作物光能利用效率和收获指数时空变化研究进展

1972年Monteith提出的光能利用效率模型是当前大多数作物生长和产量形成模拟研究以及遥感估产所采用的主要方法.光能利用效率(radiation use efficiency, RUE)和收获指数(harvest index, HI)是其中的两个基本参量.鉴于目前作物RUE和HI研究与应用中仍存在着一些问题,本文综述了相关研究进展,总结了不同尺度上作物RUE和HI的研究方法;介绍了当前遥感估产应用中对RUE和HI两个关键参数的处置概况;建议今后研究应在点尺度开展作物RUE和HI研究的基础上,寻求其在区域尺度上定量评估的可行性途径,切实有效地发挥作物RUE和HI研究在作物实际生产管理中和遥感产量估算方面的应用价值及潜力.     

基于耦合模型的干旱区植被净初级生产力估算

净初级生产力是陆地生态系统物质与能量运转研究的基础, 在干旱区生态环境演变及其与气候相互作用和影响方面极为敏感,是揭示干旱区生态环境特征的重要指标.本研究基于RS和GIS技术,利用地面气象数据、涡度相关数据、Landsat 8数据和MODIS数据,通过SEBAL模型和光能利用率模型的耦合,估算了新疆玛纳斯河流域植被净初级生产力(NPP),分析了其空间格局及与高程和坡度的关系.结果表明: SEBAL模型与光能利用率模型的耦合对玛纳斯河流域山地-绿洲-荒漠生态系统植被NPP的模拟效果较合理,能较好地反映植被净初级生产力的实际情况;2013年,玛纳斯河流域植被NPP总量为7066.72 Tg C·a^-1,平均值为278.06 g C·m^-2·a^-1,总体分布趋势是自南向北先增加后减少再增加最后减少,随着地貌和土地利用类型的变化呈现明显的分布规律,且其月变化比较明显,7—8月达到最大值,占总量NPP的52.2%;植被净初级生产力随海拔和坡度的增加整体呈下降趋势,但随海拔增加植被NPP出现3次波动.这些波动主要由地表植被覆盖类型和环境因素所引起.     

膜下滴灌对新疆棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和CO2净交换通量的影响

2009年4-10月,通过田间试验,以传统无膜漫灌为对照,研究了膜下滴灌对我国新疆棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和CO2净交换通量的影响.结果表明:膜下滴灌和无膜漫灌处理下,棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸通量和CO2净交换通量均呈先增大后减小的变化趋势.与无膜漫灌相比,膜下滴灌显著提高了棉花地上、地下生物量和净初级生产力,降低了土壤异氧呼吸通量.在整个生长季节,膜下滴灌处理的年土壤异氧呼吸通量为214 g C·m-2,低于无膜漫灌处理的317 g C·m-2;膜下滴灌处理的棉花年净初级生产力为1030 g C·m-2,显著高于无膜漫灌处理的649 g C·m-2;膜下滴灌处理比无膜漫灌处理多固定大气CO2479 g C·m-2.膜下滴灌栽培措施既提高了作物生产力,又降低了土壤CO2排放,是干旱地区一种重要的农业固碳减排措施.     

定量评价人类活动对净初级生产力的影响

以人类活动为主导的城市扩张和土地覆被变化对城市生态环境产生了重要影响,并与气候变化共同影响植被净初级生产力(NPP),但目前从时空尺度上脱离气候干扰仅以人类活动为主导因素来定量分析其对植被NPP影响的研究尚不充分.本研究以广州市为研究区,利用CASA模型估算2001—2013年实际净初级生产力(NPP_act),结合CHIKUGO模型估算得到的潜在净初级生产力(NPP_p)计算因土地覆被变化导致的NPP损失(NPP_lulc),并建立相对贡献指数(RCI)定量分析和评价在城市扩张过程中人类活动对NPP的影响.结果表明:2001—2013年间,广州总体及其5片区NPP_act和NPP_lulc分别呈减少和增加趋势,并存在明显的空间差异性;RCI呈明显增加趋势,东北片区RCI值最低,为0.31,表明气候变化是其NPP变化的主要原因,其他4个片区的RCI值均高于0.5,说明4个片区人为干扰严重,人类活动是其NPP减少的主导因素;广州市及其5片区的RCI变化斜率均大于0,人类活动对植被的干扰逐年增强,北部片区RCI变化斜率值最大(0.693),人为干扰增加趋势最明显.     

2009-2011年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力的影响

2009—2011年,我国西南地区遭受了极端干旱气候影响。利用1980—2011年气象站点观测数据和基于光能利用率的植被净初级生产力估算模型Glo PEM,研究了2009—2011年西南地区干旱灾害过程和程度及其对植被净初级生产力的影响,结果显示:2009—2011年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于1980—2008年均值。受干旱气候影响,研究区植被净初级生产力比2001—2011年均值低12.55 g C m-2a-1,总计低0.017 Pg C/a,造成的碳损失约占我国总碳汇的7.91%。2001—2011年西南地区植被净初级生产力与蒸散量变化显著相关(R2=0.44,P0.05),而降水量和湿润指数变化过程与植被净初级生产力和蒸散量不同步,可能是由于该地区森林覆盖率较高,具有较强的涵养水源功能,导致土壤湿度变化滞后于降水量和湿润指数变化,从而使降水量变化过程与植被净初级生产力变化不同步。     

运用遥感估算中国陆地植被净第一性生产力

净第一性生产力 (NPP)研究方法很多 ,运用NOAA_AVHRR的可见光波段、近红外波段和热红外波段来提取和反演地面参数 ,进而准确估算陆地植被净第一性生产力 ,是一种全新的研究手段。利用遥感数据进行生物量和净第一性生产力的估算 ,主要是采用光能利用率模型 ,即通过NPP与植物吸收的光合有效辐射 (APAR)和植物将所吸收的光合有效辐射转化为有机物的转化率 (ε)的关系来实现的。用数学公式可表达为 :NPP =(FPAR×PAR)×[ε ×σT×σE×σS× (1-Ym)× (1-Yg) ]。在遥感和地理信息系统技术的支持下 ,以 1990年每旬的 8km分辨率的NOAA_AVHRR 1～ 5通道的影像为数据源 ,对中国每旬的陆地植被净第一性生产力进行估算 ,然后累加得出全年的NPP值。估算结果 :1990年中国陆地植被NPP总量为 6 .13× 10 9tC·a-1,NPP最高值为 1812 .9gC/m2 。根据计算的结果 ,对中国大陆植被NPP的分布规律进行了分析。遥感模型能够以面代点 ,比较真实地反映陆地植被NPP的时空分布状况 ,与中国植被分布的地理规律性相符 ,这是其他统计模型所无法比拟的。     

科尔沁草甸生态系统水分利用效率及影响因素

生态系统水分利用效率(WUE)是衡量碳水循环耦合程度的重要指标。利用科尔沁温带草甸草地碳水通量观测数据,对该生态系统总初级生产力水分利用效率(WUEGPP)的日季变化规律及对环境和生理因子的响应进行分析。结果表明:(1)WUEGPP日变化呈下降-稳定-上升的变化趋势,最大值出现在日出后1—2 h,阴天条件下WUEGPP高于晴天,生长中期WUEGPP高于生长初期和末期;(2)总初级生产力、总蒸散和WUEGPP季节变化均呈夏季高、春秋低的形式,生长季平均值分别为0.57 mg m-2s-1、0.08 g m-2s-1和5.97 mg/g,最大值分别为1.49 mg m-2s-1、0.16 g m-2s1和13.62 mg/g;(3)总初级生产力与饱和差、气温和叶面积指数均呈二次曲线关系,与冠层导度呈对数曲线关系;总蒸散与气温呈二次曲线关系,与饱和差、叶面积指数和冠层导度相关性均不显著;(4)WUEGPP与饱和差、气温和叶面积指数均呈二次曲线关系,与冠层导度呈对数曲线关系,饱和差、冠层导度和叶面积指数分别为2.0 k Pa、0.0015 m/s和4.2是控制WUEGPP增加的阈值;(5)净生态系统生产力水分利用效率(WUENEP)和净初级生产力水分利用效率(WUENPP)季节变化规律与WUEGPP一致,均值分别为3.47和5.47 mg/g。     

采用遥感手段估算海洋初级生产力研究进展

海洋初级生产力的精确估算对渔业资源评估与管理、海洋生态系统和全球变化等研究具有重要意义.传统的现场测量与估算方法必须依赖于随船采样数据.卫星遥感具有能够获取实时的、大尺度的、动态的海洋环境参数的优点,因此卫星遥感日益成为大尺度海洋初级生产力估算的重要手段.本文从海洋水色传感器的发展历程出发,着重归纳了以叶绿素、浮游植物碳和浮游植物吸收系数为参量的海洋初级生产力的遥感估算方法,并就这3类模型的适应性和复杂程度进行了讨论.在此基础上,进一步分析评价了全球海洋初级生产力遥感估算的研究现状.鉴于当前海洋初级生产力遥感估算研究中存在的问题,今后的研究需要在4个方面进一步加强:1)对全球海洋初级生产力估算进行分区域研究;2)加深对浮游植物吸收系数的研究;3)提高海洋遥感技术水平;4)加强实地测量技术的研究.     

雨养玉米农田生态系统的蒸散特征及其作物系数

基于雨养玉米农田生态系统2007年整个生长季的涡度相关通量资料,对蒸散的日、季动态进行分析.结果表明：玉米农田生态系统蒸散的日、季动态均呈单峰型变化,最大值分别出现在12:00左右和7月.结合修正的Penman-Monteith公式与相应的生态、气象观测要素,对作物系数(K指数)影响因子的分析结果表明,K指数主要受叶面积指数(LAI)、气温(T_a)、净辐射(R_n)以及表层土壤含水量的影响.在此基础上,初步建立了半小时尺度的作物系数(K指数)模型.     

太湖湖岸带浮游植物初级生产力特征及影响因素

利用高频溶解氧监测,估算了太湖梅梁湾湖岸带浮游植物初级生产力的高频变化特征。结合同步气象监测及浮游植物、浮游动物和营养盐的周年逐周观测数据,分析了气象和环境条件对富营养化湖泊浮游植物初级生产力的影响。结果发现,高频溶解氧监测估算的初级生产力变化与浮游藻类生物量的变化一致,能够反映出浮游植物生产力的昼夜变化、季节变化等规律。统计分析表明,气温对太湖这一富营养化湖泊初级生产力影响很大;氮的供给与浮游动物的选择性牧食也是影响浮游植物初级生产力的重要因素。湖岸带的水华堆积过程对初级生产力影响巨大,气象、水文过程又加剧了蓝藻水华初级生产力的变化幅度,反映出富营养化湖泊初级生产力可能存在极大的时空不均一性。研究表明,溶解氧高频监测法估算初级生产力能够捕捉到湖泊初级生产力的快速变化过程,可以用于富营养化湖泊初级生产力监测、蓝藻水华灾害预警中。