Modelling the effects of changes in solar radiation on gross primary production in subtropical evergreen needle-leaf plantations

太阳辐射是陆地生态系统碳水循环的能量来源。太阳辐射的变化对植被吸收大气CO₂具有重要影响。该文通过辐射观测数据建立散射辐射比例与晴空指数的关系, 结合生态过程模型(BEPS)和通量观测数据, 模拟分析了太阳辐射变化对千烟洲常绿针叶林总初级生产力(GPP)的影响。研究结果表明: 千烟洲森林生态系统的阴叶对年GPP总量的贡献达67%, 太阳辐射变化对阴叶光合作用的影响决定了冠层GPP的变化; 太阳辐射强度和分布的年际差异导致年GPP对太阳辐射变化的响应不同, 2003、2004和2005年太阳辐射分别变化-5.44%、-1.83%和6.26%, 可使千烟洲生态系统当年GPP总量达到最大值; 在季节上, 太阳辐射的增加会导致5-6月GPP上升, 7-9月GPP下降, 使年GPP变化程度降低; 在天尺度上, 晴空指数在0.43时, 太阳辐射变化对GPP的影响最小。     

太阳辐射变化对千烟洲亚热带人工针叶林净CO_2交换量的影响

太阳辐射是植被进行光合作用的重要驱动因子,影响着森林生态系统的净CO2吸收。本研究基于千烟洲亚热带人工针叶林30 min的通量和常规气象数据,以晴空指数为指标,分析了2003—2010年太阳辐射变化对该森林生态系统净CO2交换(NEE)的影响。结果表明:在晴空指数为0.4~0.6的中等辐射条件下NEE达到最大;与晴朗天空的强太阳辐射相比,中等辐射条件下散射辐射增加、气温以及饱和水汽压差的下降是NEE增加的原因;晴空指数在0.4~0.5和0.5~0.6的NEE显著大于晴空指数在0.7~0.8的NEE;该地晴空指数在0.6~0.7和0~0.1出现的频率较大,表明该地经常出现的天空状况以及对应的太阳辐射强度不是提高该生态系统净CO2吸收的最适条件。     

三江源地区人工草地的生态系统CO2净交换、总初级生产力及其影响因子

为了揭示三江源区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地生态系统(100°26′-100°41′ E, 34°17′-34°25′ N, 海拔3 980 m)的净生态系统CO₂交换(NEE), 该研究利用2006年涡度相关系统观测的数据分析了该人工草地的NEE, 总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(R_eco)以及R_eco/GPP的变化特征及其影响因子。CO₂日最大吸收值为6.56 g CO₂·m^-2·d^-1, 最大排放值为4.87 g CO₂·m^-2·d^-1。GPP年总量为1 761 g CO₂·m^-2, 其中约90%以上被生态系统呼吸所消耗, CO₂的年吸收量为111 g CO₂·m^-2。5月的R_eco/GPP略高于生长季的其他月份, 为90%; 6月R_eco/GPP比值最低, 为79%。生态系统的呼吸商(Q₁₀)为4.81, 显著高于其他生态系统。该研究表明: 生长季的NEE主要受光量子通量密度(PPFD)、温度和饱和水汽压差(VPD)的影响, 生态系统呼吸则主要受土壤温度的控制。     

散射辐射对亚热带人工针叶林光能利用率的影响

地表接受的太阳辐射中散射辐射的改变是影响森林生态系统光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)的重要因素。以千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象,利用30 min通量和常规气象观测数据,以晴空指数(kt)和地表接受的散射辐射(S_f)占太阳总辐射(S_0)的比值(S_f/S_0)为指标,分析了2003—2012年生长旺季(6—8月)散射辐射变化对千烟洲亚热带人工针叶林光能利用率的影响,并利用改进的光响应曲线模型分析了散射辐射变化对植被光合特性的影响。研究结果表明:2003—2012年生长旺季中,kt在0.6—0.7范围内的LUE比kt在0.4—0.5范围内的LUE平均减少了44.66%;S_f/S_0在70%—85%之间的LUE比S_f/S_0在55%—70%之间的LUE平均提高了22.24%。由此可以看出,与晴朗天空相比,多云及气溶胶增加导致的散射辐射增加可使该生态系统的LUE提高。并且,未受到高温干旱影响的2005、2006、2008、2009、2010及2012年散射辐射下该生态系统的初始量子效率αf比直接辐射下的αr平均增加了0.63 g CO2/mol;而10年间所有年份散射辐射下的光饱和时的潜在最大光合作用速率比直接辐射下平均提高了0.81 mg CO_2m~(-2)s~(-1),说明散射辐射可使该生态系统植被光合能力提高。     

太阳辐射对长白山阔叶红松林净生态系统碳交换的影响

太阳辐射是植物进行光合作用的前提条件, 因此成为影响植被吸收大气CO₂的重要环境因子。该研究基于30 min通量和常规气象数据, 以相对辐射和晴空指数为指标, 分析了2003~2006年生长旺季(6~8月)太阳辐射的改变对长白山阔叶红松(Pinus koraiensis)林净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange, NEE)的影响。结果表明: 天空有一定云层的覆盖对阔叶红松林碳的净吸收有明显的促进作用。4年里6~8月间生态系统最大光合速率在天空有云覆盖时较晴空条件下分别提高了34%、25%、4%和11%。在晴空指数约为0.5的中等辐射条件下, 该生态系统的NEE达到最大。对生态系统碳的净吸收有促进作用的临界相对辐射约为37%, 而使该生态系统NEE达到最大的最适相对辐射约为75%。进一步分析表明, 天空云量的增多和云层厚度的增加会引起散射辐射比例的增加、大气温度和水汽亏缺程度的降低等环境效应, 由此可能会导致冠层光合作用的增加和地上部分呼吸的减弱, 从而共同决定了净生态系统碳吸收作用的增强。     

基于模型数据融合的中国温带和亚热带典型森林生态系统碳通量模拟

生态系统碳循环过程对水分响应的研究已成为全球变化关注的焦点问题之一。基于长白山温带针阔混交林与千烟洲亚热带人工针叶林观测站2003—2009年生长季的碳通量(NEE)和气象观测数据,综合考虑水分对光合、呼吸作用的影响,构建不同的NEE模型,并应用模型数据融合方法优化模型参数、遴选最适模型,系统分析了水分因子对不同森林生态系统碳循环的影响。结果表明:(1)优化后的模型参数均能被NEE实测数据较好约束。长白山生长季的光合、呼吸参数值均高于千烟洲,未考虑空气饱和水汽压差(VPD)的模型高估了千烟洲温度敏感性参数(Q10)值、低估了千烟洲基础呼吸速率参数(BR)值;(2)仅考虑VPD对光合作用影响的模型是长白山生长季碳通量模拟的最优模型,但模拟精度提高不显著。不同模型间碳通量组分模拟结果差异较小;(3)考虑VPD和土壤含水量对光合、呼吸作用共同影响的模型是千烟洲生长季碳通量模拟的最优模型,并且显著提高了模拟精度。未考虑水分的模型在生长季高估了总生态系统生产力(GEP)总量2.0%(21.85 g C/m~2),同时更大幅度地高估了生态系统呼吸(RE)总量4.4%(38.02 g C/m~2),从而导致NEE总量低估于实测值7.8%(18.55 g C/m~2)。     

干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积

采用涡度相关法, 分析了2004年(平水年)和2005-2006年(干旱年)生长季内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原的净生态系统碳交换(net ecosystem exchange, NEE)、总初级生产力(gross primary productivity, GPP)和生态系统呼吸(ecosystem respiration, R_e)的季节和年度变化。结果表明: 平水年羊草草原的日最大GPP和R_e分别为4.89和1.99 g C·m^-2·d^-1, 而干旱年GPP和R_e分别为1.53-3.01和1.38-1.77 g C·m^-2·d^-1。与平水年相比, 干旱年日最大GPP、R_e分别下降了38%-68%和11%-12%。平水年羊草草原累积的GPP、R_e分别为294和180 g C·m^-2, 而在干旱年分别为102-123 g C·m^-2和132-158 g C·m^-2。和平水年相比, 干旱年的GPP、R_e分别下降了58%-65%和12%-27%。用Van’t Hoff模型模拟的8个窄土壤含水量(θ)跨度生态系统呼吸(R_e)对土壤温度(T_s)的敏感程度表明: 曲线斜率在θ = 0.16-0.17 m³·m^-3范围内达到最大, 高于或者低于这个阈值, R_e对T_s的敏感度降低。干旱胁迫降低了生态系统生产力和生态系统呼吸量。与平水年相比, 干旱年的GPP比R_e下降的幅度更大, 干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积, 使生态系统由碳汇变为碳源。     

物候变化对北美温带落叶阔叶林生态系统生产力的影响

数据源、时间范围、空间尺度等的差异导致许多物候变化对陆地生态系统碳收支影响的研究缺少可比性。该文基于4级碳通量填充数据, 采用相对阈值方法提取了两个北美典型温带阔叶林站Harvard Forest (HF)和University of Michigan Biological Station (UMBS)共20年的物候参数(返青期、枯黄期和生长季长度), 并研究了物候变化对生态系统生产力的影响。结果表明: 1)生长季长度的延长对年累积总初级生产力(GPP)有显著贡献, 但由于呼吸作用(RE)的干扰, 生长季长度变化对年净生态系统生产力(NEP)的影响并不显著; 2)返青期的提前对上半年生态系统总初级生产力的贡献最为显著, 二者的相关系数分别为0.76 (HF)和0.93 (UMBS); 3)枯黄期的延迟对生产力的影响并不显著; 4)随着春季返青期的提前或秋季枯黄期的延迟, 上、下半年GPP和RE的累积量虽均有增加趋势, 但由于各自增加的幅度不确定, 导致年NEP与二者的响应关系复杂。     

CO2 flux dynamics and its limiting factors in the alpine shrub-meadow and steppe-meadow on the Qinghai-Xizang Plateau

高寒灌丛草甸和草甸均是青藏高原广泛分布的植被类型, 在生态系统碳通量和区域碳循环中具有极其重要的作用。然而迄今为止, 对其碳通量动态的时空变异还缺乏比较分析, 对碳通量的季节和年际变异的主导影响因子认识还不够清晰, 不利于深入理解生态系统碳通量格局及其形成机制。该研究选取位于青藏高原东部海北站高寒灌丛草甸和高原腹地当雄站高寒草原化草甸年降水量相近的5年(2004-2008年)的涡度相关CO₂通量连续观测数据, 对生态系统净初级生产力(NEP)及其组分, 包括总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸的季节、年际动态及其影响因子进行了对比分析。结果表明: 灌丛草甸的CO₂通量无论是季节还是年际累积量均高于草原化草甸, 并且连续5年表现为“碳汇”, 平均每年NEP为70 g C·m ^-2·a ^-1, 高寒草原化草甸平均每年NEP为-5 g C·m ^-2·a ^-1, 几乎处于碳平衡状态, 但其源/汇动态极不稳定, 在2006年-88 g C·m ^-2·a ^-1的“碳源”至2008年54 g C·m ^-2·a ^-1的“碳汇”之间转换, 具有较大的变异性。这两种高寒生态系统源/汇动态的差异主要源于归一化植被指数(NDVI)的差异, 因为NDVI无论在年际水平还是季节水平都是NEP最直接的影响因子; 其次, 灌丛草甸还具有较高的碳利用效率(CUE, CUE = NEP/GPP), 而年降水量和NDVI是决定两生态系统CUE大小的关键因子。两地区除了CO₂通量大小的差异外, 其环境影响因子也有所不同。采用结构方程模型进行的通径分析表明, 灌丛草甸生长季节CO₂通量的主要限制因子是温度, NEP和GPP主要受气温控制, 随着气温升高而增加; 而草原化草甸的CO₂通量多以季节性干旱导致的水分限制为主, 其次才是气温的影响, 受二者的共同限制。此外, 两生态系统生长季节生态系统呼吸主要受GPP和5 cm土壤温度的直接影响, 其中GPP起主导作用, 非生长季节生态系统呼吸主要受5 cm土壤温度影响。该研究还表明, 水热因子的协调度是决定青藏高原高寒草地GPP和NEP的关键要素。     

黑河上游植被总初级生产力遥感估算及其对气候变化的响应

定量描述植被总初级生产力(GPP)对于全球碳循环和全球气候变化研究具有重要意义。针对MODIS MOD_17 GPP (MOD_17)产品在通量站点低估的现象, 通过3个实验依次改进了模型输入参数(气象数据和吸收的光合有效辐射吸收比例(fPAR))和模型本身的参数(最大光能利用率), 分析了各个参数对模拟结果的不确定性影响, 结果表明各参数对模拟结果都有不同程度的影响。在阿柔草地站, 最大光能利用率的重新标定对结果影响最大, GPP估算结果的提高最为明显; 在关滩森林站利用广义神经网络算法得到的GLASS fPAR代替原始MODIS fPAR产品, 比其他参数的改进效果更明显, GPP的值更接近涡动通量观测值。利用改进的MOD_17模型重新估算了黑河上游2001-2012年间植被GPP, 通过趋势分析得出该研究时段内GPP以9.58 g C·m^-2·a^-1的平均速率呈上升趋势。同时计算了气候因子(温度、降水和饱和水汽压差(VPD))与时间序列GPP的偏相关性, 分析了植被GPP对气候变化的响应情况, 2001-2012年平均温度和VPD与年GPP大部分区域呈正相关, 体现了温度和VPD对植被生长的促进作用; 2001-2012年的降水量与年GPP无明显相关, 且大部分区域呈负相关。     

Effects of ozone and aerosol pollution on photosynthesis of poplar leaves

由于经济的快速发展, 中国大部分地区正面临着严峻的复合型大气污染, 其中臭氧和气溶胶是两种主要污染物。已有的研究表明臭氧对叶片的氧化性伤害能够抑制光合作用, 而气溶胶可通过增加散射辐射比例或缓解高温抑制促进光合作用。但复合污染下, 臭氧和气溶胶如何共同调控叶片光合作用, 仍缺乏研究。该研究利用北京及周边地区之间的污染梯度, 选择加杨(Populus × canadensis)作为实验对象, 于2012-2013年生长季期间对叶片光合速率进行连续观测, 并同时监测臭氧浓度(AOT40)、气溶胶光学厚度(AOD)、空气温度和冠层内外光合有效辐射(PAR)等环境因子, 以期探讨大气复合污染下臭氧和气溶胶变化对植物叶片光合作用的影响及相关机制。结果表明: (1)臭氧浓度与空气温度、气溶胶浓度之间均呈显著正相关关系, 但气溶胶浓度与空气温度没有显著相关关系; (2)臭氧浓度增加显著抑制了阳生叶片的光合作用, 但气溶胶浓度上升促进了阳生叶片的光合作用; 臭氧浓度升高对阴生叶片光合作用的影响较小, 但气溶胶浓度上升促进了阴生叶片的光合作用; (3)标准化后的结果显示, 臭氧对阳生叶片光合作用的影响最大, 此时气溶胶的促进作用一定程度上补偿了臭氧浓度上升所带来的抑制效应。对于阴生叶片光合作用而言, 气溶胶则是最重要的影响因素。该研究发现复合污染下阴生叶和阳生叶光合响应不同, 这表明冠层结构可能通过影响阴生叶和阳生叶的比例, 从而对植物生长产生不同影响。该研究对理解大气复合污染如何影响光合作用提供了的机理支持, 同时也表明, 为了维持生态系统生产力及功能, 需要同时控制气溶胶和臭氧污染。     

臭氧和气溶胶复合污染对杨树叶片光合作用的影响

由于经济的快速发展, 中国大部分地区正面临着严峻的复合型大气污染, 其中臭氧和气溶胶是两种主要污染物。已有的研究表明臭氧对叶片的氧化性伤害能够抑制光合作用, 而气溶胶可通过增加散射辐射比例或缓解高温抑制促进光合作用。但复合污染下, 臭氧和气溶胶如何共同调控叶片光合作用, 仍缺乏研究。该研究利用北京及周边地区之间的污染梯度, 选择加杨(Populus × canadensis)作为实验对象, 于2012-2013年生长季期间对叶片光合速率进行连续观测, 并同时监测臭氧浓度(AOT40)、气溶胶光学厚度(AOD)、空气温度和冠层内外光合有效辐射(PAR)等环境因子, 以期探讨大气复合污染下臭氧和气溶胶变化对植物叶片光合作用的影响及相关机制。结果表明: (1)臭氧浓度与空气温度、气溶胶浓度之间均呈显著正相关关系, 但气溶胶浓度与空气温度没有显著相关关系; (2)臭氧浓度增加显著抑制了阳生叶片的光合作用, 但气溶胶浓度上升促进了阳生叶片的光合作用; 臭氧浓度升高对阴生叶片光合作用的影响较小, 但气溶胶浓度上升促进了阴生叶片的光合作用; (3)标准化后的结果显示, 臭氧对阳生叶片光合作用的影响最大, 此时气溶胶的促进作用一定程度上补偿了臭氧浓度上升所带来的抑制效应。对于阴生叶片光合作用而言, 气溶胶则是最重要的影响因素。该研究发现复合污染下阴生叶和阳生叶光合响应不同, 这表明冠层结构可能通过影响阴生叶和阳生叶的比例, 从而对植物生长产生不同影响。该研究对理解大气复合污染如何影响光合作用提供了的机理支持, 同时也表明, 为了维持生态系统生产力及功能, 需要同时控制气溶胶和臭氧污染。     

Vegetation clumping modulates global photosynthesis through adjusting canopy light environment

The spatial dispersion of photoelements within a vegetation canopy, quantified by the clumping index (CI), directly regulates the within-canopy light environment and photosynthesis rate, but is not commonly implemented in terrestrial biosphere models to estimate the ecosystem carbon cycle. A few global CI products have been developed recently with remote sensing measurements, making it possible to examine the global impacts of CI. This study deployed CI in the radiative transfer scheme of the Community Land Model version 5 (CLM5) and used the revised CLM5 to quantitatively evaluate the extent to which CI can affect canopy absorbed radiation and gross primary production (GPP), and for the first time, considering the uncertainty and seasonal variation of CI with multiple remote sensing products. Compared to the results without considering the CI impact, the revised CLM5 estimated that sunlit canopy absorbed up to 9%–15% and 23%–34% less direct and diffuse radiation, respectively, while shaded canopy absorbed 3%–18% more diffuse radiation across different biome types. The CI impacts on canopy light conditions included changes in canopy light absorption, and sunlit–shaded leaf area fraction related to nitrogen distribution and thus the maximum rate of Rubisco carboxylase activity (V_cmax), which together decreased photosynthesis in sunlit canopy by 5.9–7.2 PgC year⁻¹ while enhanced photosynthesis by 6.9–8.2 PgC year⁻¹ in shaded canopy. With higher light use efficiency of shaded leaves, shaded canopy increased photosynthesis compensated and exceeded the lost photosynthesis in sunlit canopy, resulting in 1.0 ± 0.12 PgC year⁻¹ net increase in GPP. The uncertainty of GPP due to the different input CI datasets was much larger than that caused by CI seasonal variations, and was up to 50% of the magnitude of GPP interannual variations in the tropical regions. This study highlights the necessity of considering the impacts of CI and its uncertainty in terrestrial biosphere models.     

Remote sensing estimation of gross primary productivity and its response to climate change in the upstream of Heihe River Basin

AimsQuantifying the gross primary productivity (GPP) of vegetation is of primary interest in studies of global carbon cycle. This study aims to optimize the MODIS GPP model for specific environments of a fragile waterhead ecosystem, by performing simulations of long-term (from 2001 to 2012) GPP with optimized MOD_17 model, and to analyze the response of GPP to the local climatic variations.Methods The original MODIS GPP products that underestimate GPP were validated against two years (2010-2011) of eddy covariance (EC) data at two sites (i.e. an alpine pasture site and a forest site, respectively) in the upstream of Heihe River Basin. Three comparative experiments were then conducted to analyze the effects of input parameters derived from three sources (i.e. meteorological, biome-specific, and fraction of absorbed photosynthetically active radiation (fPAR) parameters) on the model behavior. After refining the model-driven parameters, long-term GPPs of the study area were estimated using the optimized MOD_17 model, and the Least Absolute Deviation method was applied to analyze the partial correlations between interannual GPPs and climatic variables (temperature, precipitation and vapor pressure deficit (VPD)). Important findings The uncertainties in the original MODIS GPP products are attributable to biome-specific parameters, input data (e.g. meteorological and radiometry data) and vegetation maps. At the pasture site, the light use efficiency had the strongest impact on the GPP simulations. The refined fPAR calculated from the leaf area index (LAI) products of Global Land Surface Satellite (GLASS) greatly improved the GPP estimates, especially at the forest site. The GPPs from the optimized MOD_17 model well matched the EC data (R² = 0.90, root mean squared error (RMSE) = 1.114 g C·m^-2·d^-1 at the alpine pasture site; R² = 0.91, RMSE = 0.649 g C·m^-2·d^-1 at the forest site). The time series of GPPs displayed an up trend at an average rate of 9.58 g C·m^-2·a^-1 from 2001 to 2012. Examination of the partial correlations between interannual GPPs and climatic variables showed that the annual mean temperature and VPD generally had significant positive impacts on GPP, and the annual precipitation had a negative impact on GPP.     

Canopy photosynthesis of six major arable crops is enhanced under diffuse light due to canopy architecture

Diffuse radiation generally increases photosynthetic rates if total radiation is kept constant. Different hypotheses have been proposed to explain this enhancement of photosynthesis, but conclusive results over a wide range of diffuse conditions or about the effect of canopy architecture are lacking. Here, we show the response of canopy photosynthesis to different fractions of diffuse light conditions for five major arable crops (pea, potato, wheat, barley, rapeseed) and cover crops characterized by different canopy architecture. We used 13 years of flux and microclimate measurements over a field with a typical 4 year crop rotation scheme in Switzerland. We investigated the effect of diffuse light on photosynthesis over a gradient of diffuse light fractions ranging from 100% diffuse (overcast sky) to 11% diffuse light (clear‐sky conditions). Gross primary productivity (GPP) increased with diffuse fraction and thus was greater under diffuse than direct light conditions if the absolute photon flux density per unit surface area was kept constant. Mean leaf tilt angle (MTA) and canopy height were found to be the best predictors of the diffuse versus direct radiation effect on photosynthesis. Climatic factors, such as the drought index and growing degree days (GDD), had a significant influence on initial quantum yield under direct but not diffuse light conditions, which depended primarily on MTA. The maximum photosynthetic rate at 2,000 µmol m^?2 s^?1 photosynthetically active radiation under direct conditions strongly depended on GDD, MTA, leaf area index (LAI) and the interaction between MTA and LAI, while under diffuse conditions, this parameter depended mostly on MTA and only to a minor extent on canopy height and their interaction. The strongest photosynthesis enhancement under diffuse light was found for wheat, barley and rapeseed, whereas the lowest was for pea. Thus, we suggest that measuring canopy architecture and diffuse radiation will greatly improve GPP estimates of global cropping systems.     

Revised algorithm of ecosystem water use efficiency for semi-arid steppe in the Loess Plateau of China

Aims We evaluated the applicability of different measures of water use efficiency through analyzing the coupled dynamics of GPP and evapotranspiration in the semi-arid steppe in the Loess Plateau of China. Our objective is to explore the applicability of two quantitative measures of ecosystem water use efficiency—inherent water use efficiency (IWUE) and underlying water use efficiency (uWUE) —for the semi-arid steppe and to endeavor necessary modifications.Methods The consistency and stability of three indices of water use efficiency formulations (i.e. WUE, IWUE, uWUE) were calculated and compared at hourly, daily and annual time scales before proposing an optimal water use efficiency (oWUE). These indices were additionally used to quantify their importances in modeling the diel change of gross primary production (GPP). The yielded-accuracy of the prediction was used for justifying their uses.Important findings IWUE and uWUE appeared suitable for examining the coupled water-carbon characteristics of vegetation at hourly and daily scales, whereas WUE was more plausible on the annual and interannual scales. The optimized water use efficiency index did not improve the prediction of the coupled water-carbon characteristics as compared with uWUE, but it improved the prediction of GPP and its dynamics. oWUE and uWUE improved the predictions of GPP in the peak growing period, while WUE predicted the GPP better at the early and late growing season. Interestingly, we found that IWUE was not suitable for predicting GPP and its dynamics. The results will be of great importance in modeling the effects of climate change on the carbon assimilation and water cycle for the future.     

玉米农田冠层光合参数的多光谱遥感反演

冠层光合参数的准确定量遥感反演是生态系统遥感模型的核心与关键。基于2011年玉米(Zea mays)整个生长发育期的冠层光谱反射率、生态系统CO₂通量、微气象因子以及玉米光合生理生态指标的观测数据, 开展了玉米农田生态系统冠层光合能力(P_max, 最大光合速率)与光合效率(ε_N, 净CO₂通量交换/吸收光合有效辐射(NEE_CO2/APAR); ε_G, 总初级生产力/吸收光合有效辐射(GPP/APAR); α, 表观量子效率)参数的多光谱遥感反演能力评估研究。结果表明, P_max和α在整个生长季呈现单峰型变化趋势, 分别于7月底、8月初达到峰值, 而光合效率参数ε_N和ε_G在玉米营养生长早期数值较高, 随着玉米生长发育迅速降低, 而后呈现单峰型的变化趋势, 峰值出现时间基本与P_max最大值发生时间一致。基于两波段任意组合的遥感植被指数NDVI (normalized difference vegetation index)、RVI (ratio vegetation index)、WDRVI (wide dynamic range vegetation index)、EVI2 (2-band enhanced vegetation index)和CI (chlorophyll index)与玉米冠层4个光合参数的统计分析表明, EVI2对冠层光合效率与光合能力参数的反演与表征效果最佳。研究表明, 多光谱遥感信息对玉米生态系统冠层光合参数的变异具有较强的敏感性, 可以用来监测玉米冠层光合作用的季节动态变化以及准确定量评估作物生产力和生态系统CO₂交换能力。     

太行山南麓栓皮栎和刺槐光合作用-CO2响应模拟

采用便携式光合仪(Li-6400XT)对太行山南麓栓皮栎、刺槐2个树种叶片光合作用-CO₂响应曲线进行测定,利用直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)以及直角双曲线的修正模型—叶子飘模型(YZP)进行曲线拟合,并对3种光合模型的拟合参数(最大净光合能力A_max、初始羧化速率η、光呼吸速率R_p、CO₂补偿点CCP和CO₂饱和点CSP)进行比较.结果表明: 与NRH和YZP模型相比,RH模型所得的A_max、η、R_p和CCP较高,分别高出实测值59.8%、128.6%、133.4%和19.8%.与RH模型和YZP模型相比,NRH模型拟合得出的A_max较大,高于实测值11.1%,η、R_p和CCP接近于实测值.YZP模型能较好地模拟光合作用对CO₂的饱和现象,在A_max和CSP的拟合效果上较好.栓皮栎阴叶的A_max、R_p和CCP比阳叶分别低31.3%、5.2%和14.3%.刺槐阴叶的A_max、R_p和CCP分别高出阳叶23.5%、11.0%和5.4%.栓皮栎、刺槐阴叶的η分别比阳叶高6.9%和7.0%.刺槐叶片的R_p和CCP与温度、光强均具有显著线性关系,η与气孔导度(g_s)具有显著线性关系.栓皮栎叶片的η与光强和气孔导度具有显著线性关系,CCP主要受温度和湿度影响.栓皮栎叶片的A_max与相对湿度和g_s具有显著的正线性相关关系.