森林生物量遥感降尺度研究

森林生物量是评价全球碳氧平衡、气候变化的重要指标。目前已有基于星载激光雷达数据的全球森林生物量产品,但空间分辨率较低,不能很好地满足小区域森林调查和动态监测的需要。针对这一现状,以美国马里兰州两个森林分布状况不同的区域为研究区,基于CMS(Carbon Monitoring System)30 m分辨率和GEOCARBON 1 km分辨率森林地上生物量产品以及TM等数据源,通过升尺度模拟低分辨率生物量数据和直接使用低分辨率产品两种方式,分别尝试建立了多光谱地表参数和低分辨率森林地上生物量之间的统计关系,以此作为降尺度模型实现了森林地上生物量空间分辨率从1 km到30 m的转换,并对降尺度结果进行精度评价和误差分析。结果表明:模拟数据降尺度后的30 m分辨率森林地上生物量空间分布和CMS森林地上生物量分布状况大致相同,RMSE=59.2—65.5 Mg/hm~2,相关系数约为0.7;其降尺度结果优于GEOCARBON产品直接降尺度结果RMSE=75.3—79.9 Mg/hm~2;相较于线性模型,非线性模型能更好地呈现森林地上生物量和地表参数间的关系;总体上,降尺度生物量呈现高值区低估,低值区高估的现象。     

生态预报: 生态学的一个前沿领域

生态预报对于资源,环境的决策和管理将起着越来越重要的作用。计算机科学和定量分析的进步,生态学理论的发展以及新技术的应用增加了人类预测生态系统变化的能力。本文介绍了有关生态预报的内涵,相关研究进展及案例,提出生态预报是生态学的一个重要前沿领域,也将是今后生态学研究的一个重要努力方向。     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

三种Ts/VI指数在UCLA土壤湿度降尺度法中的效果评价

微波遥感土壤湿度产品是目前在大尺度水资源或气候变化研究中比较常用的地表土壤湿度数据,但其空间分辨率一般都较粗,不能满足区域或流域尺度相关研究要求.因而,在这些尺度的相关研究中需要对土壤湿度产品进行空间降尺度.UCLA法是一种土壤湿度降尺度方法,该方法使用地表温度和植被指数特征空间指数(Ts/VI指数)作为降尺度因子.本文以AMSR-E土壤湿度产品作为土壤湿度粗分辨率数据,使用MODIS地表温度产品(MYD11A1)和植被指数产品(MYD13A2)计算3种指数——土壤湿度指数(SW)、温度植被干旱指数(TVDI)和条件温度植被指数(VTCI),对比了3种Ts/VI指数分别作为UCLA法降尺度因子的效果.这3种指数均能得出合理的降尺度结果,但使用TVDI和VTCI的降尺度结果稍优于SW,说明TVDI和VTCI更适合作为UCLA法的降尺度因子.最后讨论了UCLA法的误差来源,如粗分辨率土壤湿度产品的测量误差、降尺度因子的计算误差以及UCLA法自身的误差,并对未来的研究做出展望.     

基于地表温度-植被指数关系的地表温度降尺度方法研究

地表温度(Land Surface Temperature, LST)在空间上和时间上均存在很大的差异性。而通过卫星遥感技术来监测地表温度存在着空间分辨率和时间分辨率上的矛盾:空间分辨率高的卫星时间分辨率低,反之亦然。为了解决这个矛盾,首先利用TsHARP (An algorithm for sharpening thermal imagery)温度降尺度方法将LST_MODIS,1km(1km MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)地表温度)图像(2004年9月9日上午)降尺度为LST_MODIS,500m(500m MODIS地表温度)图像。为了对降尺度LST_MODIS,500m图像进行验证,对研究区内同一天(2004年9月9日上午)的ETM图像的第6波段的辐亮度值升尺度到500m后,再利用Sobrino ETM(Enhanced Thematic Mapper)温度反演方法反演得到LST_ETM,500m(500m ETM地表温度)图像,将LST_ETM,500m图像作为当日地表温度的实测值,对降尺度LST_MODIS,500m图像的降尺度效果进行验证。对比结果表明降尺度LST_MODIS,500m图像更加精细刻画LST_MODIS,1km图像在空间上的分布格局;定量对比3种降尺度LST_MODIS,500m和LST_ETM,500m的RMSE分别为0.786、1.002,0.754℃,降尺度结果达到预期效果。     

基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布

森林生物量是陆地生态系统重要的碳库,其大小与空间分布特征直接影响森林的碳汇潜力。基于空间降尺度技术,以中国第六次国家森林资源清查资料为基础,同时结合1∶100万植被分布图及同期的基于MODIS反演的NPP空间分布,定量估算了1 km分辨率下我国森林生物量的空间分布。结果表明:(1)降尺度技术能有效结合遥感数据的空间特征与地面详查资料的统计特征,从而较好地解决当前生物量估算的区域尺度转化问题;(2)我国森林生物量存在明显的空间分布规律,与水热条件的空间分布格局基本一致,表现为西部较低东部较高,大型山脉分布处较高;(3)我国森林生物量总量11.0 Pg,平均生物量74.8 Mg/hm2,其中高值区主要集中在东北大小兴安岭和长白山地区、新疆山区、西南横断山脉地区以及东南武夷山地区。     

山地生态水文过程与降水资源调控研究进展

生态水文学是一个可定义和发展的学科, 是在不同时空尺度和一系列环境条件下探讨生态水文过程。山地的生态格局和水文过程对下游景观有重大的影响。针对山区干旱缺水、水生态退化以及水灾害等一系列生态问题, 从林草地水文生态效应角度, 探讨山地生态水文过程的研究进展, 山地降水资源调控技术措施和山地生态水文过程与降水资源调控的相关关系。结果表明: 植被生态需水量的计算方法包括面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法等, 各种方面在不同区域的适用性不同; 生态水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等, 不同的模型应用领域不一; 降水资源的高效利用措施包括降水资源的就地利用—入渗水利用, 如坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等; 降水资源的叠加利用—径流水利用, 如淤地坝工程和坡面集水造林种草工程等; 以及降水资源的间接利用—蒸发水利用三个方面, 如黑色覆盖技术、砾石覆盖技术和土壤覆盖技术等。以河北太行山区为例, 分析得出造林坡地的径流系数明显低于裸岩坡地。山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术的研究、坡地与流域的降雨径流关系研究等方面应是未来山地生态水文过程的研究重点。     

湿地生态系统服务价值评估的空间尺度转换研究进展

湿地生态系统服务取决于一定空间尺度中的生态系统结构和生态过程,而人类从湿地生态系统获得利益的大小也与其空间尺度有着密切联系。同时,湿地生态系统服务价值评估的空间尺度转换问题也一直是整个湿地生态学研究中的热点和难点之一。在分析湿地生态系统服务空间尺度特征的基础上,提出了湿地生态系统服务价值评估研究中空间尺度转换的概念,即是指通过一个已经有的、与被估算湿地生态系统相似的更大空间范围的或更小空间范围的另一湿地生态系统的价值来估算该湿地生态系统的价值量的过程。介绍了常用的空间尺度转换的方法,主要包括成果参照法和空间模型分析两种方法,成果参照法又包括数值直接外推法和调整函数参照法(Meta分析法)。对目前空间尺度转换研究中存在问题进行总结,并对未来的研究进行了展望。     

生态脆弱性评价与预测研究进展

如何定义和观测生态脆弱性,如何对生态脆弱性进行客观评价和有效预测,对于维持生态系统稳定、实现区域可持续发展有着重要的理论参考价值.本文在分析国内外相关研究进展的基础上,讨论了生态脆弱性的研究方向、研究尺度和研究方法等问题,并对生态脆弱性评价和预测进行了总结.当前生态脆弱性研究中,存在着研究框架不完善,研究方法不统一,以及研究尺度与精度之间难协调等问题.未来生态脆弱性研究应关注:1)进一步增加生态脆弱性研究的广度和深度;2)生态脆弱性研究与其他学科的交叉与融合;3)利用“3S”技术建立更加系统和完善的集脆弱性动态监测、综合评价和趋势预测为一体的生态脆弱性研究体系;4)生态脆弱性应对政策的研究.     

全球变化下的国际水文学研究进展:特点与启示——2011年欧洲地球科学联合会会员大会述评

欧洲地球科学联合会2011年会员大会于4月3-8日在奥地利首都维也纳举行。其中,水文学专场重点讨论了全球变化对陆地表层水文过程的影响。主要包括气候变化下的洪涝灾害与干旱胁迫、冰川融雪、降雨特性、区域水平衡、土壤侵蚀与泥沙搬运、景观进化与水文过程、地下水与溶质迁移、植被动态与水文格局、气候-水-健康、气候和土地利用综合影响下的区域水行为、耦合水与人类经济社会的关键要素、基于公众和利益相关者参与的水资源优化管理等重要科学进展。众多议题凸现了多学科交叉、多区域、跨尺度、系统性以及先进技术设备的广泛应用等几大特点,对于今后应对气候变化和环境变迁所带来的种种挑战具有重要启示。当前和今后的工作中应瞄准与把握以下几个基本原则。(1)进一步加强基础研究、促进学科交融与渗透,以实现方法和理念互补、共同解决复杂生态学问题。(2)重视区域分异、以凸现具体科学问题,实现研究目标、对象、内容和方法的有机统一。(3)重视系统性研究,加强国际合作、共同研发,促进先进技术和研究手段的创新与应用。     

自然生态系统响应气候变化的脆弱性评价研究进展

以气候变暖为标志的全球气候变化已引起各国政府、国际组织和科学工作者的高度重视.气候变化给人类及自然生态系统带来的风险和危害日趋增大.生态系统脆弱性分析和评价是适应和减缓气候变化的关键和基础,已成为近年来气候变化领域和生态学领域的研究热点.目前国内外学者正在不同领域、不同空间尺度上开展响应气候变化的脆弱性评价,其中以自然生态系统为评价对象的脆弱性研究也有了长足的发展.本文通过对脆弱性的概念、气候变化脆弱性评价研究现状、自然生态系统响应气候变化的脆弱性定量评价方法的综述,探讨了该研究领域存在的问题和未来的发展前景.     

蝴蝶对全球气候变化响应的研究综述

全球气候变化以及生物对其响应已引起人们的广泛关注。在众多生物中,蝴蝶被公认为是对全球气候变化最敏感的指示物种之一。已有大量的研究结果表明,蝴蝶类群已经在地理分布范围、生活史特性以及生物多样性变化等方面对全球气候变化作出了响应。根据全球范围内蝴蝶类群对气候变化响应的研究资料,尤其是欧美一些长期监测的研究成果,综述了蝴蝶类群在物种分布格局、物候、繁殖、形态特征变化、种群动态以及物种多样性变化等方面对气候变化的响应特征,认为温度升高和极端天气是导致蝴蝶物种分布格局和种群动态变化的主要因素。在此基础上,展望了我国开展蝴蝶类群对气候变化响应方面研究的未来发展趋势。     

呼伦贝尔沙地45年来气候变化及其对生态环境的影响

采用数理统计和对比分析方法,对近45年呼伦贝尔沙地气象观测资料和草场沙化、退化面积、植被状况等资料进行了分析。结果表明:呼伦贝尔沙地总体气候暖干化趋势显著;气温逐年升高、降水量减少、蒸发量增加和极端气候事件增多,使流动沙地面积不断增加,植被盖度下降。卫星遥感监测和全国沙漠化普查结果进一步表明,呼伦贝尔沙地的沙漠化正在扩展,生态环境正在恶化。逐年减少的大风日数和沙尘暴日数有利于该地区生态的保护与建设。20世纪80年代以来,沙区各级政府加大了对沙化的治理力度,沙地局部植被恢复较快。     

Expected future plague levels in a wildlife host under different scenarios of climate change

We predicted future plague and black-tailed prairie dog dynamics in the North American prairies under different scenarios of climate change. A climate-driven model for the joint dynamic of the host–parasite system was used. Projections for the regional climate were obtained through empirical–statistical downscaling of global climate scenarios generated by an ensemble of global climate models for the recent Fourth Assessment Report by the IPCC. The study shows the uncertainties involved in predicting future regional climate and climate-driven population dynamics, but reveals that unchanged or lower levels of plague, leading to increased black-tailed prairie dog colonies, can be expected. Less plague is particularly expected for scenarios that assume the highest emission of greenhouse gases associated with the greatest projected future warming. Moreover, under high-emission scenarios, decreased probabilities of extremely high numbers of infected colonies are expected, along with decreased probabilities of extremely low total numbers of colonies. The assumed main underlying mechanism is an inhibiting effect of high temperatures on fleas (dispersal vector) and on flea-mediated transmission of the disease-causing bacterium. Our study highlights the importance of using dynamic ecological (here host–parasite) models together with ensembles of climate projections to investigate the responses of populations and parasites to a changed climate.     

呼伦贝尔沙地45年来气候变化及其对生态环境的影响水

采用数理统计和对比分析方法,对近45年呼伦贝尔沙地气象观测资料和草场沙化、退化面积、植被状况等资料进行了分析。结果表明：呼伦贝尔沙地总体气候暖干化趋势显著;气温逐年升高、降水量减少、蒸发量增加和极端气候事件增多,使流动沙地面积不断增加,植被盖度下降。卫星遥感监测和全国沙漠化普查结果进一步表明,呼伦贝尔沙地的沙漠化正在扩展,生态环境正在恶化。逐年减少的大风日数和沙尘暴日数有利于该地区生态的保护与建设。20世纪80年代以来,沙区各级政府加大了对沙化的治理力度,沙地局部植被恢复较快。     

基于区域植被类型评估的气候变化对中国森林生态系统的影响

基于中国知网(CNKI)和学术Google主题词为“气候变化”与“森林”的科技文献,根据全国范围的不同区域植被类型,运用整合分析方法就气候变化对森林生态系统的影响进行了系统评估,结果表明:在观测到的影响中,各个区域植被类型的树木物候、森林生产力与森林火灾方面的影响趋势大体相同,但森林地理分布影响趋势存在一定的差异;在预计的可能影响中,各个区域植被类型的树木物候、森林生产力、森林碳储量、森林火灾方面的影响趋势大体相同,但森林地理分布、森林结构方面的影响存在一定的差异.最后对现有研究的不足及未来研究方向等进行了讨论和展望.     

气候变化影响与风险研究的理论范式和方法体系

以全球变暖为主的气候变化将会在本世纪持续,针对气候变化影响与风险而采取适应和减缓措施,得到了国际社会的广泛认同。然而,气候变化影响与风险研究领域理论和方法并不规范,研究结果缺乏可比性。基于科学哲学家库恩提出的理论范式和构造范式概念,梳理、集成气候变化影响与风险研究的"脆弱性-要素分离-不确定性-风险"理论框架,总结相应的方法体系包括实地观测与科学实验、数值模型和统计方法、风险定量化评估框架等。气候变化影响与风险研究应遵循理论范式"四要素"的逻辑关系,综合运用多种分析方法,力求相关研究的整体性和系统化,以利增强气候变化影响与风险研究的科学性及其成果的应用指导意义。     

中温型和暖温型草原五种植物构件生长与水热组合关系研究

在暖温型和中温型草原对大针茅(Stipa grandis)、羊草(Leymus chinensis)、糙隐子草(Cleistogeness quorrosa)、达乌里胡枝子(Lespedeza dahurica)和阿尔泰狗哇花(Heteropappus altaicus)5个共有植物种群的构件生长特征进行了比较研究,并应用种群统计的生长分析指标与研究站点的月平均温度、降水量和湿润度进行了灰色关联分析.结果表明,中温型草原各共有种的相对生长速率(DRGR &DRGRa)和单位叶速率(DULA)均高于暖温型草原,显示出对中温型草原生长季短、热量条件不足的生态适应特征;而暖温型草原则以较长的叶面积及构件持续时间适应该草原区生长季长、热量较为充足的气候条件.暖温型草原各共有种的构件生长指标与湿润度之间的灰色关联度普遍高于中温型草原,即暖温型草原植物的构件生长对生长季内的水热组合更为敏感,显示出不同热量型草原区植物构件生长的响应特征.     

Ecological implications of climate change will include surprises

In addition to assessing the impacts of CO₂ doubling on environment and society, more consideration is needed to estimate extreme events or surprises. This is particularly important at the intersection of disciplines like climate and ecology because the potential for large discontinuities is high given all the possible climate/biota interactions. The vast disparities in scales encountered by those working in traditional ecology (typically 20 m) and climatology (typically 200 km) make diagnoses of such interactions difficult, but these can be addressed by an emerging research paradigm we call strategic cyclical scaling (SCS). The need to anticipate outlier events and assign them subjective probabilities suggests emphasis on interdisciplinary research associations. The desire to reduce societal vulnerability to such events suggests the need to build adaptive management and diverse economic activities into social organizations. The effectiveness of adaptation responses to anticipated climatic changes is complicated when consideration of transient changes, regional disturbances, large unforseeable natural fluctuations and surprises are considered. Slowing down the rate of disturbances and decreasing vulnerability are advocated as the most prudent responses to the prospect of human-induced climatic changes.