基于地面调查的植被生态质量综合评估指标体系构建

植被是陆地生态系统的主体,是保障生态质量的基础,也是基于自然的生态系统增汇、实现“碳中和”的重要利器。植被是生态质量评价的核心要素,但目前的生态质量评价研究中所用到的植被指标多是通过遥感反演或者气象指数模型计算得到的,而基于典型生态系统尺度地面调查的植被观测数据更直接、更准确,数据也很丰富,却很少用于生态质量评价,也缺乏系统的评价指标体系。通过文献研究、专家研讨和问卷调查,并借鉴群落退化演替和生态系统长期监测研究的理论基础,构建基于地面调查的植被生态质量综合评估指标体系。该指标体系整体分为三级,一级综合指数由群落结构指数、物质生产指数、生物多样性指数、群落发展或者演替趋势4个二级分项指标构成,二级分项指标由12—14个三级指标组成,不同植被类型各有其特征指标。该体系将完善我国多尺度陆地生态系统的生态质量评价指标体系,为新时期国家生态质量评价提供科学建议,为我国生态文明建设提供技术支撑。     

遥感反演植被含氮量研究进展

植被含氮量表征植被氮素状态。它作为植被生长状况的重要指标,在生态系统健康状况检测、生态系统生产估测、精准农业、生态系统干扰评估等方面均有重要意义。遥感监测植被含氮量主要基于高光谱和多光谱数据,采用的算法包括经验方法(波谱指数与回归分析)及物理方法(辐射传输模型法)。但受数据源和研究方法的局限,目前植被氮含量遥感监测局限于区域范围较小且内部植被类型与环境条件(气候、地形等)基本一致的情形,而对复杂生态系统的监测能力不足。未来的研究需针对氮沉降和人类活动的生态系统响应这一重大研究需求,发展和改进现有植被含氮量遥感反演方法。可考虑开展对不同环境条件下、不同类型植被光谱曲线进行标准化的研究,以形成普适的植被含氮量反演方法。并考虑综合运用多种数据(如微波遥感、无人机遥感),形成多尺度同步监测,以提高遥感对区域乃至全球范围内植被氮含量常规监测的能力。     

湿地植被地上生物量遥感估算方法研究进展

湿地植被生物量是衡量湿地生态系统健康状况的重要指标,其估算方法研究一直是湿地领域的研究热点。传统的植被地上生物量测算主要依靠样方调查,对于复杂湿地生态系统存在一定的局限,而随着遥感估算方法的发展,湿地植被生物量的研究实现了长期、动态且大尺度的监测。本文在查阅和分析国内外相关文献的基础上,以遥感数据为主要数据源,阐述了基于光学、合成孔径雷达(SAR)、激光雷达(Lidar)以及多源协同遥感数据反演湿地植物地上生物量的理论基础及计算原理,总结了其研究进展,分析了其适用性,继而从湿地植被生物量监测类型的拓展、多源遥感数据的融合、遥感数据的同化以及遥感机理模型发展等方面出发,对植物生物量研究的发展趋势进行了深入探讨。     

植被含水量高光谱遥感监测研究进展

植被含水量是陆地植被重要的生物物理特征, 其定量遥感反演有助于植被干旱胁迫的实时监测与诊断评估。该文系统综述了国内外利用高光谱遥感评估植被水分状况的4个常见植被水分指标——冠层含水量、叶片等量水厚度、活体可燃物湿度和相对含水量的概念及其遥感估算方法研究进展, 评述了植被含水量高光谱遥感估算各类方法的优缺点, 探讨了植被含水量高光谱遥感估算目前存在的问题, 并提出进一步的研究任务, 即服务于植被干旱胁迫的高光谱遥感监测、预警与评估。     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

森林碳计量方法研究进展

森林是陆地生态系统的主体,不仅是巨大的碳库而且对减缓气候变暖具有积极作用。科学有效的森林碳计量方法,有助于加深对全球碳循环过程的理解。然而,由于森林生态系统结构复杂,对森林碳计量的估算结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。近年来,国内外发展了大量对森林碳计量进行估算的方法,主要有基于样地清查的森林植被和土壤碳估算、基于生长收获的经验模型估算、基于定量遥感雷达观测的遥感估测、基于多尺度森林生态系统网络的通量观测和陆地生态系统过程模型模拟等方法。在实际的森林碳计量中,根据不同的森林类型特征和数据获取情况,往往采取不同的碳计量方法,甚至不止一种。以生态过程模型模拟、遥感反演和数据同化技术为主要手段,基于碳通量观测数据、控制实验数据和遥感影像数据,发展多学科、多过程、多尺度的综合联网观测,充分认识森林碳循环过程中碳源/汇的时空分布特征,开展区域、洲际乃至全球尺度碳循环及其对全球变化和人类活动响应的系统性、集成性研究,以便建立高效、可靠的碳计量体系是未来林业碳计量的发展趋势。随着世界各国温室气体排放清单的编制,中国迫切需要科学的方法体系计量森林碳源/汇,提升我国在生态环境问题上的国际发言权和主导权,同时对我国森林可持续经营、生态环境保护以及美丽中国建设提供建议与支持。分析了各类森林碳计量方法的主要特征、优缺点,同时探讨了目前的森林碳计量方法存在的问题和未来的发展趋势,为不同时空尺度下森林碳计量提供参考。     

Research progress on monitoring vegetation water content by using hyperspectral remote sensing

植被含水量是陆地植被重要的生物物理特征, 其定量遥感反演有助于植被干旱胁迫的实时监测与诊断评估。该文系统综述了国内外利用高光谱遥感评估植被水分状况的4个常见植被水分指标——冠层含水量、叶片等量水厚度、活体可燃物湿度和相对含水量的概念及其遥感估算方法研究进展, 评述了植被含水量高光谱遥感估算各类方法的优缺点, 探讨了植被含水量高光谱遥感估算目前存在的问题, 并提出进一步的研究任务, 即服务于植被干旱胁迫的高光谱遥感监测、预警与评估。     

中国陆地生态系统碳源/汇整合分析

国家尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程的研究对于提升地球系统科学与全球变化科学的科技创新能力、提高我国参与应对全球气候变化国际行动和维护国家利益的话语权、保障国家生态安全和改进生态系统管理都具有重要意义。近年来,我国已经在气候变化与陆地生态系统碳循环领域开展了大量的研究工作,主要包括国家清查、生态系统模型模拟、大气反演等手段。然而,由于大尺度陆地生态系统碳源/汇的估算存在很大的不确定性,目前尚未形成国家尺度的陆地生态系统碳源/汇的整合分析。通过搜集已发表的关于中国陆地生态系统及其组分碳源/汇的59篇文献,整合国家清查、生态系统模型模拟、大气反演3种研究手段,分析中国陆地生态系统碳源/汇大小以及时间尺度上的动态变化。结果表明,在1960s-2010s期间中国陆地生态系统碳汇整体呈上升趋势,平均为（0.213±0.030）Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌木生态系统碳汇分别为（0.101±0.023）Pg C/a、（0.032±0.007）Pg C/a、（0.043±0.010）Pg C/a和（0.028±0.010）Pg C/a。森林生态系统中的植被碳汇远大于土壤碳汇,然而这种格局在草地和农田生态系统却相反,而且1960s-2010s期间中国主要植被类型的生态系统碳汇总体上随时间呈增加趋势。融合多源数据（地面观测、激光雷达、卫星遥感等）、多尺度数据（样地尺度、站点尺度、区域尺度）以及多手段数据（联网观测、森林清查、模型模拟）,有助于全面准确地评估中国陆地生态系统碳源/汇及其对气候变化的响应。     

基于多种遥感植被指数、叶绿素荧光与CO2通量数据的温带针阔混交林物候特征对比分析

植被物候学作为研究植被与环境条件相互作用的科学,在全球气候变化的大背景下已成为国际热点研究领域,其中森林植被在调节全球碳平衡、维护全球气候稳定的过程中有着至关重要的作用。随着遥感技术的发展,多种遥感指数被应用到森林植被物候研究中,其中以MODIS NDVI和EVI应用最为广泛,而叶绿素荧光(SIF)作为植被光合作用的"探针"也被广泛应用于森林植被物候研究中。为了探究3种指数在森林植被物候研究中的差异与特性,本文以长白山温带红松阔叶林通量观测站为研究区域,采用模型拟合结合动态阈值法提取2007—2013森林物候特征参数,并使用通量数据(总初级生产力GPP)进行验证。结果表明:NDVI与EVI、SIF相比,表现为生长季开始时间与结束时间的明显提前和滞后,与GPP数据偏差较大,且夏季生长季峰期曲线形态过宽且平坦,无法较好反映生长季变化特征;EVI相较于NDVI有所改善,整体变化趋势与SIF、GPP基本吻合,但依然存在秋季衰减时间稍迟于SIF与GPP的问题;SIF虽然存在夏季骤降现象,但依然与GPP数据一致性最好,可以较好反映出森林植被季节变化特征。SIF数据与植被光合作用的紧密关联使其在植被物候研究中具有优于植被指数的准确性,并随着遥感平台的增加和反演方法的改善,将会在多尺度、多类型的植被物候监测中发挥更加重要的作用。     

基于日光诱导叶绿素荧光的北半球森林物候研究

植被物候是反映植被生长规律的重要指标, 对气候的反馈具有重要意义。日光诱导叶绿素荧光(SIF)通过复杂的能量耗散机制与光合作用相关联, 提供了从空间直接探测大范围植被物候的可能性。为了探究气候变化背景下SIF反演不同森林类型物候的适用性, 该文以北半球35个全球通量网(FLUXNET)森林站点为研究对象, 利用2007-2014年SIF值和总初级生产力(GPP)通过双逻辑生长模型和动态阈值法来估算3种典型森林类型的物候, 并采用相关性分析等方法评价SIF在估算不同森林类型物候时的差异性。主要结果为: 1) SIF对生长季开始时间(SOS)的估算精度高于生长季结束时间(EOS); 2) SIF能够更准确地估算混交林(MF)的SOS, 但是不能精确追踪落叶阔叶林(DBF)和常绿针叶林(ENF)的SOS; 3)春季季前短波辐射是驱动SOS的主要气候因素。综上, 建议在将来的研究中将SIF数据与其他遥感指数整合, 应用于不同植物类型的物候监测。     

From remotely sensed solar-induced chlorophyll fluorescence to ecosystem structure,function, and service: Part I—Harnessing theory

Solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) is a remotely sensed optical signal emitted during the light reactions of photosynthesis. The past two decades have witnessed an explosion in availability of SIF data at increasingly higher spatial and temporal resolutions, sparking applications in diverse research sectors (e.g., ecology, agriculture, hydrology, climate, and socioeconomics). These applications must deal with complexities caused by tremendous variations in scale and the impacts of interacting and superimposing plant physiology and three-dimensional vegetation structure on the emission and scattering of SIF. At present, these complexities have not been overcome. To advance future research, the two companion reviews aim to (1) develop an analytical framework for inferring terrestrial vegetation structures and function that are tied to SIF emission, (2) synthesize progress and identify challenges in SIF research via the lens of multi-sector applications, and (3) map out actionable solutions to tackle these challenges and offer our vision for research priorities over the next 5–10 years based on the proposed analytical framework. This paper is the first of the two companion reviews, and theory oriented. It introduces a theoretically rigorous yet practically applicable analytical framework. Guided by this framework, we offer theoretical perspectives on three overarching questions: (1) The forward (mechanism) question—How are the dynamics of SIF affected by terrestrial ecosystem structure and function? (2) The inference question: What aspects of terrestrial ecosystem structure, function, and service can be reliably inferred from remotely sensed SIF and how? (3) The innovation question: What innovations are needed to realize the full potential of SIF remote sensing for real-world applications under climate change? The analytical framework elucidates that process complexity must be appreciated in inferring ecosystem structure and function from the observed SIF; this framework can serve as a diagnosis and inference tool for versatile applications across diverse spatial and temporal scales.     

From remotely-sensed solar-induced chlorophyll fluorescence to ecosystem structure,function, and service: Part II—Harnessing data

Although our observing capabilities of solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) have been growing rapidly, the quality and consistency of SIF datasets are still in an active stage of research and development. As a result, there are considerable inconsistencies among diverse SIF datasets at all scales and the widespread applications of them have led to contradictory findings. The present review is the second of the two companion reviews, and data oriented. It aims to (1) synthesize the variety, scale, and uncertainty of existing SIF datasets, (2) synthesize the diverse applications in the sector of ecology, agriculture, hydrology, climate, and socioeconomics, and (3) clarify how such data inconsistency superimposed with the theoretical complexities laid out in (Sun et al., 2023) may impact process interpretation of various applications and contribute to inconsistent findings. We emphasize that accurate interpretation of the functional relationships between SIF and other ecological indicators is contingent upon complete understanding of SIF data quality and uncertainty. Biases and uncertainties in SIF observations can significantly confound interpretation of their relationships and how such relationships respond to environmental variations. Built upon our syntheses, we summarize existing gaps and uncertainties in current SIF observations. Further, we offer our perspectives on innovations needed to help improve informing ecosystem structure, function, and service under climate change, including enhancing in-situ SIF observing capability especially in “data desert” regions, improving cross-instrument data standardization and network coordination, and advancing applications by fully harnessing theory and data.     

Improving the monitoring of crop productivity using spaceborne solar‐induced fluorescence

Large‐scale monitoring of crop growth and yield has important value for forecasting food production and prices and ensuring regional food security. A newly emerging satellite retrieval, solar‐induced fluorescence (SIF) of chlorophyll, provides for the first time a direct measurement related to plant photosynthetic activity (i.e. electron transport rate). Here, we provide a framework to link SIF retrievals and crop yield, accounting for stoichiometry, photosynthetic pathways, and respiration losses. We apply this framework to estimate United States crop productivity for 2007–2012, where we use the spaceborne SIF retrievals from the Global Ozone Monitoring Experiment‐2 satellite, benchmarked with county‐level crop yield statistics, and compare it with various traditional crop monitoring approaches. We find that a SIF‐based approach accounting for photosynthetic pathways (i.e. C₃ and C₄ crops) provides the best measure of crop productivity among these approaches, despite the fact that SIF sensors are not yet optimized for terrestrial applications. We further show that SIF provides the ability to infer the impacts of environmental stresses on autotrophic respiration and carbon‐use‐efficiency, with a substantial sensitivity of both to high temperatures. These results indicate new opportunities for improved mechanistic understanding of crop yield responses to climate variability and change.     

大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理。在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的“多过程耦合-多技术集成-多目标应用”的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化及其资源、环境和灾害效应科学研究的重要科技任务。本研究围绕宏观生态系统模拟分析方法问题,在回顾陆地生态系统模型研究现状和发展趋势的基础上,深入讨论开发大尺度陆地生态系统动态变化和空间变异及其资源环境效应模拟系统的理念,以及模拟系统的功能定位、结构设计等基本问题,为构造中国陆地生态系统数值模拟器提供参考。     

大尺度陆地生态系统状态变化及其资源环境效应的立体化协同联网观测

环境变化和人类活动的双重驱动正在快速地改变地球生态系统状态,呈现出了众多级联的资源环境问题,生态系统的状态变化和时空演变驱动因素以及相应的资源环境效应是大尺度陆地生态系统科学研究的永恒主题.观测和评估生态系统状态变化,发现和理解生态系统响应机制,认知和描述生态系统演变规律,预测和预警生态系统演变趋势,都依赖于大陆及全球...     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

Satellite solar-induced chlorophyll fluorescence tracks physiological drought stress development during 2020 southwest US drought

Monitoring and estimating drought impact on plant physiological processes over large regions remains a major challenge for remote sensing and land surface modeling, with important implications for understanding plant mortality mechanisms and predicting the climate change impact on terrestrial carbon and water cycles. The Orbiting Carbon Observatory 3 (OCO-3), with its unique diurnal observing capability, offers a new opportunity to track drought stress on plant physiology. Using radiative transfer and machine learning modeling, we derive a metric of afternoon photosynthetic depression from OCO-3 solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) as an indicator of plant physiological drought stress. This unique diurnal signal enables a spatially explicit mapping of plants' physiological response to drought. Using OCO-3 observations, we detect a widespread increasing drought stress during the 2020 southwest US drought. Although the physiological drought stress is largely related to the vapor pressure deficit (VPD), our results suggest that plants' sensitivity to VPD increases as the drought intensifies and VPD sensitivity develops differently for shrublands and grasslands. Our findings highlight the potential of using diurnal satellite SIF observations to advance the mechanistic understanding of drought impact on terrestrial ecosystems and to improve land surface modeling.     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中, 氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史, 综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例, 包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率, 利用¹⁵N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题, 以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

陆地生态系统碳汇评估方法研究进展

“碳中和”是我国作出的一项重大的国家战略决策,陆地生态系统碳汇作为碳增汇的重要组成部分,在碳中和目标实现的过程中发挥着重要的作用。但当前基于不同观测数据和方法的陆地碳汇计算仍有很大的不确定性,为了全面了解陆地生态系统碳汇分布特征,提高陆地生态系统碳汇评估的准确性,梳理了近年来关于陆地生态系统碳汇评估的国内外研究进展,从“自下而上”和“自上而下”两类途径阐述了陆地生态系统碳汇评估的主要方法(样地清查法、涡度相关法、模型模拟法和碳同化反演法)的主要原理和特征,优势和缺陷,及在不同尺度碳汇研究中的应用,并从土地利用/覆盖变化、气候因素(大气CO₂浓度、氮沉降)、环境因素(太阳辐射、温度、降水)等因素阐述了陆地系统碳汇主要驱动因子;分析了我国陆地生态系统碳汇的主要特征及时空变化趋势,并从人类活动(生态工程)和环境因素阐述了中国陆地生态系统碳汇的驱动因素;最后,展望了新的监测手段和评估方法在提升陆地生态系统碳汇评估精度中的作用,从而更好的服务于我国“碳中和”的长远目标。