西北干旱区植被净初级生产力年际变化及其时空和气候因子的贡献——以河西走廊为例

干旱半干旱区主导着全球植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)的年际变化(inter-annual variability,IAV),但该区域NPP-IAV及其驱动机制并不清楚.本文以河西走廊为研究区,使用CASA模型估算2002-2017年的NPP,基于距平通量公式计算了该地区NP...     

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。     

长白山自然保护区总初级生产力时空变化特征及其影响因素

长白山自然保护区是典型的温带原始森林生态系统,其植被总初级生产力(GPP)与地形和气候变化密切相关,开展长白山自然保护区GPP的时空变化特征以及影响因子研究,对于了解植被生长状况和生态环境质量具有重要意义。本研究采用光能利用率模型(VPM)对长白山自然保护区GPP进行估算,并分析坡度、海拔、气温、降水、总辐射对其的影响。结果表明：2000—2020年,长白山自然保护区GPP多年平均值为63～1706 g C·m^-2·a^-1,GPP随海拔的增加而减小。气温是影响长白山自然保护区植被GPP空间分布差异的主要因素,其与GPP之间存在显著正相关性。研究期间,长白山自然保护区年GPP整体呈极显著增加趋势,年均增加值为13 g C·m^-2·a^-1。年GPP增加的区域占总区域的79.9%,且各植物功能型年GPP增加面积的比例存在差异。年降水与长白山自然保护区43.2%区域的GPP呈显著负相关,而年均温和年总辐射分别与长白山自然保护区47.2%和82.4%区域的GPP呈显著正相关。在未来全球气候变暖的背景下,长白山...     

2000-2020年祁连山植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

植被净初级生产力(NPP)是评价植被生长的重要参数,也是评估陆地生态系统质量与功能的重要指标。基于MODIS NPP、数字高程模型(DEM)、气象水文及人类活动数据,采用空间分析、趋势分析,分别从像元尺度和县域尺度识别了2000-2020年以来祁连山NPP时空变化特征,采用偏相关分析研究了NPP对年均温和年降水的响应,并借助地理探测器模型揭示了NPP变化的驱动因素,最后采用Hurst指数预测了NPP未来变化趋势。结果表明:2000-2020年祁连山平均NPP呈波动增加趋势,年均增加2.38 g C/m²,其中栽培植被和阔叶林增长最为明显。近20年,像元尺度上有75.37%的区域NPP增加,主要位于东南部;县域尺度上,古浪、平安、化隆和永登县NPP增速较快,而祁连、海西、德令哈和门源县增速较慢。祁连山NPP空间分布具有明显的集聚性,高值集聚区主要位于东南部,而低值集聚区主要位于西北部。年均温和降水量的增加均促进了NPP的增加,但不同区域NPP对气温和降水的响应有明显差异。降水量、饱和水气压差和蒸散发是NPP变化的主要驱动因子,驱动因子之间对植被NPP变化存在交互作用,分为双因子增强和非线性增强效应。未来祁连山NPP变化以增加非持续性为主,说明植被变化面临较大不确定性。研究结果有助于揭示全球气候变化背景下区域植被NPP对气候变化及人类活动的非线性响应机制,亦可为祁连山生态保护与可持续发展提供理论依据。     

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>...     

黄土高原生态系统年总初级生产力响应干旱的时空动态

黄土高原生态系统是一个巨大的有机碳汇潜力库,也是响应气候变化敏感的生态脆弱区。水资源供需不平衡引发的不同干旱严重威胁了区域生态系统碳汇功能。不同类型干旱对黄土高原生态系统年总初级生产力(AGPP)影响的解析仍然不足。采用黄土高原定位观测站点的AGPP数据、遥感估算的AGPP(2004-2020年)和气候要素数据集,解析了黄土高原生态系统AGPP时空动态变化,探讨了干燥度指数(AI)、大气饱和水汽压差(VPD)和土壤水分(SM)的时空动态格局及其与AGPP年际变异的响应模式。结果表明:近20年AGPP总体增加了38.30%,主要植被恢复区的AGPP增加了56.45%,并且呈现出AGPP均值越大的区域增加速率越快的空间分异规律;SM和AI具有显著的增加趋势,VPD不具有显著的趋势性变化;AGPP与SM和AI的年际变异具有显著的线性正相关关系,而与VPD年际变异的相关性不显著。AGPP与SM、AI和VPD的年际动态响应关系表明,在主要植被恢复区和整体区域水文和气象干旱主导了区域生态系统AGPP的年际变异,而大气干旱的影响不明显。研究结果将为区域生态环境建设和提升生态碳汇功能提供科学依据。     

2001—2018年中国总初级生产力时空变化的遥感研究

总初级生产力（GPP）是绿色植被吸收大气中CO₂进行光合作用生产的有机质,是陆地生态系统碳循环研究的一个关键参数。利用遥感数据和气象数据驱动的双叶光能利用率DTEC模型计算了2001-2018年中国逐月GPP,并结合日光诱导叶绿素荧光（SIF）反演的GOSIF GPP数据集,分析了中国陆地生态系统2001-2018年GPP的时空变化特征。结果表明：（1） GOSIF和DTEC模拟的中国多年GPP平均值分别为7.23 Pg C和6.93 Pg C,在空间分布上呈现东南部高西北部低的特征;（2）2001-2018年,中国GPP呈显著增长（P<0.01）,年增长幅度分别为0.094 PgC/a （GOSIF）和0.073 PgC/a （DTEC）。而已有研究估计的中国GPP年增长幅度约为0.02-0.057 PgC/a,低估了GPP增长趋势。（3）在中国通量网6个通量站的GPP验证表明,两种模型精度高、表现好,都能较好地模拟观测站的GPP季节变化。（4） GOSIF GPP的精度优于DTEC GPP模型,这可能是由于SIF与GPP存在直接机理联系。GOSIF GPP算法能客观地反映植被生产力状况,而DTEC模型更适合自然条件下植被生产力的模拟。     

2000—2015年秦巴山区植被净初级生产力时空变化及其驱动因子

基于2000—2015年MOD17A3数据及各驱动因素数据,辅以地统计学理论,利用趋势分析、Hurst指数及相关分析等方法,剖析秦巴山区近16年植被净初级生产力(NPP)时空变化特征,研究气候变化、土壤类型、地形因子、植被类型及人类活动等对植被NPP的影响.结果表明: 秦巴山区植被NPP空间上呈西南高、东北低的分布格局;时间上,近16年呈西北增、东北减的变化特征,在未来呈北部持续性、南部反持续性的发展态势.秦巴山区植被NPP与降雨量和气温呈正相关;暗棕壤、黄壤、紫色土和水稻土4种土壤类型的NPP均值明显高于其他土壤类型;不同植被类型的NPP存在空间分布和变化趋势的差异;NPP的高值主要分布在坡度25°～50°、海拔500～1000 m 以及大于2500 m的区域内;人类活动对NPP具有双重扰动性,表现为正向促进,反向抑制.     

北部湾南流江流域植被净初级生产力时空分布及其驱动因素

分析北部湾南流江流域净初级生产力时空动态变化特征及其驱动机制,为该区域生态环境保护及应对气候变化提供科学依据。基于光能利用率模型（CASA）,利用遥感数据、气象数据和植被类型数据估算了研究区2000-2015年流域的净初级生产力（NPP）,借助于Theil-Sen趋势、Mann-Kendall检验以及Hurst指数等数理统计方法对研究区NPP的时空变化特征、未来趋势及其驱动因素进行了定量化分析。结果表明：①时间尺度上,流域NPP总体上呈现出波动上升趋势,增速为44.03 g C m^-2（10 a）^-1,快于广西自治区,上游和下游地区NPP快于全区,而中游地区慢于全区;②空间尺度上,流域NPP的分布规律表现出明显的地域分异,中游最高（1098.99 g C/m²）,下游次之（1041.71 g C/m²）,而上游最小（1013.22 g C/m²）。NPP的Sen趋势度介于-77.10-74.80 g C m^-2 a^-1之间,在空间上呈现出增加的趋势。③空间波动性上,流域NPP的变异系数较大,其值介于0.01-0.71,其中洪潮江水库、小江水库周边以及玉林市的城乡建设用地扩张区域处于高波动状态,而流域中部的六万大山以及五皇山地带则处于低波动状态;④未来变化趋势上,流域NPP的Hurst指数范围介于0-0.99之间,平均值为0.70,呈现单峰右偏分布,预示着流域NPP未来处于持续性增加的趋势;⑤驱动机制上,流域NPP与多年平均气温呈正相关关系,与年均降水量呈负相关关系,气温是该流域植被NPP的主控因子。由耕地转化为建设用地所导致的NPP损失值最大,其值达到4715.62 t/a,而草地转换为建设用地导致NPP损失值最小,其值仅为184.63 t/a。     

不同数据集的1982—2017年中国总初级生产力的时空动态

了解陆地生态系统总初级生产力(GPP)时空变化及其与气候因子的关系,可以为植被恢复及保护提供重要依据。基于气象数据和3套公开的GPP数据集(EC-LUE GPP、GLASS GPP和NIRv GPP),本研究系统分析了中国1982—2017年GPP的时空变化特征及其对气候变化的响应。结果表明: 3套GPP数据均表明,1982—2017年,中国年和季节的GPP呈逐年上升趋势,1998和2002年明显高于研究期间的平均水平,1989和1992年明显低于多年平均GPP。1982—2017年,中国大部分地区GPP呈显著上升趋势,3套GPP数据显著增加的区域分别占整个研究区的75.7%、73.0%和69.6%。年GPP与降水和温度均存在显著正相关关系,但空间异质性较强。其中GPP与温度呈正相关的区域主要分布在西北和华中地区,GPP与降水呈正相关的区域主要分布在华北地区。不同季节的GPP受气温、降水影响的区域存在明显的时空异质性。温度是春、秋和冬季GPP的限制因子,而夏季GPP主要受降水影响。     

利用叶片荧光参数估算油蒿灌丛群落生态系统生产力

生态系统生产力（GEP）在全球碳循环中具有重要意义,但其准确估算仍然是一个挑战。近年来,叶绿素荧光和冠层GEP的关联成为生态学的研究热点,关系尚不清楚且存在广泛争议。于2015年对宁夏盐池毛乌素沙地荒漠灌木油蒿（Artemisia ordosica）灌丛生态系统碳交换（NEE）特征进行连续观测,使用多通道荧光监测仪对通量贡献区内油蒿叶片的实时荧光（F_s）和光下荧光（F_m''）进行原位连续监测,叶面积指数（LAI）、归一化植被指数（NDVI）以及环境因子同步观测。利用光合有效辐射（PAR）、LAI和实际光化学效率（Φ_PSII）等参数构建基于叶绿素荧光的生态系统生产力（GEP_ChlF）模型,探究叶片和冠层尺度不同参数对环境因子波动的响应,比较分析GEP_ChlF和基于涡度相关法监测生态系统生产力（GEP_EC）相关性及GEP_ChlF的适用性。研究发现,Φ_PSII和NEE日变化规律一致,Φ_PSII、GEP_ChlF和GEP_EC由PAR控制,受空气温度（T_a）和饱和水汽压差（VPD）调控,土壤含水量（SWC）和Φ_PSII呈显著正相关（P<0.01）。PAR处于400-800 μmol m^-2 s^-1时,GEP_ChlF与GEP_EC线性关系最优,斜率为0.627（R²=0.67,P<0.01）;弱光下GEP_ChlF的低估可能是由于冠层实际光能拦截率高造成;强光下GEP_ChlF显著高于GEP_EC,呈非线性关系,可能是GEP_EC基于夜间温度敏感性所拟合的生态系统呼吸（R_e）无法预测光呼吸部分所导致。GEP_ChlF具有荧光参数的特性,对环境波动更加敏感,和环境因子相关性优于GEP_EC。结果表明,高辐射、极端温度、高蒸腾和干旱是限制叶片和冠层尺度下油蒿光合过程的主要胁迫因素。本研究构建的荒漠生态系统光合过程模型GEP_ChlF能够替代GEP_EC作为一个良好的冠层尺度生态参数,所提出的空间尺度上推方法可为促进区域可持续发展提供数据支撑和决策参考。     

Temporal dynamics of estuarine phytoplankton: A case study of San Francisco Bay

Detailed surveys throughout San Francisco Bay over an annual cycle (1980) show that seasonal variations of phytoplankton biomass, community composition, and productivity can differ markedly among estuarine habitat types. For example, in the river-dominated northern reach (Suisun Bay) phytoplankton seasonality is characterized by a prolonged summer bloom of netplanktonic diatoms that results from the accumulation of suspended particulates at the convergence of nontidal currents (i.e. where residence time is long). Here turbidity is persistently high such that phytoplankton growth and productivity are severely limited by light availability, the phytoplankton population turns over slowly, and biological processes appear to be less important mechanisms of temporal change than physical processes associated with freshwater inflow and turbulent mixing. The South Bay, in contrast, is a lagoon-type estuary less directly coupled to the influence of river discharge. Residence time is long (months) in this estuary, turbidity is lower and estimated rates of population growth are high (up to 1–2 doublings d^–1), but the rapid production of phytoplankton biomass is presumably balanced by grazing losses to benthic herbivores. Exceptions occur for brief intervals (days to weeks) during spring when the water column stratifies so that algae retained in the surface layer are uncoupled from benthic grazing, and phytoplankton blooms develop. The degree of stratification varies over the neap-spring tidal cycle, so the South Bay represents an estuary where (1) biological processes (growth, grazing) and a physical process (vertical mixing) interact to cause temporal variability of phytoplankton biomass, and (2) temporal variability is highly dynamic because of the short-term variability of tides. Other mechanisms of temporal variability in estuarine phytoplankton include: zooplankton grazing, exchanges of microalgae between the sediment and water column, and horizontal dispersion which transports phytoplankton from regions of high productivity (shallows) to regions of low productivity (deep channels).Multi-year records of phytoplankton biomass show that large deviations from the typical annual cycles observed in 1980 can occur, and that interannual variability is driven by variability of annual precipitation and river discharge. Here, too, the nature of this variability differs among estuary types. Blooms occur only in the northern reach when river discharge falls within a narrow range, and the summer biomass increase was absent during years of extreme drought (1977) or years of exceptionally high discharge (1982). In South Bay, however, there is a direct relationship between phytoplankton biomass and river discharge. As discharge increases so does the buoyancy input required for density stratification, and wet years are characterized by persistent and intense spring blooms.     

Latitudinal patterns of magnitude and interannual variability in net ecosystem exchange regulated by biological and environmental variables

Over the last two and half decades, strong evidence showed that the terrestrial ecosystems are acting as a net sink for atmospheric carbon. However the spatial and temporal patterns of variation in the sink are not well known. In this study, we examined latitudinal patterns of interannual variability (IAV) in net ecosystem exchange (NEE) of CO₂ based on 163 site-years of eddy covariance data, from 39 northern-hemisphere research sites located at latitudes ranging from ∼29°N to ∼64°N. We computed the standard deviation of annual NEE integrals at individual sites to represent absolute interannual variability (AIAV), and the corresponding coefficient of variation as a measure of relative interannual variability (RIAV). Our results showed decreased trends of annual NEE with increasing latitude for both deciduous broadleaf forests and evergreen needleleaf forests. Gross primary production (GPP) explained a significant proportion of the spatial variation of NEE across evergreen needleleaf forests, whereas, across deciduous broadleaf forests, it is ecosystem respiration (Re). In addition, AIAV in GPP and Re increased significantly with latitude in deciduous broadleaf forests, but AIAV in GPP decreased significantly with latitude in evergreen needleleaf forests. Furthermore, RIAV in NEE, GPP, and Re appeared to increase significantly with latitude in deciduous broadleaf forests, but not in evergreen needleleaf forests. Correlation analyses showed air temperature was the primary environmental factor that determined RIAV of NEE in deciduous broadleaf forest across the North American sites, and none of the chosen climatic factors could explain RIAV of NEE in evergreen needleleaf forests. Mean annual NEE significantly increased with latitude in grasslands. Precipitation was dominant environmental factor for the spatial variation of magnitude and IAV in GPP and Re in grasslands.