双集合卡尔曼滤波LAI同化结合BEPS模型的竹林生态系统碳通量模拟

叶面积指数(LAI)是森林生态系统碳循环研究的重要观测数据,也是驱动森林生态系统模型模拟碳循环的重要参数.本文以毛竹林和雷竹林为研究对象,首先利用双集合卡尔曼滤波,同化两种竹林生态系统观测站点2014—2015年MODIS LAI时间序列数据,然后将同化的高质量毛竹LAI和雷竹LAI作为输入数据驱动BEPS模型,模拟两种竹林生态系统总初级生产力(GPP)、净生态系统碳交换量(NEE)和总生态系统呼吸(TER)等碳循环数据,并用通量站实际观测值评价模拟结果;另外,还对比不同质量LAI对碳循环模拟的影响.结果表明: 双集合卡尔曼滤波同化得到的毛竹林和雷竹林LAI与实测LAI之间的相关关系极为显著,R²分别为0.81和0.91,且均方根误差和绝对偏差均较小,极大地提高了MODIS LAI的产品精度;在同化得到的LAI驱动下,BEPS模型模拟的毛竹林GPP、NEE和TER与实际观测值之间的R²分别为0.66、0.47和0.64,雷竹林分别为0.66、0.45和0.73,模拟结果均好于三次样条帽盖算法平滑LAI模拟得到的GPP、NEE和TER,其中,毛竹林、雷竹林NEE的模拟精度提高幅度最大,分别为11.2%和11.8%.     

基于Biome-BGC模型和集合卡尔曼滤波方法的阔叶红松林生态系统水碳通量模拟

数据同化为模型与遥感观测结合提供了一条有效的途径,通过在模型运行过程中融入遥感观测数据,调整模型运行轨迹从而降低模型误差,提高模拟精度。本文利用集合卡尔曼滤波(En KF)算法同化生长季中分辨率成像光谱仪(MODIS)叶面积指数(LAI)与Biome-BGC模型模拟的LAI模拟长白山阔叶红松林的水碳通量。同时,通过改进模拟的雪面升华与土壤温度计算方法的参数,旨在降低冬季生态呼吸的模拟误差。结果表明,相对于原始模型,数据同化与模型改进后使得生态系统总初级生产力(GPP)的模拟值与观测值之间的相关系数提高0.06,中心化均方根误差(RMSE)降低0.48 g C·m~(-2)·d~(-1);生态系统呼吸(RE)的相关系数提高0.02,中心化均方根误差降低0.20 g C·m~(-2)·d~(-1);净生态系统碳交换量(NEE)相关系数提高0.35,中心化均方根误差降低0.50 g C·m~(-2)·d~(-1)。同时,数据同化对蒸散发(ET)的模拟精度没有显著影响,改进的模型提高了其相关系数。基于En KF算法的数据同化提高了长白山阔叶红松林碳通量模拟精度,对于精确估算区域碳通量有着重要的意义。     

改进Biome-BGC模型模拟哈佛森林地区水、碳通量

Biome-BGC模型通过耦合植被、土壤与大气间的水分与CO2交换过程,实现植被生产力的模拟,但土壤水平衡模块的不够完善,导致在长时间无降水情况下植被生产力模拟存在较大误差.针对这一问题,本文对Biome-BGC模型中土壤水分胁迫气孔导度方程、蒸散计算公式及土壤水分流失过程等3方面进行了改进和调整,利用改进的Biome-BGC模型模拟美国哈佛森林地区蒸散、植被生产力,并与地面通量观测值进行了比较.结果表明,改进后模拟精度有明显的提高,蒸散、植被生态系统生产力(NEE)与观测值间的决定系数分别由0.483和0.658提高到0.617和O.813,蒸散逐年均方根误差平均下降了48.7％,NEE逐年误差平方和平均下降了39.8％.改进后的模型模拟结果更接近观测值.     

基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明：与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R²)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R²平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000-2004年MODIS LAI 产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R²分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和 RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和 RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.     

利用亚像元尺度信息改进区域冬小麦生长的模拟

为了探寻遥感观测面尺度与作物模型模拟点尺度不匹配问题的解决方案并改善区域作物生长模拟精度,以河南省鹤壁市为研究区,以冬小麦为研究对象,基于MODIS、Landsat 8遥感数据和Wheat SM作物生长模型,通过MODIS LAI过程线重建、亚像元尺度信息提取、集合卡尔曼滤波同化等方法,进行了冬小麦生长模拟的研究。结果表明:通过MODIS LAI过程线重建并提取亚像元尺度信息,冬小麦纯度在80%以上的遥感反演LAI与冬小麦两个关键生育期实测冠层LAI的均方根误差(RMSE)为0.69,以最近邻域法赋值到整个模拟区域,研究区2013—2017年模拟总产和实际总产相比的RMSE在未同化遥感反演的LAI信息时为6.73×108kg,同化未利用亚像元尺度信息调整的遥感估算LAI时,RMSE上升到8.24×108kg,同化利用亚像元尺度信息分区赋值的遥感LAI时,RMSE下降到3.48×108kg。利用亚像元尺度信息生成与作物模型时空尺度匹配的格点化LAI遥感产品,可提高作物生长模型区域化应用的精度。     

生态模型在农田蒸散及土壤水分模拟中的适用性评价

为评价生态模型在农田蒸散及土壤水分运动模拟中的适用性,利用2013—2015年南京农业气象测站观测数据,评估了BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模拟冬小麦农田生态系统逐日蒸散及与土壤水分动态的可靠性,并进一步开展了植被冠层蒸腾和农田土壤蒸发分离。模拟结果表明:BEPS适用于研究冬小麦农田蒸散量及土壤水分运动规律;由于考虑了叶片聚集指数和冬小麦根系垂直分布递减系数随生育期变动的参数化改进,BEPS分别可以解释2013—2014年和2014—2015年两个生长季农田生态系统蒸渗仪实测蒸散量变化的83%和74%,参数化改进前后模型效率ME相当(前:0.8,后0.74),标准差RMSE(前:1.50,后1.05),平均偏差MBE(前:0.5,后0.35),误差减小;两个生长季中,土壤蒸发占冠层上方总蒸散的比例随生育进程而变化,全生育期发散比平均值分别为34%和29%;BEPS模拟的0~40 cm土层深度土壤水分随时间变化趋势与实测值基本一致,可以解释78%以上的土壤水分实测值变化,并能快速地响应降水变化。本研究表明,生态模型可以用于模拟冬小麦农田蒸散和土壤水分变化,并有助于厘定农田冠层中难以区分的植被蒸腾和土壤蒸发的比例关系,可为进一步开展气候变化背景下的区域蒸散发评估及与之相联系的农田节水管理奠定基础。     

基于集合卡尔曼滤波的南雄烟草LAI数据同化研究

叶面积指数(LAI)是表征烟草生长健康状态的重要指标之一,获取准确的LAI数据是监测烟草生长走势的重要步骤。以广东省南雄地区为试验区开展了集合卡尔曼滤波同化方法在烟草LAI的应用研究。通过野外实测得到南雄烟草生长期内的高光谱数据,并计算每个生长期的归一化植被指数(NDVI),依据NDVI值获得LAI测量数据;通过积温数据和实测LAI数据构建了符合南雄地区烟草LAI变化规律的LOGISTIC模型;并以LAI为研究变量,利用集合卡尔曼滤波数据同化技术融合NDVI数据计算得到的LAI和简化LOGSITIC模型拟合得到的LAI这两种不同的数据信息,获取实验区烟草生长期时间序列上的连续LAI数据。最后,进一步对比了数据同化方法、NDVI计算LAI方法和LOGISTIC模型拟合这3种方法获取烟草LAI的效果。结果显示:数据同化方法、NDVI计算LAI方法和LOGISTIC模型拟合3种方法均可一定程度上表征烟草LAI的变化状态,其中数据同化方法拟合效果最优。实验发现NDVI计算LAI方法在烟草生长前后期LAI值出现偏大或偏小的异常情况;LOGISTIC模型拟合则不能有效的描述烟草LAI的突发性变化;同化方法综合作物生长模型和遥感监测的优势,能够动态调节参数得到LAI优化结果,同化后LAI结果和真实值吻合,变化曲线更符合烟草的实际生长状况。     

HYDRUS-1D模型模拟渭北旱塬深剖面土壤水分的适用性

黄土高原生态恢复过程中,深剖面土壤水分平衡状况发生了重要变化,但传统观测方法难以量化深层渗漏等水文变量,需要借助模型进行分析.本研究利用HYDRUS-1D模型,模拟渭北旱塬长武塬农地和苹果园10 m深剖面土壤水分的垂直分布和时间变化,评价模型的适用性.基于2011年9月—2013年10月观测的土壤水分数据,通过优化土壤水力参数,模拟深剖面土壤水分空间和时间的离散化过程.结果表明: 校准期和验证期,HYDRUS-1D模型的决定系数在0.65～0.85、模型效率系数在0.55～0.83、土壤水分的均方根误差在0.01～0.02 cm³·cm^-3.实测与模拟土壤水分的剖面分布和时间变化状况具有很好的一致性,表明HYDRUS-1D可以用于模拟渭北旱塬深剖面的土壤水文状况.     

植被界面过程(VIP)模型的改进与验证

为了提高植被界面过程(VIP)模型的预报能力,对VIP模型的一些参数化方案进行了更新,包括基于相对生育期的根深动态、根系分布密度和比叶面积季节变化,使模型能从机理上更合理地描述作物同化物分配及土壤水分运动。将改进后的模型应用于河北栾城冬小麦生长季的叶面积指数、生物量和土壤水分模拟,并与相应时期的试验资料对比验证。结果表明,改进后的VIP模型对土壤水分动态和冬小麦叶面积指数的模拟效果更好,模型各状态变量模拟值与观测值的均方根误差和相关系数都得到明显提高。     

NEE观测误差分布类型对陆地生态系统机理模型参数估计的影响——以长白山温带阔叶红松林为例

基于观测数据的陆地生态系统模型参数估计有助于提高模型的模拟和预测能力,降低模拟不确定性.在已有参数估计研究中,涡度相关技术测定的净生态系统碳交换量(NEE)数据的随机误差通常被假设为服从零均值的正态分布.然而近年来已有研究表明NEE数据的随机误差更服从双指数分布.为探讨NEE观测误差分布类型的不同选择对陆地生态系统机理模型参数估计以及碳通量模拟结果造成的差异,以长白山温带阔叶红松林为研究区域,采用马尔可夫链-蒙特卡罗方法,利用2003～2005年测定的NEE数据对陆地生态系统机理模型CEVSA2的敏感参数进行估计,对比分析了两种误差分布类型(正态分布和双指数分布)的参数估计结果以及碳通量模拟的差异.结果表明,基于正态观测误差模拟的总初级生产力和生态系统呼吸的年总量分别比基于双指数观测误差的模拟结果高61～86 g C m-2 a-1和107～116 g C m-2 a-1,导致前者模拟的NEE年总量较后者低29～47 g C m-2 a-1,特别在生长旺季期间有明显低估.在参数估计研究中,不能忽略观测误差的分布类型以及相应的目标函数的选择,它们的不合理设置可能对参数估计以及模拟结果产生较大影响.     

卫星土壤水分产品在青藏高原地区的适用性评价

为了分析土壤水分产品在青藏高原地区的可靠性和适用性,利用青藏高原地区地下5 cm深度的地面实测土壤水分数据,结合多种评价指标(相关系数R、均方根误差RMSE、偏差Bias和无偏均方根误差ubRMSE)对土壤水分主动-被动探测卫星(SMAP)、高级微波扫描辐射计2(AMSR2)、风云三号(FY-3B)土壤水分产品,从时间和空间两个方面进行了适用性研究。结果表明:(1)土壤水分产品均能反映青藏高原的土壤水分变化,在降水较多的季节,三种产品精度均有不同程度的下降。(2)土壤水分产品在夏季和秋季反演效果好于冬季和春季,并且在秋季与实测值更接近。其中,SMAP产品在各个区域都能反映土壤水分的季节变化趋势,并普遍在夏季高估、冬季低估;AMSR2产品在夏季低估,冬季明显高估;FY-3B产品在夏季普遍低估。(3)土壤水分产品在那曲和狮泉河地区反演结果较好,在那曲地区与实测值相关性最高;在玛曲地区表现出较大的不确定性,虽然相关系数较高,但RMSE和Bias同样较高,整体精度较差;SMAP产品在阿里地区满足目标精度。综合来看,SMAP产品在青藏高原地区反演结果较为稳定,受气候和环境的影响较小,具有相对较大...     

干旱区沙枣-芨芨草群落土壤有机碳的空间格局

对宁夏干旱区的沙枣 芨芨草群落进行调查,分析土壤有机碳含量与地下生物量、土壤水分等因子的关系,以及土壤有机碳的积累机制.结果表明: 在沙枣-芨芨草群落中,随着土层深度的增加,土壤有机碳含量逐渐减少,且在水平和垂直方向上的变化格局较为平缓.不同区位土壤有机碳含量与其影响因子的相关性具有明显差异.0～30 cm层中,土壤有机碳含量与土壤含水量呈显著负相关;60～150 cm层中,土壤有机碳含量与根系生物量及土壤含水率呈显著正相关.经偏回归分析,0～30 cm层土壤中芨芨草根系生物量密度对土壤有机碳含量具有显著贡献;60～150 cm层中土壤有机碳格局主要受沙枣根系和土壤含水率的影响;而30～60 cm层土壤有机碳含量与根系生物量密度和土壤含水率的关系不显著.在沙枣 芨芨草群落内,不同层次、不同区位的土壤有机碳积累机制具有明显的差异.     

Root foraging in response to heterogeneous soil moisture in two grapevines that differ in potential growth rate

* Linkages between plant growth rate and root responses to soil moisture heterogeneity were investigated. * Root dynamics were studied using genetically identical shoots (Vitis vinifera cv. Merlot) with genetically distinct root systems that promote higher (HSV) and lower (LSV) shoot growth rates (1103P and 101-14 Mgt, respectively). Three quantities of irrigation replenished different amounts of evapotranspiration (0, 40 and 100%ET(c)) in a California vineyard. * Roots of HSV vines exhibited more plasticity, as indicated by greater preferential growth in irrigated soil during the summer, and a larger shift in root diameter with a change in soil moisture than LSV vines. Higher tolerance of low soil moisture was not observed in LSV roots--root survivorship was similar for the two rootstocks. LSV vines produced a large fraction of its roots during the winter months and increased root density over the study, while HSV vines produced roots mainly in summer and only exhibited a high initial peak in root biomass in the first year. * These results demonstrated that a plant of higher vigor has greater morphological plasticity in response to lateral heterogeneity in soil moisture but similar tolerance to moisture stress as indicated by root survivorship in dry soil.     

Quantifying the effect of soil moisture content on segmenting root system architecture in X-ray computed tomography images

Aims

A commonly accepted challenge when visualising plant roots in X-ray micro Computed Tomography (μCT) images is the similar X-ray attenuation of plant roots and soil phases. Soil moisture content remains a recognised, yet currently uncharacterised source of segmentation error. This work sought to quantify the effect of soil moisture content on the ability to segment roots from soil in μCT images.

Methods

Rice (Oryza sativa) plants grown in contrasting soils (loamy sand and clay loam) were μCT scanned daily for nine days whilst drying from saturation. Root volumes were segmented from μCT images and compared with volumes derived by root washing.

Results

At saturation the overlapping attenuation values of root material, water-filled soil pores and soil organic matter significantly hindered segmentation. However, in dry soil (ca. six days of drying post-saturation) the air-filled pores increased image noise adjacent to roots and impeded accurate visualisation of root material. The root volume was most accurately segmented at field capacity.

Conclusions

Root volumes can be accurately segmented from μCT images of undisturbed soil without compromising the growth requirements of the plant providing soil moisture content is kept at field capacity. We propose all future studies in this area should consider the error associated with scanning at different soil moisture contents.     

松嫩平原沙土区不同植被类型对土壤相关指标的影响

松嫩平原沙土区严重退化,不同植被对土壤影响的数据有助生态恢复,但相关数据匮乏严重。本研究以松嫩平原核心区新店林场的农田、草地、杨树林、落叶松林、樟子松林和榆树林等6种植被为研究对象,采集三层（0~20、20~40和40~60 cm）土样,测定土壤理化指标（容重、土壤含水量、土壤pH、土壤电导率、有机碳、碱解氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾）及根系密度、根系含水量。结果如下：6种植被在整个土壤剖面上显著影响了13个指标中的8个指标（根系密度、容重、土壤含水量、土壤pH、土壤电导率、全氮、根系含水量、有机碳）,其中根系密度植被间差异在不同土层显著不同(交互作用,P<0.05),而其它7个指标在不同土层的种间差异基本一致（交互作用,P>0.05）。与林地和农田相比,草地具有最大的根系生物量,达到农田的1.8倍,是4种林分平均值的1.4倍。容重、土壤含水量、pH、土壤电导率值均草地最高,林地最小。土壤有机碳的累积受根系密度和容重影响明显,土壤氮除了受上述两个因素影响外,还受土壤含水量的影响。上述结果说明草地对于表层土壤生物固着明显,而人工造林能够改善土壤物理性质、降低盐碱但增加耗水,这些结果对于西部沙土区通过植被恢复来实现土壤修复提供数据支撑。     

干旱区膜下滴灌条件下土壤深层水对棉花根系生长、分布及产量的影响

在土柱栽培条件下研究膜下滴灌土壤深层水对棉花根系生长的影响及与植株地上部生长的关系,设置土壤(60～120 cm)有深层水和无深层水2个处理,每处理设2个生育期间灌溉处理,分别为田间持水量70%和55%.结果表明：棉花总根质量密度、40～120 cm土层根长密度、根系活力等与地上部干质量间均具有显著的相关关系.生育期间耕层70%田间持水量条件下,土壤有深层水处理的总根质量密度与无深层水处理无明显差异,但40～120 cm土层的根长密度增加,根系活力增强,提高了土壤贮备水消耗量,增加了地上部干质量,最终获得较高的经济产量及水分利用效率.土壤有深层水条件下,生育期间耕层55%田间持水量处理的根冠比较大,40～120 cm土层根长密度和80～120 cm土层根系活力相对较高,土壤贮备水消耗量大幅提高,但仍无法弥补生育期间水分亏缺对根系及地上部生物量造成的负面影响,导致经济产量显著低于70%田间持水量处理.综上,充足的土壤深层水配合生育期间耕层65%～75%田间持水量,可促进棉花根系向下生长,有利于实现膜下滴灌棉花节水高产高效生产.     

山西太岳山小流域土壤水分空间异质性及其影响因子

以山西太岳山华北落叶松林地为主的小流域作为研究对象,采用地统计学方法结合地理信息系统(GIS)技术手段,研究了接石沟小流域土壤水分(0—60cm)的空间变异特征,以及植被分布和地形因子对其影响规律。结果表明:在时间稳定性的前提下,土壤水分含量和变异系数随土层加深逐渐降低。三层土壤水分半方差函数的最优拟合模型为球状模型,变程范围在1.1—1.4 km,均具有强烈的空间自相关性,其中0—20 cm和20—40 cm层土壤水分的空间异质性程度高于40—60 cm土层,以中间层的结构因素占总变异比例最大。自然结构因素(地形、母质、植被和土壤等)对不同土层土壤水分的总空间变异性起主导作用(81.4%—91.3%),而随机因素(取样误差、人为干扰等)的影响相对较小(8.7%—18.6%)。沿着集水线由西-东方向,从边缘的土壤水分高值斑块区逐渐过渡到明显的低值斑块区,梯度变化明显。研究发现,在植被覆盖异质性小的山地,土壤水分的空间异质性主要由地形因素引起,具体表现为其与坡向指数(TRASP)、坡度、海拔和土壤有机碳、全氮呈极显著相关关系(P0.01),而与植被指数(NDVI)呈弱的负相关关系。叠加分析显示,在阴坡、坡度较缓(15°)及高海拔叠合的区域土壤水分含量较高。研究结果可为山地人工林构建和植被恢复中土壤水资源的利用以及水分管理策略的制定提供理论依据。     

Seasonal changes of fine root density in the Southern Californian chaparral

Summary Fine root extractions from soil cores of a south facing slope in the Southern Californian chaparral were used to study the dynamics of feeder root growth in a summer-dry area. The studies were concentrated on the root systems of Adenostoma fasciculatum, Arctostaphylos glauca, Ceanothus greggii, and Rhus ovata. The total fine root biomass of Adenostoma fasciculatum increased from 0.6 g dm^-3 in early spring to 3.6 g dm^-3 in late summer. Considering the specific soil conditions at this site and earlier gained information on fine root distribution with depth, the value of 3.6 g dm^-3 converts to 1.58 kg m^-2 of ground shaded by the shrub canopy. The observed seasonal biomass increase is mainly due to the accumulation of dead root material in the soil when low soil moisture contents presumably inhibited decomposition processes. The total length of living fine roots also increased during the season, e.g. from 0.8 m dm^-3 to more than 5 m dm^-3 (0.35 km m^-2 to 2.2 km m^-2) in A. fasciculatum. Unusual summer rains in the research year stimulated vigorous fine root growth at a time when the normally low soil moisture would prohibit further fine root growth. The average fine root diameters and total lengths of fine roots beneath one square meter of ground surface allowed an estimate of root area indices (RAI) analogous to the leaf area indices (LAI). The data provide evidence for a significant fine root turnover in the chaparral.     

黄土高原半干旱偏旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应模拟

采用实地调查和EPIC模型相结合的方法,模拟研究了黄土高原半干旱偏旱区不同草粮轮作模式的土壤水分恢复效应.结果表明：多年生苜蓿地和苜蓿翻耕后种植粮食作物农田0～10 m土层土壤湿度调查值与模拟值间的相关系数均超过0.9（P<0.01）,相对均方根误差在0.05～0.16,相对误差均低于10%;模拟与实测的土壤湿度剖面分布变化趋势一致.在黄土高原半干旱偏旱区,苜蓿地深层土壤干层恢复难度较大,在种植苜蓿期间应避免8～10 m土层土壤湿度降到5.7%以下.苜蓿地适宜种植年限为4～6 a,最长不应超过8 a.苜蓿翻耕后适宜采用马铃薯→马铃薯→春小麦轮作模式进行土壤水分恢复,32～33 a后可以再次种植苜蓿.     

干旱胁迫下尖果沙枣幼苗的根系活力和光合特性

以尖果沙枣1年生实生苗为材料,研究了自然干旱时不同土壤相对含水量对幼苗叶片细胞质膜相对透性、叶片相对含水量、根系活力、光合色素含量和光合参数等指标的影响.结果表明:土壤相对含水量从70%(CK)降到40%时,幼苗根系活力和净光合速率均逐渐上升并达到最大值,分别为1178μg.g-1.h-1和21.9μmol.m-2.s-1;光合色素含量稳步上升;蒸腾速率和水分利用效率均保持稳定;叶片细胞质膜相对透性保持较低水平.土壤相对含水量从40%降到20%时,幼苗叶片相对含水量仍在50%以上,叶片细胞质膜相对透性仍保持较低水平;根系活力和光合色素含量仍较高;但其他光合参数开始缓慢下降.土壤相对含水量从10%降到5%时,幼苗叶片细胞质膜相对透性急剧上升;叶片相对含水量、根系活力、总叶绿素含量、光合参数均极显著下降;而土壤相对含水量为10%时幼苗表现出最高的水分利用效率.尖果沙枣土壤相对含水量最好控制在40%~50%,其1年生实生苗的永久萎蔫系数为4.3%(土壤相对含水量).