基于CSCS和RegCM3模型的21世纪末中国潜在植被

潜在植被作为陆地生态系统的重要组成部分,能够真实反映立地气候环境,对其分布特征的研究可为生态工程评价提供依据。本文以综合顺序分类系统理论为基础,选取RegCM3模型及A2情景下的预测数据,模拟了2071—2100年中国潜在植被的空间分布。结果表明,21世纪中国潜在植被均发生了不同程度、不同方向的变化,具体表现为:温带森林和冻原高山草地向冷干方向变化,其中温带森林为中国主体潜在植被;亚热带森林向较冷地区演替;温带荒漠、热带森林及热带稀树草原向冷湿方向迁移;半荒漠向暖湿地区集中分布;干草原、温带湿润草地及热带荒漠向暖干方向变化,其中温带湿润草地和热带荒漠的空间分布重心迁移显著。本文揭示了21世纪中国潜在植被的变化规律,可为我国21世纪生态建设战略提供参考。     

中国潜在植被空间分布格局

潜在植被作为一种与所处立地达到平衡的演替终态,反映的是无人类干扰情况下,立地所能发育形成的最稳定成熟的一种顶极植被类型,是一个地区现状植被的发展趋势。潜在植被的研究能够真实反映气候条件对植被形态变化的影响,是植被-环境分类与关系研究的起点,也是全球变化与陆地生态系统研究的关键。以综合顺序分类法为基本理论基础,在GIS研究方法支持下,利用我国2348个气象台站1961～1990年30a的气候资料,对我国潜在植被类型进行了划分,得出以下结论：（1）分布在我国的潜在植被类型有41类,表现出了我国潜在植被的多样性特征;从面积相对比例来看,我国潜在植被在分布面积上很不均匀,面积最大的寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类分布面积达到1526188km^2,面积最小的炎热微干稀树草原类分布面积仅为13km^2。（2）海拔0～6800m之间,是我国潜在植被主要分布的海拔界限,并且此海拔段植被多样性随海拔变化呈现出一定的规律性,即随海拔增加植被多样性显著下降。（3）我国潜在植被的空间分布很好的体现了三向地带性规律,而决定这种分布的主要原因是太阳辐射的纬度性变化、距离海洋的远近引起水分条件变化以及由海拔高度引起的从基带向上热量和干湿变化。（4）我国潜在植被空间格局在重心分布上,主要表现为空间聚集（P1、P2、P3、P4、P5、P6）和空间线型邻接（L1、L2、L3）两个主要特征。     

三江源区生态系统和土壤保持服务对未来气候变化的响应特征

气候变化条件下的生态系统响应特征对生态系统服务的提升和生态环境保护具有重要意义。现有气候变化评估多以全球或区域大尺度研究为主,不适合局地小尺度。以2015年为基准,根据局地特征改进了综合顺序分类系统(CSCS),模拟了未来不同温室气体排放模式下三江源地区自然植被分布,同时分析了植被覆盖度及土壤保持功能的时空变化。研究结果表明:(1)在2080年的不同排放情境下,三江源地区的降水和气温增长主要发生在生长季(5—9月)和半湿润地区,其中,高排放情境的增幅最大(42.21 mm和4.93℃);(2)三江源地区潜在自然植被主要由草地转化为森林,植被覆盖度和土壤保持服务在不同排放情境下均呈现由西北向东南增加的趋势,与水热规律一致,其中高排放情境的增幅最大,低排放最小;(3)利用三江源地区原生裸地演替特点和多年NPP改进的CSCS模型,模拟精度提高了24%。研究成果为局地小尺度生态系统气候响应特征提供了必要的手段和规律认识。     

中国干旱半干旱区潜在植被演替

研究中国干旱半干旱区植被背景,成为其生态环境建设方面的基础性和指导性的工作。潜在植被作为一种与所处立地达到平衡的演替终态,反映的是无人类干扰的情况下,立地所能发育形成的最稳定成熟的一种顶极植被类型,是一个地区现状植被的发展趋势,对本地区植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义。以综合顺序分类法为基本理论方法,在GIS研究方法支持下,采用中国干旱半干旱区119个气象观测站1961-2005年的年降水数据与115个气象观测站1961-2005的>0℃年积温数据,以15a的年平均数据为时间周期,对中国干旱半干旱区潜在植被的演替进行了分析,得出了以下结论:在中国干旱半干旱区,潜在植被类型之间发生了复杂的演替过程。1961-1975年间,分布在中国干旱半干旱区的潜在植被有10种类型,由于气候变化,到20世纪90年代后期仅剩6种类型。在潜在植被类型之间的转化特征与数量方面,表现出3种特点,稳定减少、稳定增加与波动性变化。在潜在植被类型地理分布格局变化与发展方向方面,演替明显的地区主要有:吐鲁番盆地、锡林郭勒高原北部、呼伦贝尔高原、太平岭地区;在发展方向上,潜在植被的空间变化方向(演替方向)均异。潜在植被类型演替的驱动因素主要是气候变化条件下,影响植被分布的水热条件发生了改变。     

中国植被对气候变化的敏感性定量分析

随着全球气候变化日益加剧,极端气候频发,严重威胁着植被稳定性。目前,植被敏感性研究通常以定性研究为主,且常常忽略了气候变化对植被的累积滞后效应。因此,考虑气候变化对植被的累积滞后效应下,定量分析植被对气候变化的敏感性,旨在为预防区域植被退化提供理论支撑。利用AVHRR NDVI3g数据、ERA5-Land数据,运用自回归模型方法,考虑气候对植被的累积滞后效应,计算植被对气候变化的敏感性,并探讨中国植被对气候变化的敏感性时空变化特征。研究表明,不同气候区气候因子(降水、太阳辐射、气温)对植被的累积滞后影响存在差异。在湿润区,因降水充沛,降水对植被的累积滞后时效长达3个月,而在半干旱区,由于降水较少,降水对植被的累积滞后时效缩减到1个月。中国大部分植被受太阳辐射的累积滞后影响时效为2到3个月,而南方湿润区森林受气温的累积滞后时效为3个月,半干旱区草地受气温的累积滞后时效仅为1个月,而东北森林和华中耕地受气温的累积滞后时效为当月。中国92.60%的植被敏感性较低,对外界干扰具有一定的抵抗力。然而,7.40%的植被敏感性极高,主要分布在华东湿润区和东北半湿润区,这些地区植被生长易受气候变化影响,面临着较大的退化风险,均被视为生态脆弱区。在空间上,华东湿润区的耕地敏感性常年较高,而半干旱区的植被敏感性随季节波动变化明显,在春季的敏感性最大。季节尺度上,在春季,西藏、内蒙古高原北部等地区的草地敏感性指数达到最大值,而在夏季,植被敏感性较高地区主要集中在华中湿润区耕地,中国植被的敏感性强弱在空间分布上具有明显的异质性。因此,定量分析植被对气候变化的敏感性,有利于为中国生态环境保护以及减缓气候变化不利影响等决策提供科学依据。     

气候变化下中国潜在植被演替及其敏感性

潜在植被的研究能够真实反映气候条件对植被形态变化的影响,是植被-环境分类与关系研究的起点,也是全球变化与陆地生态系统研究的关键,对区域植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义。本研究基于综合顺序分类系统,对过去30年(1986—2015年)和IPCC5发布的RCP4.5情景下未来3个时期(2030s、2050s和2080s)潜在植被的空间分布进行了GIS模拟,并分析了潜在植被对气候变化响应的敏感性。结果表明:(1)中国分布的潜在植被类型数量及各类在不同时期所占比例均存在差异,同时炎热极干热带荒漠类(VIIA)为各个时期共同缺失的潜在植被类型。(2)潜在植被的分布面积整体上呈现出冷干型潜在植被类型面积逐渐减少、暖湿型潜在植被类型面积逐渐增加的趋势,具体表现为扩展型、缩减型和波动型3类;潜在植被类组的重心发生了不同方向、不同距离的移动变化。(3)中国潜在植被对气候变化的响应存在敏感性差异,其空间分布形态总体呈现出不同敏感性程度的区域相间分布的特点。敏感性高的区域、敏感性较高的区域和敏感性较低的区域分别占国土总面积的2.28%、14.39%和43.82%。     

中国潜在植被NPP的空间分布模拟

在对1980年以来气候要素进行空间化的基础上,利用分类回归树模型CART计算中国的潜在归一化植被指数(NDVI),采用改进的光能利用率模型(CASA)和潜在NDVI数据对中国的潜在植被净初级生产力(NPP)进行模拟。结果表明:中国潜在NDVI和潜在NPP均呈现出南高北低、东高西低的格局,低值多分布在沙漠、戈壁等干旱地带,高值多出现在低、中山平原区; 400 mm等降水量线是潜在NDVI和潜在NPP高值与低值的分界线;全国潜在NDVI和潜在NPP的平均值分别为0.396和319.31 g C·m-2;夏季潜在NPP的平均值最大,其次是春季,冬季最小;依据潜在NPP与2015年现实NPP的差异,可将中国植被恢复区划分为西部高潜力区、北部低潜力区和南部非潜力区3部分;潜在NDVI和潜在NPP的空间模拟可以将人类活动对自然生态系统的直接影响与气候变化的影响分离,量化了外界压力下真实的生态状况和潜在生态状况的差异,为制定差别化的生态恢复对策提供了科学依据。     

气候变化下中国潜在自然植被生态系统碳储量动态

陆地生态系统固碳是减缓大气CO2浓度升高的重要途径,了解气候变化下潜在自然植被生态系统碳储量（ECS）有利于区域土地管理政策的制定。该研究基于遗传算法对LPJ-GUESS模型的敏感参数进行校准,使用降尺度的气候数据驱动模型,结合Mann-Kendall趋势检验、Sen’s斜率估计方法和偏相关分析法,分析2001–2100年中国ECS的时空格局、趋势变化特征及气候主导因子。结果表明:1)校准后的LPJ-GUESS模型模拟ECS的纳什效率系数和皮尔逊相关系数分别为0.751、0.901,表明LPJ-GUESS模型可以较好地模拟中国ECS。2)2001–2020年,中国潜在自然植被ECS由东南向西北递减,总量为156.06Pg,其中植被、凋落物、土壤碳储量分别占34.2%、1.9%、63.8%。相比于2001–2020年, 2081–2100年ECS具有相似的空间分布, ECS总量预计增加0.51–11.16Pg;2001–2020年和2021–2100年,中国潜在自然植被ECS的增加速率分别为8.5g·m^-2·a^-1、3.7–21.0g·m^-2·a^-1。3) 2021–2100年中国东南部、内蒙古高原、青藏高原等地区ECS显著增加(37–44 g·m^-2·a^-1),云贵高原南部、两广丘陵等地区ECS显著减少(45–72g·m^-2·a^-1)。4)不同区域的气候主导因子不同:气温在中国西北地区主导ECS变化;受区域干旱程度影响,ECS与降水量的相关性由东南向西北递增;辐射在高纬度、高海拔地区主导ECS变化;在中国47.9%–56.1%的区域CO₂浓度主导ECS变化。     

2001-2020年中国植被降水敏感性时空演变

植被对降水的敏感性作为评估植被对降水响应程度及预测生态系统未来变化的关键指标,其在不同干湿区域及植被类型中的敏感性及其变化趋势尚未明确。研究采用线性回归模型,结合两种植被指数,对中国2001年至2020年植被对降水的敏感性进行了估算,并对其空间格局及变化趋势进行了分析。研究结果显示,中国植被对降水的敏感性总体呈现正值,并且呈现出增长趋势。空间分布上,植被的降水敏感性与区域干旱程度呈正相关,具体表现为干旱区 > 半干旱区 > 半湿润区 > 湿润区;不同植被类型对降水的敏感性差异显著,其中受水分条件限制较大的温带荒漠和草原区的敏感性最高,而降水常年充足或受温度限制的区域,如热带雨林区和寒温带针叶林区的敏感性最低。从时间上看,干旱区、半干旱区、半湿润区植被的降水敏感性呈上升趋势,而湿润区则呈现下降趋势,这一现象可归因于植被增长导致的需水量增加以及增温引起的地表蒸散发增强。此外,研究还计算了不同干湿区域降水敏感性变化对整体敏感性增加的贡献度,结果指出干旱区对敏感性变化趋势的贡献度最大,两种植被指数均显示干旱区的贡献度超过50%,其次是半干旱区。因此,在全球持续增温的背景下,植被对降水变化的敏感性将日益增强,必须采取针对性措施加强水资源管理以应对气候变化。     

气候变化下中国不同植被区总初级生产力对干旱的响应

干旱变化具有明显的空间分异,不同植被类型对干旱的响应亦有差别。开展气候变化下不同植被覆盖类型对干旱响应的差异分析,厘清温升干旱化进程对植被的影响,对了解植被发展动态及预测未来格局有着非常重要的意义。基于1982—2017年的总初级生产力(GPP)数据和同时期东安格利亚大学气候研究中心(CRU)时间序列(TS)气候数据,分析了中国8个植被区GPP和干旱的变化趋势,通过对比标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)的趋势差异识别了典型的温升干旱化区域,在此基础上研究气温上升如何影响GPP对干旱的响应,进一步讨论了不同植被类型对干旱的敏感性差异。结果表明：(1) 36年来8个植被区除青藏高原高寒植被区呈湿润化,其他植被区均呈现变干趋势;(2)气温上升大面积加剧了温带荒漠区和温带草原区的变干趋势;(3)亚热带常绿阔叶林区和热带季风雨林、雨林区的GPP受温度和干旱影响相当,青藏高原高寒植被区和针叶、落叶林混交林区的GPP受温度主导,其他植被区GPP均受干旱主导。     

基于草地综合顺序分类系统（IOCSG）的中国北方草地地上生物量高精度模拟

草地生态系统是陆地生态系统中分布最广泛的生态系统类型之一,草地生物量的精确估算一直是陆地生态学研究的重点问题。针对目前草地生物量估算方法的不确定性问题,提出了不依赖于遥感植被指数,而是通过分析草地生物量影响因素的方法去构建草地生物量估算模型。根据年积温(0℃)和湿润度指标将研究区域划分为4种潜在植被类型,即微温干旱温带半荒漠类、微温微干温带典型草原类、微温微润草甸草原类和微温湿润森林草原类,然后对每一种潜在植被类型的草地生物量分析其内在影响因素,研究结果发现,微温干旱温带半荒漠类的草地生物量与年积温存在较好的线性关系,微温微干温带典型草原类的草地生物量可以用表层土壤粘粒含量的二次多项式来模拟,后两种潜在植被类型的草地生物量则随着潜在NPP的变化呈现先减小后增大的变化趋势。对4种潜在植被类型区域分别建立草地生物量与其影响因素之间的回归关系确定研究区域草地生物量的趋势面,结合HASM模型实现研究区域草地生物量的高精度模拟,结果显示上述4种潜在植被类型区的草地平均生物量分别为76.62、110.94、142.69、184.40 g/m2。     

湖北省植被分类的研究 Ⅰ.自然植被

本文论述了湖北植被分类的原则、依据,植被分类的单位和命名,并拟订了5级分类系统,以植被型、群系、群丛作为主要分类单位。根据多年来全省野外调查资料分析,湖北植被划分为8个植被型组、13个植被型、66个群系组、152个群系、10个群丛。     

近20年亚欧大陆植被指数(NDVI)对大尺度气候变化的敏感性

利用1982～2000年4～10月的AVHRR-NDVI数据,分析了大尺度的气候(温度)变化对欧亚大陆植被状况的影响.分析方法为奇异值分解,从温度和NDVI的年际变化中检测出二者最重要和最密切的大尺度空间相关特征.用每个奇异值的平方占总的协方差平方和的比例(解释率),可以度量每对模态的重要性.春季(4和5月)、夏季和秋季(9和10月)的解释率分别是60.9%、39.5%和24.6%,这说明整体上春季植被状况对温度的敏感性高于夏季和秋季.奇异值分解的显著模态中心是二者关系最密切的地区,也就是NDVI对温度最敏感的地区,春季为西西伯利亚和东欧东北部,敏感性为 0.308 0 NDVI/℃;夏季没有特别突出的敏感中心,选择与计算春季相同格点数的高值中心,其敏感性为 0.248 0 NDVI/℃;秋季敏感中心在亚洲东部高纬度地区,相同格点大小范围(110°～140° E,55°～65°N)平均敏感性为 0.087 5 NDVI/℃.这种大尺度的NDVI-气温的关系及其敏感性非常稳定,并不随使用的NDVI的空间分辨率的改变而改变.     

近20年亚欧大陆植被指数(NDVI)对大尺度气候变化的敏感性(英文)

The influence of climate change on the terrestrial vegetation health (condition) is one of themost significant problems of global change study. The vegetation activity plays a key role in the globalcarbon cycle. The authors investigated the relationship of the advanced very high resolution radiometer-normalized difference vegetation index (AVHRR-NDVI) with the large-scale climate variations on the inter-annual time scale during the period 1982-2000 for the growing seasons (April to October). A singular valuedecomposition analysis was applied to the NDV! and surface air temperature data in the time-domain todetect the most predominant modes coupling them. The first paired-modes explain 60.9%, 39.5% and 24.6%of the squared covariance between NDV! and temperature in spring (April and May), summer (June andAugust), and autumn (September to October), respectively, which implies that there is the highest NDVIsensitivity to temperature in spring and the lowest in autumn. The spatial centers, as revealed by themaximum or minimum vector values corresponding to the leading singular values, indicate the highsensitive regions. Only considering the mode 1, the sensitive center for spring is located in westernSiberia and the neighbor eastern Europe with a sensitivity of about 0.308 0 NDVI/℃. For summer, thereare no predominantly sensitive centers, and on average for the relatively high center over 100^o-120^o E by 45^o-60^o N, the (110^o-140^o E,55^o-65^oN)sitivity is 0.248 0 NDVI/℃. For autumn, the center is located over the high latitudes ofeastern Asia (110^o-140^o E, 55^o-65^o N), and the sensitivity is 0.087 5 NDVI/℃. The coherent patters asrevealed by the singular decomposition analysis remain the same when coarser resolution NDVI data wereused, suggesting a robust and stable climate/vegetation relationship.     

Integration of Life Cycle assessment and population balance model for assessing environmental impacts of product population in a social scale case studies for the global warming potential of air conditioners in Japan

Scope  In this study, a dynamic model was built in which LCA and PBM were integrated to quantitatively assess the total environmental impacts induced by the product population in a society over time. Specifically, a determination was carried out concerning how Japan’s air conditioner population is used (lifetime distribution, number of units, etc.) and an assessment was made concerning the Global Warming Potential (GWP) associated with the air conditioner population. Methods  The proposed dynamic model was applied to air conditioners for analyzing the total GWP caused by the air conditioner population in Japan from 1990 to 2010. To create a trend forecast model for future environmental load, scenarios for air conditioner production up to 2010 were formulated and the total GWP from the air conditioner population was predicted. Conducted also were sensitivity analyses whose parameters were air conditioner performance, lifetime and the rate of refrigerant recovery when retired units are processed. Results and Discussion  Applying the PBM to the air conditioner population in 2000, it was found that 81.5 million units consumed 5.94 x 10^p10 kWh in that year, which was a 6.1 % increase in the total annual power consumption in 1990. In both a stationary scenario and a steady growth (1.5% annual increase), it was found that the total GWP would be 27.7% higher than in 1990 under the stationary scenario and 37.8% higher under the steady growth scenario. The improvements in air conditioner performance will have a small effect on reducing the total GWP from that population. Furthermore, in connection with the average lifetime, it was found that the GWP, due to refrigerant releases when units are disposed of, would be relatively large in 2000 and the following years. Conclusions  Thus, shorter product lifetimes will spur a replacement of air conditioners with new units, a situation that will only lead to the reduction of GWP if the recovery rate of refrigerant is to be achieved to more than 50% under the stationary scenario. Recommendations and Outlook  To meet COP3 targets for Japan in 2010 (i.e. to reach the same level as in 1990 for household appliances), our study shows that it will be vital to raise the refrigerant recovery rate. If the number of air conditioners in use remains unchanged, recovery would have to be 45.7%, but under the steady growth scenario it would have to be at least 60.4%. Therefore, it will be difficult to meet COP3 targets unless the refrigerant recovery rate is strongly increased. This method is applicable to assess not only the GWP of air conditioners, but also other environmental impacts caused by a variety of product populations, which will be quite effective for setting targets of products’ performance, policymaking, etc.     

不同比例尺DEM数据对森林生态类型划分精度的影响

针对以辽东山区森林生态类型划分的需求,探讨了所需DEM数据的最低精度要求,通过对比试验和Kappa检验,得到1：10000比例尺DEM是划分辽东山区森林生态类型的较佳数据源。通过实践工作和对比试验研究,本文总结了针对ELT划分的需求,进行地形图扫描矢量化生成DEM数据过程中需要解决的关键技术问题,提出了等高线矢量化中纠错的有效方法,采用TOPOGRID命令生成了更符合客观地形状况的DEM数据,解决了生态分类系统中的关键性技术问题,该技术方法具有普遍性。     

用显示器测量办公亮度环境下的人眼对比度敏感视觉特性

对比度敏感是描述人眼视觉系统空间特性的主要指标之一,对比度敏感函数是反映不同条件下的对比度敏感与空间频率之间的关系。人眼对比度敏感数据的测量受到环境亮度较大的影响,为了研究常用办公环境条件下的人眼对比度敏感情况,对6位青年在环境亮度分别为153,312,470 cd/m2和暗室条件下,在距离为2米处观测11种空间频率的矩形光栅进行测量,光栅用显示器进行显示,其平均亮度分别为60和90 cd/m2。实验结果表明,对于相同频率的光栅,人眼对比度敏感程度随着环境亮度的增加而减小,而且人眼在暗室环境下比在办公环境条件下对亮度光栅更敏感;但是在观测平均亮度为60cd/m2的光栅时,人眼特殊地对在环境亮度为312 cd/m2的条件下更敏感。     

基于水量平衡原理的黄土高原林草植被覆盖度恢复潜力评估

为了科学评价黄土高原林草措施的可持续性,基于林草生态系统蒸散发(ET)与降雨补给之间的水量平衡动态关系,开展林草植被覆盖度恢复潜力研究具有一定的现实意义。利用实测水文气象要素数据和PML＿V2 ET、GRACE和MOD13 A1 EVI等遥感产品,阐明了增强型植被指数(EVI)与ET的时空变化特征,构建了ET和EVI的定量响应关系,定量估算了不同降雨情景下黄土高原林草植被覆盖度恢复阈值与恢复潜力。研究结果表明：(1)PML产品基于通量站点观测值与水量平衡公式验证的误差分别为4.5 mm/8d、34.3 mm/a,产品精度优于MOD16 A2 GF。黄土高原2000—2018年多年平均ET为445.36 mm,多年平均EVI为0.17;黄土高原林草植被ET和EVI的增长速率分别为5.08 mm/a和0.0026/a。(2)利用多元逐步回归方法逐像元构建了ET与气象要素和EVI的最优响应关系模型,平均均方根误差(RMSE)为44.5 mm。(3)丰水年、平水年、枯水年不同降雨情景下黄土高原林草植被覆盖度平均恢复阈值为(71.5±37.3)%、(55.6±35.9)%和(22.4±26.0)...