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...     

石羊河流域水分利用效率及其对饱和水汽压差的响应

水分利用效率(WUE)是叶片通过光合作用调节水分生理过程的指标,是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键,反映了植被生态系统对立地环境快速调整和资源的变化适应策略。基于卫星遥感和地面观测数据,利用光能利用率模型和蒸散发经验估算模型,模拟石羊河流域2000—2019年植被总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据,估算2000—2019年不同植被类型的WUE空间分布特征,研究GPP/ET/WUE与饱和水汽压差(VPD)的相关性,探讨干旱区不同类型植被对水分利用及胁迫的适应策略。结果表明：(1) 2000—2019年石羊河流域植被WUE、GPP和ET的平均值分别为0.80 gC m^-2 mm^-1、256.52 gC/m²和302.52 mm,其三者的空间分布特征表现为“南高北低”,即由流域源头至下游逐渐减少的空间分布。(2)近20年内,流域内WUE、GPP和ET的变化率的平均值分别为0.017 gC m^-2 mm^-1 a^-1,6.99 gC m^-2     

2000-2019年中国南方竹林区水分利用效率时空特征及驱动机制

水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)是深入理解生态系统碳、水循环及两者耦合关系的重要指标,然而我国重要森林类型之一的竹林的WUE时空格局及其驱动机制研究不足。通过MODIS净初级生产力(NPP)和蒸散(ET)数据得到竹林区WUE,采用线性趋势法计算WUE年际变化率表征变化趋势,并应用地理加权回归(GWR)模型分析了WUE与气候和地形等10个驱动因子的关系,探究了中国南方竹林区近20年间(2000—2019)WUE驱动机制。结果表明：(1)2000—2019年中国南方竹林区WUE多年均值为0.89 gC m^-2 mm^-1,呈显著下降趋势,下降速率为0.0028 gC m^-2 mm^-1 a^-1,ET上升速度大于NPP上升速度是造成WUE下降的主要原因;WUE呈南高北低的空间分布格局,83.5%区域的WUE呈下降趋势。(2)基于GWR模型的WUE驱动力分析发现,WUE变化最强的驱动因子是CO₂浓度和年降水量,而海拔、坡度等地形因子的...     

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...     

长江经济带水分利用效率变化及与温度和降水的关系

通过水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)深入理解生态系统水碳循环的相互关系,可以较好地评估生态系统对气候变化的响应。长江经济带自然资源丰富、生态系统格局复杂,是中国重要的经济发展区,同时也是响应气候变化的重要区域。基于生态系统过程模型CEVSA2(Carbon Exchange between Vegetation, Soil and Atmosphere),估算了1981—2010年长江经济带WUE的时空动态变化,并分析其与温度和降水之间的关系。结果表明:(1)长江经济带1981—2010年WUE均值为1.14 g C mm^-1 m^-2,WUE的空间分布与降水量呈显著正相关关系(r=0.571,P<0.01),而与温度呈显著负相关(r=-0.740,P<0.01);(2)长江经济带1981—2010年WUE变动区间为1.04—1.19 g C mm^-1 m^-2,WUE总体呈减少趋势,平均每年降低0.0030 g C mm^-1 m     

西南高山亚高山区植被水分利用效率时空特征及其与气候因子的关系

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水碳循环及其耦合关系的重要指标。为了揭示气候变化背景下区域尺度不同植被类型的响应和适应特征, 对中国西南高山亚高山地区2000-2014年的9种植被类型的WUE时空特征及其影响因素进行探究。该研究基于MODIS总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)数据和气象数据, 估算西南高山亚高山区植被WUE, 采用趋势分析及相关分析等方法, 分析了研究区植被WUE与气温、降水及海拔的关系。主要结果: (1)西南高山亚高山区2000-2014年植被WUE多年均值为0.95 g·m^-2·mm^-1, 整体呈显著增加趋势, 增速为0.011 g·m^-2·mm^-1·a^-1; 空间上WUE呈东南高西北低的分布, 85.84%区域的WUE呈增加趋势。(2)西南高山亚高山区各植被类型WUE多年均值表现为常绿针叶林>稀树草原>常绿阔叶林>有林草原>农田>落叶阔叶林>混交林>郁闭灌丛>草地; 时间上, 各植被类型WUE均呈上升趋势。(3)西南高山亚高山区89.56%区域的WUE与气温正相关, 92.54%区域的WUE与降水量负相关; 各植被类型中, 草地WUE与气温的相关性最高, 有林草原WUE与降水量的相关性最高。(4)西南高山亚高山区典型的地带性顶极植被常绿针叶林的WUE具有较强的海拔适应性及应对气候变化的能力。     

Spatio-temporal characteristics of vegetation water use efficiency and their relationships with climatic factors in alpine and subalpine area of southwestern China

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水碳循环及其耦合关系的重要指标。为了揭示气候变化背景下区域尺度不同植被类型的响应和适应特征, 对中国西南高山亚高山地区2000-2014年的9种植被类型的WUE时空特征及其影响因素进行探究。该研究基于MODIS总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)数据和气象数据, 估算西南高山亚高山区植被WUE, 采用趋势分析及相关分析等方法, 分析了研究区植被WUE与气温、降水及海拔的关系。主要结果: (1)西南高山亚高山区2000-2014年植被WUE多年均值为0.95 g·m^-2·mm^-1, 整体呈显著增加趋势, 增速为0.011 g·m^-2·mm^-1·a^-1; 空间上WUE呈东南高西北低的分布, 85.84%区域的WUE呈增加趋势。(2)西南高山亚高山区各植被类型WUE多年均值表现为常绿针叶林>稀树草原>常绿阔叶林>有林草原>农田>落叶阔叶林>混交林>郁闭灌丛>草地; 时间上, 各植被类型WUE均呈上升趋势。(3)西南高山亚高山区89.56%区域的WUE与气温正相关, 92.54%区域的WUE与降水量负相关; 各植被类型中, 草地WUE与气温的相关性最高, 有林草原WUE与降水量的相关性最高。(4)西南高山亚高山区典型的地带性顶极植被常绿针叶林的WUE具有较强的海拔适应性及应对气候变化的能力。     

黄河流域生态功能区植被碳汇估算及其气候影响要素

基于改进的CASA模型和土壤呼吸模型,综合遥感数据、气象数据、植被数据等多源数据类型,以黄河流域为研究对象,估算生态功能区植被碳源/汇,探讨其时空变化及主要气候影响要素。结果显示：(1)黄河流域植被净初级生产力(NPP)在2000—2020年整体呈波动上升趋势,多年平均NPP值为317.18 gC m^-2 a^-1;林地>耕地>沼泽>草地,水体、戈壁、风蚀劣地和裸沙地的NPP总体处于较低值。空间尺度上,黄河流域NPP呈现出南高北低的分布特点,高值区集中在黄土高原农业与草原生态区与汾渭盆地农业生态区交界处,空间差异显著。(2)土壤微生物呼吸量极大值出现2018年,为15.82 gC m^-2 a^-1,最小值出现在2004年为14.34 gC m^-2 a^-1;空间上呈现从东南往西北、从东往西依次递减的空间分布格局。(3)黄河流域总体呈碳汇属性(碳汇区域超过60%),年均固碳量约为111.02 MgC/a,年均排碳量为-9.96 MgC/a,年均净...     

亚洲半干旱区碳水通量时空格局及驱动因素

亚洲半干旱区生态系统敏感,环境问题突出,作为全球近30年来碳水通量变化最大的区域,明确其碳水通量的时空分布格局和驱动因素对区域资源管理与可持续发展、全球气候变化等领域具有重要意义。基于植被与土壤湿度的联合同化产品(LPJ-Vegetation and soil moisture Joint Assimilation, LPJ-VSJA),结合研究区植被及气象数据,分析了亚洲半干旱区2010—2018年碳水通量植被总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)和水分利用效率(WUE)的时空变化、年际变化贡献率以及驱动因素。结果表明：(1)2010—2018年亚洲半干旱区年均GPP、ET、WUE空间格局总体呈“双夹型”,中高纬度与低纬度地区的碳水通量值大于中纬度区域。(2)2010—2018年GPP、ET和WUE的年际变化总体都呈现增长趋势,但只有GPP呈现显著增长趋势(P<0.05),增速为7.82 g C m^-2 a^-1。(3)WUE的年际变化表现为总体先增加后减少,正值中农田对WUE年际变化贡献率最大(54.6%),森林生态系统在面积占比仅有...     

新疆伊犁地区植被水分利用效率时空格局研究

分析新疆伊犁地区植被水分利用效率(WUE)的时空变化特征, 为实现区域水资源可持续利用、生态环境可持续发展和区域生态系统保护等提供科学参考和数据基础。利用2000—2019年的MODIS NPP(净初级生产力)和MODIS ET(蒸散发)数据, 对伊犁地区近20年的植被WUE进行估算, 分析研究区植被WUE的年际变化和空间分布特征以及不同植被类型WUE的变化趋势, 并对植被WUE年际变化趋势的显著性进行检验。探讨多年平均植被WUE的高值区、中值区、低值区的分布范围及变化情况, 并结合MODIS Land Cover(土地覆盖类型)数据分析不同植被类型WUE的差异。结果表明: (1)2000—2019年伊犁地区植被WUE总体呈上升趋势, 增长率为13.24%; 研究区多年平均植被WUE呈现从东、南向西、北递增的趋势; 多年平均植被WUE高值区、中值区和低值区面积占研究区总面积的53.30%、32.06%和1.82%。2000—2019年研究区植被WUE中值区分布范围减小, 植被WUE高值区分布范围增加, 而低值区的分布范围变化较小。(2)植被WUE呈现增加和减小趋势的面积分别占研究区总面积的63.99%和23.29%; 在0.05的置信水平下, 41.07%的植被WUE增加区和10.54%的植被WUE减小区通过了显著性检验; 在0.01的置信水平下, 仅29.36%的植被WUE增加区和7.43%的植被WUE减小区通过了显著性检验。(3)不同植被类型WUE的年际变化趋势基本一致, 但年均植被WUE(g·mm-1·m-2)呈现为农作物(0.80)>针叶林(0.74)>草地(0.70)>阔叶林(0.65)>稀疏植被(0.18); 不同植被类型对研究区WUE的贡献率呈现为草地(59.83%)>农作物(32.55%)>针叶林(3.45%)>阔叶林(2.43%)>稀疏植被(0.91%)。总之, 2000—2019年的20年间, 伊犁地区植被WUE小幅上升, 年均植被WUE为0.71 g·mm-1·m-2, 两大河谷地区的植被WUE总体比东部、南部山区高, 草地和农作物的水分利用效率相对较高, 为当地生态环境保护和社会经济发展做出了较大贡献。     

21世纪以来黄土高原水分利用效率时空变化及归因

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰。研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献。结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m^-2 a^-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm^-1 m^-2 a^-1)。(2)2001-2020年间黄土高原80.12%的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m² m^-2 a^-1)而气候因子变化均不显著。(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74%地区的WUE变化。研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考。     

长江流域陆地植被总初级生产力时空变化特征及其气候驱动因子

长江流域是我国重要的工农业生产区和生态安全屏障。深入开展长江流域陆地植被总初级生产力（GPP）时空变化特征和驱动因子研究,对了解变化环境下区域植被生长状况和生物固碳能力、掌握生态环境质量具有重要意义。基于MODIS GPP遥感数据产品、土地利用和气象观测数据,采用趋势分析和偏相关分析法,系统研究了2000-2015年间长江流域陆地植被GPP时空变化特征,探讨了不同二级水资源区内气候因子对GPP变化影响的空间差异,揭示了不同土地利用类型GPP变化特征以及气候因子作用。结果表明：1）长江流域陆地植被覆盖区GPP在0.3-2765 gC m^-2 a^-1之间,均值约990.46 gC m^-2 a^-1,多年平均GPP总量为1.735 P gC;2）近年来,长江流域GPP呈不显著上升趋势,趋势率为2.39 gC m^-2 a^-1。空间上,GPP上升区和下降区分别占总流域面积的68%和32%。各二级水资源区内,除了洞庭湖流域和太湖流域GPP呈下降趋势外,其他区GPP均呈上升趋势;3）不同土地利用类型GPP均值在198.50-1276.90 gC m^-2 a^-1之间。各土地利用类型中除水田GPP呈微弱下降外,其他均呈上升趋势,尤其是高、中、低覆盖度草地GPP上升趋势较为显著;4）不同气候因子对植被GPP变化的影响程度在不同二级水资源区、不同土地利用类型间均存在一定差异,但就长江流域整体而言,GPP年际变化受温度影响显著,其次是蒸发,而降水等其他气候因子的影响不大。     

基于Biome-BGC模型的北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应研究

研究中国北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应,对于制定合理的经营管理措施以应对区域的气候变化具有重要意义。基于对杨树人工林碳水通量的连续监测数据和对Biome-BGC模型参数的校准,模拟分析杨树人工林碳水通量及水分利用效率(WUE)对气候变化(气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升)的响应规律。结果表明,Biome-BGC模型校准后显著提升了其对杨树人工林碳水通量的模拟精度,对GPP、ET模拟结果的Nash-Sutcliffe效率系数(NS)分别为0.69和0.63,各自提高了64.3%和80%,均方根误差(RMSE)则分别降低至1.94 g C m~(-2) d~(-1)和0.88 mm/d,分别下降了26.5%和25.4%。在未来气候变化情景中,单独的气温上升、降水增加和大气CO_2浓度上升分别造成GPP的降低、升高和升高,其中GPP对大气CO_2浓度上升的响应程度(28%—44%)远高于对气温上升(1%—5%)和降水变化(3%—10%)的,ET则主要受降水的影响,响应程度在5%—14%之间。GPP和ET对气候变化的响应则受不同水平的气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升三者综合作用的影响。基于GPP和ET对气候变化的响应,WUE随气温上升、降水增加表现为降低趋势,随降水减少和大气CO_2浓度升高则呈升高趋势;其对未来气候中大气CO_2浓度升高的响应程度为27.7%—43.6%,远高于对气温上升(1.2%—5.8%)和降水变化(1.2%—3.5%)的,说明未来气候变化中大气CO_2浓度上升是促进杨树生长的主要因素;其中相对于当前WUE(2.8 g C/kg H_2O),C2T2P1和C0T3P0情景下WUE的升高和降低幅度最大,分别为45.4%和5.8%。     

海河流域生态水分利用效率时空变化及其与气候因子的相关性分析

生态水分利用效率(water use efficiency,WUE)是碳-水循环的重要参数之一,明晰其时空演变特征对水资源短缺地区生态系统的健康发展具有重要的意义。海河流域水资源短缺是区域农业发展的重要制约因素,基于遥感、气象数据,利用趋势分析、相关分析等方法分析了海河流域2000—2014年总初级生产力(gross primary productivity,GPP)、蒸散量(evapotranspiration,ET)及WUE的时空分布特征,并识别WUE对降水、气温及干旱的响应。研究结果表明:(1)时间上,GPP和ET的变化趋势不显著,WUE呈现显著的增加趋势,增速为0.0185 gC/kg H_2O a~(-1)(R~2=0.6299,P0.01);(2)空间上,WUE和GPP均呈现从东南向西北减小的趋势,高值区主要分布在华北平原农业生态区和京津唐城镇与城郊农业生态区。从变化趋势来看,黄土高原农业与草原生态区的GPP和WUE上升趋势最大;(3)植被类型中,农田的WUE值最高,草地的WUE最低,农田、有林草原和草地均呈现显著的增加趋势(P0.05);(4)影响因素上,降水对WUE的影响最大,WUE由降水、干旱和气温控制的区域分别占整个流域植被面积的44.44%、39.23%和16.01%。     

青海湖北岸草甸草原CO2通量年际动态及其驱动机制

青藏高原草甸草原是生态系统中重要的植被类型,准确评估高寒草甸草原生态系统碳源汇状况及碳储量变化尤为重要。基于涡度相关系统观测,分析了2009年至2016年8年期间青海湖北岸草甸草原环境因子以及碳通量的变化特征,运用结构方程模型(SEM)分析环境因子对总初级生产力(GPP)、净生态系统CO₂交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)的调控机制。结果表明：2009—2016年8年NEE日均值在-2.02—0.88 gC m^-2 d^-1之间,5—9月NEE为负值,表现为碳吸收,雨热同期的6、7、8月是CO₂净吸收最强的时期,平均每月吸收CO₂ 39.85 gC m^-2 month^-1,NEE负值日数约占全年的48%,10月—翌年4月为正值,表现为碳释放,初春3月和秋末11月是CO₂净释放最强的时期;Re日均值为1.69 gC m^-2 d^-1,受季节温度的影响,呈夏季强,冬季弱的态...     

基于参数优化的人工灌丛生态系统碳水通量模拟

荒漠草原是陆地生态系统中最为脆弱且受人类干扰较为严重的生态类型之一,精准模拟其碳水通量及对人为干扰的响应,不仅能够揭示其复杂的生态学过程,而且还可为人为生态修复和保护提供决策依据。生态模型能够有效地模拟陆地生态系统的碳水循环过程,但模型众多的参数及其取值的合理性限制了其普遍应用,故探索参数优化是提升生态模型应用的有效途径。利用PEST参数优化方法和涡度相关观测数据对Biome-BGC模型的生理生态参数进行优化,在评估参数优化效果的基础上模拟了1986-2018年宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）和蒸散（Evapotranspiration,ET）。结果表明：（1）参数优化可以改善Biome-BGC模型对荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET的模拟效果,参数优化后模拟的GPP和ET均更接近于观测值,其中月尺度的模拟效果更佳;（2）基于PEST的Biome-BGC模型参数优化方法具有较强的普适性,优化后的参数可推广应用于荒漠草原区人工灌丛生态系统长时间序列的GPP和ET模拟;（3）宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的GPP在1986-2018年呈缓慢上升趋势,增幅为1.47 g C m^-2 a^-1,但ET的年际变化率较大,且无显著变化趋势。