科尔沁草甸生态系统水分利用效率及影响因素

生态系统水分利用效率(WUE)是衡量碳水循环耦合程度的重要指标。利用科尔沁温带草甸草地碳水通量观测数据,对该生态系统总初级生产力水分利用效率(WUEGPP)的日季变化规律及对环境和生理因子的响应进行分析。结果表明:(1)WUEGPP日变化呈下降-稳定-上升的变化趋势,最大值出现在日出后1—2 h,阴天条件下WUEGPP高于晴天,生长中期WUEGPP高于生长初期和末期;(2)总初级生产力、总蒸散和WUEGPP季节变化均呈夏季高、春秋低的形式,生长季平均值分别为0.57 mg m-2s-1、0.08 g m-2s-1和5.97 mg/g,最大值分别为1.49 mg m-2s-1、0.16 g m-2s1和13.62 mg/g;(3)总初级生产力与饱和差、气温和叶面积指数均呈二次曲线关系,与冠层导度呈对数曲线关系;总蒸散与气温呈二次曲线关系,与饱和差、叶面积指数和冠层导度相关性均不显著;(4)WUEGPP与饱和差、气温和叶面积指数均呈二次曲线关系,与冠层导度呈对数曲线关系,饱和差、冠层导度和叶面积指数分别为2.0 k Pa、0.0015 m/s和4.2是控制WUEGPP增加的阈值;(5)净生态系统生产力水分利用效率(WUENEP)和净初级生产力水分利用效率(WUENPP)季节变化规律与WUEGPP一致,均值分别为3.47和5.47 mg/g。     

2000—2019年石羊河流域植被总初级生产力变化及其气候特征

石羊河流域是我国典型的内陆河流域,生态特征敏感脆弱,是了解干旱地区陆地生态系统总初级生产力(gross primary productivity, GPP)对气候变化响应及反馈的典型区域。本研究通过卫星数据和地面观测数据建立光能利用率模型,模拟估算了石羊河流域2000—2019年植被GPP,分析了气候影响下的不同植被类型GPP的空间分布以及年际变化。结果表明：石羊河流域GPP的平均值为256.52 g C·m^-2;落叶阔叶林、常绿针叶林、灌木林、耕地、草原、湿地和荒漠植被GPP分别为676.38、609.96、144.42、404.49、314.07、75.15和110.21 g C·m^-2,表现为南部祁连山区的落叶阔叶林GPP最高,北部荒漠区的湿地GPP最低;GPP的变化呈上升趋势,年际变化存在波动,趋势增加的面积为92%,平均速率为6.99 g C·m^-2·a^-1;流域内不同植被类型GPP增加速度从大到小顺序为落叶阔叶林>常绿针叶林>草地>耕地>灌木林>荒漠>...     

黑河流域植被水分利用效率时空分异及其对降水和气温的响应

植被水分利用效率(WUE)是衡量植被生态系统碳水耦合关系的重要指标,研究其时空分异特征对区域水资源合理利用及配置有重要意义。基于改进的光能利用率模型CASA,模拟估算了黑河流域2000—2013年植被净初级生产力(NPP),结合ETWatch模型估算的黑河流域2000—2013年蒸散数据ET,进一步估算了黑河流域植被水分利用效率WUE。分析了黑河流域NPP、ET和WUE空间格局和时间变化特征,探讨了WUE变化对降水和气温的相关性。结果表明:1)黑河流域空间上植被NPP在2000—2013年多年平均值为81.05 gC m^-2 a^-1,ET平均值为133.38 mm,植被WUE平均值为0.448 gC mm^-1 m^-2。植被NPP、ET与WUE的空间格局基本上类似,均呈现出自上游至下游逐渐减少的分布格局。2)黑河流域2000—2013年间植被平均NPP与平均WUE均呈现显著上升趋势(P<0.05),而ET平均值变化不显著。WUE年际变化斜率与其平均值在空间分布上存在一定的对应关系,空间上植被WU...     

全球旱地饱和水汽压差和根区土壤水分变化对植被生产力的影响及其成因

旱地约占全球陆地面积的40%,而水分是旱地植被生长的一大限制要素。尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实,然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究,这对研究旱地生态系统对气候变化的响应带来了挑战。为了填补这一认知空白,研究收集了多源气象、根区土壤含水率和总初级生产力产品,基于随机森林算法量化了植被总初级生产力对根区土壤含水率和饱和水汽压差的敏感性,结合土地覆盖数据和分档平均方法分析了敏感性空间异质性的形成机制。结果表明:全球旱地饱和水汽压差与植被生产力总体呈显著上升趋势;根区土壤水分对植被生长的影响以正效应主导,饱和水汽压差对植被生长的影响以负效应主导;相较于森林和灌木,饱和水汽压差对植被生长的负效应及根区土壤含水率对植被生长的正效应在农田、草地和苔原及半干旱区更为强烈;植被生产力对饱和水汽压差和根区土壤水分的敏感性在数量上总体呈显著的线性负相关性。综上,植被种类和气候条件是导致全球旱地植被生产力对土壤水分和饱和水汽压差敏感性空间异质性的重要因素。     

中国北方植被水分利用效率的时间变化特征及其影响因子

水分利用效率(WUE)既是衡量植被生长适应性的重要指标, 也是连接生态系统水碳循环的纽带。认识不同类型植被WUE的时间变化特征及驱动机制有助于增进对生态系统水碳循环过程的理解。已有研究表明, 在不同时间尺度下, WUE呈现不同的时间变化特征, 但现有研究多是集中在单一的时间尺度下开展的, 对不同植被类型在不同时间尺度下的动态变化及影响因子分析开展得较少。该研究选用中国北方地区9个定位观测台站的通量与气象数据, 分析了WUE的日内变化和季节变化特征, 并在0.5 h、1 d、8 d以及月尺度下, 分别分析了气温(T_a)、相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)以及光合有效辐射(PAR)等非生物因子对WUE的影响。同时, 该研究也分析了植被叶面积指数(LAI)和降水(P)对WUE的影响。研究发现: (1) WUE的日变化呈现不对称的“U”型特征, 日出时的WUE普遍高于日落时。荒漠地区WUE的季节变化呈“U”型, 而其他站点呈现单峰型。不同站点WUE的季节变化可以分为总初级生产力(GPP)主导型和蒸发散(ET)主导型, 并随着时间尺度的扩大, GPP或ET的主导作用逐渐增强。(2)在较短的时间尺度(0.5 h、1 d)上, T_a、RH、VPD和PAR是影响WUE变化的主要因子, 但随着时间尺度的扩大, T_a和RH成为影响WUE变化的主要因子, 并且与WUE的相关关系受GPP或ET对WUE主导作用的影响, 随着时间尺度增大, T_a和RH与WUE的线性关系更加显著。(3) WUE大体上随LAI的增加而增加, 但当LAI超过一定值时, 在长白山、海北和张掖站, WUE对LAI的敏感性降低。降水与WUE的关系在研究区域内并不显著。(4)不同植被类型的WUE由大到小依次为森林、农田、草地、湿地和荒漠。     

宁夏陆地生态系统水分利用效率特征及其影响因子

生态系统水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)是表征生态系统碳水耦合程度的重要指标,能反映生态系统碳水循环规律及其相互作用关系。基于MODIS数据以及宁夏生态系统类型数据,分析2000—2017年宁夏不同生态系统WUE的变化特征,探讨了NPP和ET两种因子对WUE年际与年内变化的影响。结果表明:(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg·H_2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H_2O之间,总体上呈现南北高、中部低的特征。(2)不同生态系统的WUE差异较大,由高到低为水体及湿地、森林、农田、草地、聚落、荒漠和其他生态系统,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的亚类生态系统,其WUE也越高。(3)宁夏陆地生态系统WUE存在着每年0.0141 g·C/kg·H_2O的下降趋势,年内WUE呈典型的单峰形态,变化范围在0.02—2.16 g·C/kg·H_2O之间。(4)年际尺度上,宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散(Evapotranspiration,ET)有极显著负相关性(P0.01),而与净初级生产力(Net Primary Production,NPP)没有相关性;年内尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(P0.05),与NPP呈极显著正相关(P0.01),这与植被的年内季节性生长过程有关。(5)根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统水分利用效率特征划分为4类,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区。宁夏的生态恢复工程在增强植被生产力的同时,也增强了区域水分消耗,致使陆地生态系统整体水分利用效率下降,这为宁夏未来水资源调控和生态重建提供了科学依据。     

不同土壤水分条件下杨树人工林水分利用效率对环境因子的响应

运用涡度相关(Eddy covariance,EC)开路系统和微气象观测系统,于2007年对位于北京市大兴区永定河沙地杨树(Populus euramertcana)人工林与大气间碳、水和能量交换进行了连续测定.通过分析总生态系统生产力(GEP)、蒸发散(ET)以及水分利用效率(WUE=GEP/ET)随相对土壤含水量(REW)的变化趋势,探讨杨树人工林不同土壤水分条件下水分利用效率对气象因子以及下垫面因素的响应,为杨树人工林经营管理提供理论依据.研究结果表明:当REW＜0.1时,GEP和ET受到严重水分胁迫的影响维持在较低水平,环境因子对GEP、ET和WUE的影响较小;当0.1＜REW＜0.4时,GEP和ET随着土壤体积含水量(VWC)的增加而增大,WUE随VWC的增大而减小;REW＞0.4时,气象因子是影响碳固定和水分损耗的主要原因,由于ET对气象因子变化的响应较GEP更为敏感,因此,WUE随空气饱和水汽压差(VPD)的增大而减小.沙地土壤保水能力较差,不能保证土壤水分被植物有效利用,因此当VWC处于5.2%-8.8％(0.1＜REW＜0.4)范围时,碳固定与水分消耗达到最高效率.研究表明杨树人工林WUE随降水变化而变化,未来气候变化和变异有可能影响杨树林耗水和生产力之间的关系.     

散射辐射对中国东部典型人工林总初级生产力的影响

散射辐射是影响森林碳吸收的重要因子。然而,有关生态系统总初级生产力(GPP)对散射辐射响应机理的理解仍有限。该研究利用中国东部6个人工林生态系统2019–2020年观测的碳通量数据和气象数据,估算了散射辐射,区分了直接辐射和散射辐射条件;基于直角双曲线方程获取了不同辐射条件下生态系统光响应参数;量化了GPP对散射辐射和直接辐射变化的响应;采用偏相关方法分析了光照和环境因子对GPP日变化的贡献,旨在探究生长季散射辐射对人工林生态系统GPP的影响机理。研究表明:散射辐射增加可以有效促进冠层光合作用,初始量子效率(α)和光合有效辐射(PAR)为1 000μmol·m^–2·s^–1时的GPP (P₁₀₀₀)分别提高了47%–150%和2%–65%。与直接辐射条件相比,散射辐射条件下的PAR每增加1μmol·m^–2·s^–1,GPP增加0.86%–1.70%,森林植被类型和站点物候变化会影响这一过程,具有较低归一化植被指数(NDVI)的樟子松(Pinus sylvestris var. mo...     

三江平原植被水分利用效率时空变化及其对气象因子变化的响应

水分利用效率(water use efficiency,WUE)是陆地生态系统响应全球变化的重要参数,分析区域生态系统WUE的变化特征及其与气象因子之间的响应关系,对于区域生态系统碳水循环研究以及水资源的科学管理具有重要意义。本文以三江平原为研究区,基于MODIS GPP和ET遥感数据、气象数据以及2000年、2014年土地覆盖数据,分析2000—2014年间植被WUE的时空变化特征以及植被WUE与关键气象因子之间的响应关系,并分析了土地覆盖变化下各植被类型WUE的变化特征。结果表明:三江平原WUE年均值变化呈波动式减少趋势,多年平均植被WUE为1.44 g C·kg^-1H₂O; WUE年内变化均近似呈"单峰型"曲线,1—3月及11、12月,WUE均处于最低值,在植被生长季(5—9月)期间,WUE均较高;季节WUE均值由高到低依次为夏季>秋季>春季>冬季;各植被类型WUE年内变化呈"双峰型"曲线,峰值主要分布在4—6月和9月;不同植被类型的年均WUE值从大到小依次为:混交林>针叶林>阔叶林>草地>耕地...     

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。     

Temporal changes of vegetation water use efficiency and its influencing factors in Northern China

水分利用效率(WUE)既是衡量植被生长适应性的重要指标, 也是连接生态系统水碳循环的纽带。认识不同类型植被WUE的时间变化特征及驱动机制有助于增进对生态系统水碳循环过程的理解。已有研究表明, 在不同时间尺度下, WUE呈现不同的时间变化特征, 但现有研究多是集中在单一的时间尺度下开展的, 对不同植被类型在不同时间尺度下的动态变化及影响因子分析开展得较少。该研究选用中国北方地区9个定位观测台站的通量与气象数据, 分析了WUE的日内变化和季节变化特征, 并在0.5 h、1 d、8 d以及月尺度下, 分别分析了气温(T_a)、相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)以及光合有效辐射(PAR)等非生物因子对WUE的影响。同时, 该研究也分析了植被叶面积指数(LAI)和降水(P)对WUE的影响。研究发现: (1) WUE的日变化呈现不对称的“U”型特征, 日出时的WUE普遍高于日落时。荒漠地区WUE的季节变化呈“U”型, 而其他站点呈现单峰型。不同站点WUE的季节变化可以分为总初级生产力(GPP)主导型和蒸发散(ET)主导型, 并随着时间尺度的扩大, GPP或ET的主导作用逐渐增强。(2)在较短的时间尺度(0.5 h、1 d)上, T_a、RH、VPD和PAR是影响WUE变化的主要因子, 但随着时间尺度的扩大, T_a和RH成为影响WUE变化的主要因子, 并且与WUE的相关关系受GPP或ET对WUE主导作用的影响, 随着时间尺度增大, T_a和RH与WUE的线性关系更加显著。(3) WUE大体上随LAI的增加而增加, 但当LAI超过一定值时, 在长白山、海北和张掖站, WUE对LAI的敏感性降低。降水与WUE的关系在研究区域内并不显著。(4)不同植被类型的WUE由大到小依次为森林、农田、草地、湿地和荒漠。     

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.     

石羊河流域河川径流对气候与土地利用变化的响应

应用流域气象和水文过程长期观测数据及四期TM影像数据,在建立基于气候及土地利用两种因素变化的径流过程模拟模型的基础上,分析河川径流对气候与土地利用变化的响应特征,并对其未来可能的变化趋势做出预测。结果表明,(1)1956—2009年,到达石羊河流域下游标志站蔡旗断面的河川径流量,由20世纪50年代的年平均5.392×108m3减少到目前的年平均1.096×108m3;1968年之前蔡旗断面径流量的波动主要是气候变化的结果,而1968之后,蔡旗断面径流量的变化是气候与土地利用变化共同作用的结果;(2)近30年来,气候变化对下游河川径流变化的贡献率平均为4.1%,而土地利用变化,尤其是耕地面积变化的贡献率平均为88.8%;中游灌溉定额平均分别减少5%、10%、15%和20%的情景下,下游河川径流量模拟值分别为1.591×108m3、2.427×108m3、3.262×108m3和4.098×108m3左右。     

基于遥感数据的植被碳水利用效率时空变化和归因分析

植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标。采用MODIS数据,利用Google Earth Engine平台计算植被碳利用效率(Carbon Use Efficiency, CUE)与水利用效率(Water Use Efficiency, WUE)。采用趋势分析、变异系数、R/S分析及偏相关分析等方法,对2000—2020年黄河流域植被CUE与WUE的时空动态进行分析,并探究水热条件对碳水利用效率的影响。结果表明：(1)2000—2020年黄河流域植被碳水利用效率年均值分别为0.61和0.68 gC m^-2 mm^-1;研究时限内,植被CUE呈波动下降趋势,而WUE呈波动上升趋势。(2)空间上,植被CUE呈西高东低分布,WUE相反。不同土地覆被类型的CUE表现为草地>农田>灌丛>森林;WUE表现为：农田>森林>草地>灌丛。(3)总体上,黄河流域植被CUE与温度呈负相关,与降水呈正相关;黄河流域北部植被WUE与温度和降水均呈正相关关系,黄河流域西南部植被WUE与降水负相关;(4)不同土地利用类型中,草地...     

亏缺灌溉对干旱区两种乡土植物种子生产性能及其水分利用效率的影响

科学灌溉对植物种子生产具有重要意义。本研究以荒漠草原优良乡土植物沙芦草和牛枝子为对象,以充分灌溉为对照,探究不同生育时期亏缺灌溉对两种牧草种子生产和水分利用效率的影响。结果表明: 与对照相比,亏缺灌溉下两种植物土壤含水率下降,其中沙芦草土壤含水率下降主要发生在0～60 cm土层,牛枝子土壤水分下降未出现明显的分层现象。亏缺灌溉下沙芦草种子产量各构成因子差异均显著,开花期亏缺灌溉种子产量最高;牛枝子仅生殖枝数、小花数和荚果数差异显著,种子产量各处理差异不显著。相关分析显示,沙芦草种子产量与生殖枝数(r=0.776)、小穗数(r=0.717)呈显著正相关;牛枝子花序数与生殖枝数呈极显著负相关(r=-0.685),与小花数呈显著正相关(r=0.412)。与充分灌溉相比,亏缺灌溉下两种乡土植物种子生产耗水量减少,水分利用效率提高,其中,沙芦草开花期亏缺灌溉水分利用效率提高最多(32.9%);牛枝子分枝期亏缺灌溉提高最多(27.4%)。因此,适当亏缺灌溉可以提高两种植物水分利用效率。从水分利用效率和种子产量来看,干旱区沙芦草和牛枝子种子人工繁育时可采取亏缺灌溉,适宜亏缺的生育期分别为开花期和分枝期。     

石羊河流域综合治理灌区水效率变化研究

石羊河流域灌区是人-地-水矛盾高度集结之地,也是流域综合治理的重点地区,其用水效率的高低深刻影响着绿洲的稳定性和三生系统(生产-生活-生态)的和谐发展状态。选择DEA模型,测度了《石羊河流域治理规划》实施前后13个灌区农业用水效率变化。结果表明:综合治理前后各灌区用水效率存在明显的时空差异,以2007年为拐点,总体呈现前期波动下降、后期稳定提升的发展历程。用水效率中游井泉灌区中游山水灌区下游山水井泉混合灌区,映射出流域治理的强大影响力。重点治理区域高于非重点区域,但下游红崖山水库灌区用水效率仍很低。各灌区水土冗余是影响用水效率的共性因素。水冗余井泉灌区山水灌区,但冗余度和松弛变量均在减少,说明水资源节约程度在加强。治理前井泉灌区和混合灌区土冗余最多;治理后山水灌区和下游红崖山水库灌区土地在减少冗余度,说明"关井压田"对井泉灌区起到明显作用。     

石羊河流域武威绿洲春玉米水氮耦合效应

为探讨西北旱区春玉米最佳的水氮耦合模式,在甘肃石羊河流域武威绿洲边缘进行田间正交试验,研究不同生育阶段水量分配及施氮量对春玉米群体产量和水氮利用的影响.结果表明：石羊河流域武威绿洲春玉米籽粒产量随施氮量的增加而增加;施氮量为300 kg·hm^-2、拔节期灌水136 mm时的籽粒产量最大.籽粒灌溉水利用效率随灌水量的增加而降低;全生育期灌水340 mm时增施氮肥可使籽粒产量和籽粒灌溉水利用效率同时提高;施氮量为300 kg·hm^-2、苗期和灌浆期分别灌水34 mm时籽粒灌溉水利用效率最大.各因素对玉米植株全氮累积总量的影响由大到小依次为：施氮量、拔节期灌水、苗期灌水、灌浆期灌水和抽穗期灌水.石羊河流域武威绿洲春玉米水氮耦合最佳模式为：施氮量300 kg·hm^-2,苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期分别灌水34、136、68和102 mm.