4) Changes in NPP during autumn and summer contributed the most to the annual NPP trend. Temperature and NPP were positively correlated in summer and autumn, whereas they were negatively correlated in spring and winter. Precipitation and NPP were positively correlated in spring, autumn, and winter; 5) The sensitivities of NPP to temperature and precipitation differed across the different seasons. The sensitivities of the annual NPP to temperature and precipitation decreased and increased, respectively, compared with those before 1999. Although the contribution of precipitation to the NPP trend became more significant after 1999, that of temperature decreased. This study proposes an approach for a detailed study of daily changes in NPP and for examining the link between environmental factors, climatic conditions, and NPP distribution.     

气候变化对阔叶红松林不同演替阶段红松种群生产力的影响

本文以长白山地区阔叶红松林不同演替阶段(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始红松林)内红松种群作为研究对象,采用树轮学与相对生长式相结合,获取红松种群净初级生产力(NPP)连年生长(1921—2006年)数据以及相对增长率的年际变化数据,建立红松种群NPP与年际和季节性气候因子的关系,分析不同气候时期长白山阔叶红松林不同演替阶段内红松种群NPP年际变化特征及其对气候变化的响应差异.结果表明： 研究期间,不同演替阶段红松种群NPP与气候因子响应关系存在差异.随着温度上升,次生杨桦林红松种群NPP与上年生长季和当年生长季低温由显著负相关关系转变为显著正相关关系;次生针阔混交林红松种群NPP由与当年春季最低温度的正相关关系转变为与上年和当年生长季温度的显著正相关关系,气候因素对次生针阔混交林红松种群NPP影响的滞后效应增强;原始红松林红松种群NPP与温度的相关性减弱,与上年生长季降水量的正相关关系增强.研究区气候变化表现为低温和平均温度显著上升,而最高温度和降水没有明显变化.气候变化有利于提高演替初级阶段次生杨桦林和演替中级阶段次生针阔混交林内红松种群生产力,尤其是次生针阔混交林,而对演替顶极阶段红松种群NPP影响不明显.     

长白山阔叶红松林生态系统土壤呼吸作用研究

用密闭静态箱式法观测了长白山阔叶红松林生态系统生长季中的土壤呼吸作用。结果表明, 长白山阔叶红松林生态系统土壤呼吸作用日动态呈单峰曲线, 在 18∶0 0左右达到最大值。土壤呼吸作用在生长季中的动态呈单峰曲线, 7月最大。 6、7、8、9各月平均土壤呼吸作用分别为 0.2 2、0.32、0.2 3和 0.13gC·m-2 ·h-1。温度升高可以提高土壤呼吸作用强度, 地下 5cm的土壤温度比气温更能准确地反映土壤呼吸作用的动态变化 ;土壤水分含量在一定范围内增加可使土壤呼吸作用强度增加, 但水分过多也会对土壤呼吸产生抑制作用而导致土壤碳排放减少。     

广东省2004—2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004—2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明:(1)2004—2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。(2)广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。(3)森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。