中国东北样带对全球变化响应的动态模拟——一个遥感信息驱动的区域植被…

对中国东北样带植被生物量的时空变化进行了计算机模拟。模型以１２种植被类型的绿色和非绿色生物量以及３层土壤水分为其状态变量。模拟绿色生物量被转成ＡＶＨＲＲ归一化植被指数（ＮＤＶＩ）,并与１９８６￣１９９０年观测到的植被指数进行了比较。大气ＣＯ２浓度、气温和降水被用作样带对全球变化响应研究的３个基本驱动变量。模型中还包括了降水和气温改变对日照百分率、相对湿度、辐射及土壤水分和植物生长的影响。ＣＯ２取当     

中国东北样带植被净初级生产力时空动态遥感模拟

 中国东北样带(Northeast China Transect, NECT)是中纬度半干旱区的国际地圈-生物圈计划(IGBP)陆地样带之一, 是全球变化研究的 重要手段与热点。该研究应用生态系统碳循环过程CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型分析了NECT从1982~1999年植被净初级生产力 (Net primary productivity, NPP)的时空变异及其影响因子。结果表明, 1) 1982~1999年NECT植被NPP为58 ~ 811 g C·m^–2·a^–1, 平均为426 g C·m^–2·a^–1, 大体上呈现由东向西逐渐递减的趋势; 2)研究时段内NECT的总NPP变异范围是0.218 ~ 0.325 Pg C, 平均为0.270 Pg C (1 Pg = 10¹⁵ g); 3) NECT的总NPP在过去18年内整体呈显著性增加趋势, 其中从1982~1990年样带NPP呈显著性增加趋势, 而后期1991~1999样带NPP没 有显著性变化趋势; 4)沿NECT不同植被类型对气候变化的响应特征是不同的, 在研究时段内, 农田、典型草原和草甸草原表现出最大的NPP增加 量, 而典型草原、荒漠草原对气候变化表现出高的敏感性; 5) NECT植被NPP的空间分布格局是由年降水量的分布格局所决定, 而NPP的时间变异 则由年降水量、年太阳总辐射的变化所影响驱动。     

从生态地理特征论中国东北样带(NECT)在全球变化研究中的科学意义

中国东北样带(NECT)是国际地圈生物圈计划(IGBP)全球变化研究的陆地样带之一。该样带在东经112°与130°30′之间沿北纬43°30′设置,长约1600km,跨越北纬42°～46°,宽约300km,位于中纬度温带地区以降水或湿润度/干燥度为主要全球变化驱动因素,自东至西沿一个连续的空间过渡梯度,植被类型或生物群区是由温带针阔叶混交林、温带落叶阔叶林、农田及温带草原的3个亚地带:草甸草原、典型草原和荒漠草原等类型组成。给出了样带的基本生态地理特征及其梯度分析,包括其地理位置、地形地貌、气候梯度、土壤类型、土地利用格局、植被类型、主要优势种和群落类型的生态地理特征以及全新世适宜期的植被分布格局。这些特征沿经向均表现出明显的梯度分布。     

中国东北样带的梯度分析及其预测

陆地样带研究已成为国际地圈-生物圈计划(IGBP)全球变化研究的重要手段与热点。中国东北样带(NECT)已被列为IGBP国际全球变化陆地样带之一。该样带在东经112°与130°30＇之间沿北纬43°30＇设置,长约1600km,是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度,具有由温带针阔叶混交林向温带草原的3个亚地带——草甸草原、典型草原与荒漠草原过渡的空间系列。该样带上有4个生态实验站。在大量的固定样地、实验调查研究资料与数据的基础上给出了样带的初步梯度分析及在全球变化图景下的预测,包括其地理位置、设置意义、地形地貌、气候梯度、土壤类型、植被类型和土地利用格局,一个遥感数据驱动的模型和NPP模型在整个样带上运行过。今后NECT将在生物地球化学循环(水、C、N、P等与痕量气体CO_2、CH_4等)、生态系统结构、功能与动态、生物多样性、土地利用与土地覆盖、动态全球植被模型(DGVM)以及高分辨率遥感数据应用等方面得到加强,将成为我国全球变化与陆地生态系统(GCTE)与其它IGBP核心项目研究的前沿阵地。     

中国东北样带生物群区及其对全球气候变化响应的初步探讨

 本文应用室内模拟与野外实地调查相结合的方法,对中国东北森林草原样带上生物群区及其过渡带的位置与面积进行了判定,并预测了未来全球变化条件下生物群区及过渡带可能的变化趋势。结果表明：中国东北样带内的生物群区和过渡带可由基于气候数据和Ho1dridge方法的数量模型较确切地判定出,与实际调查的结果吻合较好。在未来气候变化下,过渡带面积呈扩大化趋势;森林区对降水量的变化反应敏感;草原区地理分布位置变动很大,但其相对面积变化较小;荒漠灌丛对全球变化的反应最为剧烈。     

全球变化的中国气体—植被分类研究

区域潜在蒸散具有作为植被－气候相关分析与分类的综合气候指标的功能。根据区域潜在蒸散对气候－植被分类的热量与水分指标进行了初步探讨,并对中国气候－植被分类进行了初步的定量研究。根据该模型对中国陆地生态系统对全球变化的反应进行了探讨,结果表明我国自然植被在气温增加２℃或４℃、降水增加２０％时,森林和草原的面积都有所减少,且随着温度的升高而减少,沙漠化趋势增强。特别是青藏高原地区对全球气候变化非常敏感,     

中国植被对全球变化反应的研究

全球变化研究是本世纪80年代兴起的跨学科、跨国界、迄今为止规模最大的国际合作研究活动,涉及到地球科学、生物科学、环境科学、天体科学及遥感技术、地理信息系统及网络化高科技技术的应用等众多的学科领域,其规模之大、持续时间之久、经费投入之多和高科技技术的广泛应用,代表着当前世界科学的发展趋势。全球变化研究是由以下三个相互独立、相互依存的计划组成:以研究气候系统中物理方面的问题为主的世界气候研究计划(WCRP),以研究地球系统中的生物地球化学循环及过程为主的国际地圈-生物圈计划(IGBP)和以了解导致全球环境变化的人类因素为主的全球环境变化的人类因素计划(HDP)。     

中国东部南北样带主要植被类型物候期的变化

植被物候期的变化是全球变化研究的热点问题, 因为物候过程是反映植被对气候变化响应的最直接和最敏感的生态学过程之一, 大尺度植被物候学过程主要以植被的季节动态体现其对气候变化的长期适应过程。基于NOAA/AVHRR从1982年至2006年的双周归一化植被指数NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)数据, 依托中国东部南北样带, 对主要植被类型的物候过程进行模拟, 并计算了主要物候现象(包括返青起始期、休眠起始期和生长季长度)的发生时间和演变趋势。结果表明: 返青起始期显著提前的植被有温带针叶林(TCF, 0.56 d·a^-1)、温带草丛(TG, 0.66 d·a^-1)、亚热带热带针叶林(STCF, 0.46 d·a^-1)、亚热带落叶阔叶林(SDBF, 0.58 d·a^-1)和亚热带热带草丛(STG, 0.89 d·a^-1); 休眠起始期显著推迟的植被有寒温带温带针叶林(TCTCF, 0.32 d·a^-1)、SDBF (0.80 d·a^-1)和温带落叶阔叶林(TDBF, 0.18 d·a^-1); 此外, 大部分植被类型的生长季长度都有所延长, 但延长的方式不同: TCF (0.77 d·a^-1)是由于返青起始期显著提前造成的; TCTCF (0.38 d·a^-1)和TDBF (0.36 d·a^-1)是由于休眠起始期显著推迟造成的; TG (0.76 d·a^-1)、STCF (0.83 d·a^-1)、SDBF (1.40 d·a^-1)和STG (1.30 d·a^-1)等是由于返青起始期提前和休眠起始期推迟共同造成的。对温度和降水的变化进行分析发现, 温度对南北样带上植被物候的影响较大, 而降水对物候的影响相对较小, 不同植被类型对温度的响应各异。在南北样带上存在的热量梯度, 使得整条样带上植被的物候现象也表现出时间梯度, 从返青起始期发生的时间上比较, 从北向南逐渐推迟, 即寒温带植被>温带植被>亚热带植被; 休眠起始期和生长季长度则正好相反, 亚热带植被>温带植被>寒温带植被。     

4个常用的气候-植被分类模型对中国植被分布模拟的比较研究

 应用KAPPA一致性检验方法,比较研究了4个常用的气候植被分类模型：Penman模型、Holdridge生命地带系统、Kira模型和Thornthwaite模型对中国植被分布模拟的一致性和适用性。结果表明：这4个常用的气候 植被分类模型对中国植被区划一级分类的植被地理分布模拟效果较好。其中,Holdridge生命地带系统的KAPPA值达到0.57,模拟效果优于其它三者。但对特定地区,如青藏高原的植被地理分布,所有模型均需改进或引入新的影响因子才能较好地模拟二级植被区划的植被地理分布。1)Penman模型对温带草原和青藏高原的植被地理分布模拟的KAPPA值超过0.50,是4个模型中对青藏高原植被地理分布模拟效果最好的。2)Thornthwaite模型对热带雨林、季雨林植被地理分布模拟的KAPPA值达到0.40,可以弥补Holdridge生命地带系统对热带植被地理分布模拟精度的不足。3) Holdridge生命地带系统对中国植被地理分布模拟的效果最佳,但对西部季雨林、雨林区域(52)、西部草原亚区域(63)、青藏高原温性荒漠地带(86)和温性草原地带(84)的模拟程度不理想。4)Kira模型对亚热带常绿阔叶林植被地理分布的模拟效果可与Holdridge生命地带系统相媲美;对低海拔和湿润、湿润地区植被地理分布的模拟效果尚可,但在温带荒漠区与青藏高原区植被地理分布的模拟效果与实际相差较远。     

土地利用约束下中国东部南北样带生产力和植被分布对全球变化的响应

对现有的区域植被动态模拟模型进行了改进,使之包含了土地利用分布格局对植被和生态系统相关过程的影响。改进后的模型被用地研究中国东部南北样带(NSTEC)植被和净第一性生产力对未来气候变化的响应。模拟结果显示土地利用格局对未来气候条件下植被分布的变迁和生产力形成过程有非常显著的影响。与没有土地利用约束的情形相比较,土地利用作为限制条件缓减了植被类型之间的竞争,从而减少了模拟的样带区域内常绿阔叶林,但增加了模拟灌木和草地的分布。土地利用约束使得模拟得到的当前条件下的净第一性生产力更为接近实际情况,且未来气候条件下的生产力改变量更为可信。对未来CO2倍增条件下7个大气环流模型预测的气候情景的模拟结果表明：落叶阔叶林将显著增加,但针叶林、灌木和草原的分布将下降。未来气候条件下NSTEC样带的净第一性生产力总量将增加。预测样带北部的净第一性生产力的变化范围大于样带南部。温度变化比降水变化对样带的生产力具有更强的控制。     

黄土高原与安塞县植被变化及其气候响应特征

利用1982～2003年黄土高原和安塞县归一化植被指数(NDVI)及安塞县气候资料,分析了黄土高原不同尺度范围植被的时间变异特征及其对安塞县气候变化的可能影响.结果表明:(1)22年间黄土高原植被NDVI以年均7.0×10-4增加,且春秋植被NDVI增加显著,表明黄土高原植被覆盖状况明显改善.(2)安塞县植被NDVI并未呈现显著增加趋势,且植被NDVI比黄土高原整体水平低22.93%,使得安塞县气候对黄土高原植被变化有显著的响应变化.(3)当黄土高原年际和春季植被NDVI每增加0.01,安塞县最高和最低气温分别增加0.42℃和0.26℃;生长季植被决定了黄土高原整体植被的分布,当其植被NDVI每增加0.01时,安塞县年均相对湿度增加1.14%,蒸发量和风速分别下降49.70 mm和0.06 m*s-1.可见黄土高原植被恢复对其所含县域尺度区域的气候有明显影响.     

植被年际变化对蒸散发影响的模拟研究

利用通用陆面模式(CLM3.0)及其植被动力学模式(DGVM)研究植被覆盖度(FC)和叶面积指数(LAI)的年际变化对全球蒸散发的影响。设计两套实验方案,其植被的FC和LAI的气候态相同,但一套实验中植被的FC和LAI有年际变化,而对照实验中则没有。结果表明:(1)在草、灌木、树占优势的地区植被FC年际变化依次减小;LAI年际变化较大的地区集中在草和灌木覆盖的地区,在落叶林地区,春秋两季植被LAI的年际变化也较大。(2)全球树占优势的大部分地区,植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少;而在灌木和草覆盖区,变化则大致相反。(3)低纬度地区蒸散发季节循环变化比较明显,而北半球中纬度地区,蒸散发变化明显区随着纬度增加而在时间上向后推延。(4)FC和LAI年际变化较大时,蒸散发及地表蒸发降低,而蒸腾增加;这些差异随FC和LAI年际变化的增加而增加。单点分析进一步表明植被年际变化不仅改变蒸散发的多年平均值,同时改变其分量间的相对比例。     

土地利用约束下中国东部南北样带生产力和植被分布对全球变化的响应

对现有的区域植被动态模拟模型进行了改进,使之包含了土地利用分布格局对植被和生态系统相关过程的影响.改进后的模型被用于研究中国东部南北样带(NSTEC)植被和净第一性生产力对未来气候变化的响应.模拟结果显示土地利用格局对未来气候条件下植被分布的变迁和生产力形成过程有非常显著的影响.与没有土地利用约束的情形相比较,土地利用作为限制条件缓减了植被类型之间的竞争,从而减少了模拟的样带区域内常绿阔叶林,但增加了模拟灌木和草地的分布.土地利用约束使得模拟得到的当前条件下的净第一性生产力更为接近实际情况,且未来气候条件下的生产力改变量更为可信.对未来CO2倍增条件下7个大气环流模型预测的气候情景的模拟结果表明:落叶阔叶林将显著增加,但针叶林、灌木和草原的分布将下降.未来气候条件下NSTEC样带的净第一性生产力总量将增加.预测样带北部的净第一性生产力的变化范围大于样带南部.温度变化比降水变化对样带的生产力具有更强的控制.     

中国东北城乡植被物候时空变化及其对地表温度的响应

以中国东北地区的沈阳、长春、哈尔滨3个大城市及其周边的乡村为研究单元,在像元尺度上采用小波变换法对长时间序列中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)增强植被指数(Enhanced Vegetation Index, EVI)数据滤除噪声数据后重建平滑的EVI曲线,基于EVI曲线,采用动态阈值法提取出研究区2009—2016年植被关键物候期参数指标,即植被生长季开始时间(Start of Growing Season, SOS)和结束时间(End of Growing Season, EOS),分析各研究单元植被物候时空变化特征及其对地表温度的响应特征。结果表明:各研究单元SOS和EOS值的空间分布图存在明显的城乡差异。每一个像元所属的实际位置距离城区中心越近,其SOS值越小,EOS值越大,表明植被生长季开始日期早结束日期晚,整个植被生长期时间变长。各研究单元植被物候参数指标的年际变化趋势具有一定的相似性,即SOS随时间均呈现出提前趋势,且城区和乡村的SOS年际变化趋势保持一致,变化速率各不相同。研究区...     

中国东北多年冻土区植被生长季NDVI时空变化及其对气候变化的响应

多年冻土对气候变化十分敏感,尤其是多年冻土上的植被,易受气候变化影响.东北多年冻土区位于北半球中、高纬度地区,是我国第二大多年冻土区,同时也是欧亚大陆多年冻土带的南缘.本文基于1981—2014年LTDR和MODIS 两种数据集对东北多年冻土区植被生长季归一化植被指数(NDVI)时空变化特征进行分析,同时结合气象数据,分析植被对气候变化的响应.结果表明: 研究期间,东北多年冻土区植被生长季平均NDVI呈显著增加趋势,年增加0.0036.空间逐像元NDVI变化趋势具有明显的空间异质性. 研究区80.6%区域的植被NDVI具有显著增加趋势(P<0.05),7.7%的区域呈显著减少趋势(P<0.05).不同类型多年冻土区的植被NDVI增加强度不同,依次为连续多年冻土区>不连续多年冻土区>稀疏岛状多年冻土区>季节冻土区,NDVI增加趋势最大值(>0.004)所占的面积比例依次为连续多年冻土区>不连续多年冻土区>稀疏岛状多年冻土区>季节冻土区.多年冻土全区尺度下,植被生长季NDVI与平均气温呈显著正相关关系(r=0.79,P<0.01),与降水呈较弱的负相关,表明气温是东北多年冻土区植被生长的主控因子.研究区的多年冻土退化对植被生长起到积极的促进作用,尤其是在连续多年冻土区和不连续多年冻土区,植被NDVI增加强度更为剧烈.尽管增加的地表温度可以加快植被生长、增加植被覆盖,但长期来看,多年冻土退化甚至消失会阻碍植被生长.     

全球变化的中国气候-植被分类研究

区域潜在蒸散具有作为植被－气候相关分析与分类的综合气候指标的功能。根据区域潜在蒸散对气候－植被分类的热量与水分指标进行了初步探讨,并对中国气候－植被分类进行了初步的定量研究。根据该模式对中国陆地生态系统对全球变化的反应进行了探讨,结果表明我国自然植被在气温增加２℃或４ ℃、降水增加２０％ 时, 森林和草原的面积都有所减少,且随着温度的升高而减少,沙漠化趋势增强。特别是青藏高原地区对全球气候变化非常敏感,因而可以作为全球变化的先兆区或预警区,具有重要的监测和研究意义     

京津冀地区植被物候时空变化及其对城市化的响应

温度在调节植被物候的变化中起着重要作用,气候变暖和城市化均会对温度产生影响进而影响植被物候。基于京津冀地区2001—2020年的归一化植被指数(NDVI)时间序列影像,参照物候观测站点监测数据,采用动态阈值法提取出研究区关键物候参数,即生长季始期(SOG)、生长季结束期(EOG)和生长季的长度(LOG),分析近20年京津冀地区耕地、林地、草地不同植被的物候时空变化特征及其城乡差异,从而探讨植被物候对城市化的响应。结果表明：(1)耕地SOG分布呈现双波峰现象,林地和草地的SOG相对集中,3种植被的EOG的分布均较为集中;2001—2020年京津冀大部分地区的SOG提前,EOG推迟,LOG呈现延长的态势。(2)从城乡梯度物候差异的空间分布特征来看,整体而言耕地、林地、草地3种植被类型的城区物候与农村相比都存在SOG提前,EOG推迟的情况,并且城区与农村的物候差异幅度要明显大于城乡过渡带与农村的物候差异。(3)从城乡梯度物候差异的时间分布特征来看,2001—2020年间,研究区中新老城区、城乡过渡带和农村的SOG提前,EOG推迟,LOG延长,但耕地、林地、草地3种植被物候参数的城乡差异在逐年...     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力（NPP）进行模拟.结果表明： 1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO₂浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m^-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征.植被NPP与CO₂浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力(NPP)进行模拟.结果表明:1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO2浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征,植被NPP与CO2浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

西南地区植被对陆地水储量的响应

为探究中国西南地区植被生长对陆地水储量变化的响应规律,本研究利用重力恢复和气候实验(GRACE)卫星的陆地水储量异常(TWSA)数据以及归一化植被指数(NDVI)数据分析了2003年1月—2021年12月间中国西南地区植被与TWSA的变化趋势及相互关系。结果表明：研究期间中国西南地区的NDVI整体呈现上升趋势,而TWSA在西藏中南部呈现显著下降趋势,在西藏西北部及中国西南地区东南部呈现显著上升趋势。Pearson相关分析表明,中国西南地区NDVI对TWSA变化的响应具有显著的空间差异,西藏大部分区域NDVI对TWSA的变化呈现显著的负响应,而中国西南地区东南部大部分区域NDVI对TWSA的变化呈现显著的正响应,这受到气候变化与地貌差异的影响。