陆地植被净初级生产力计算模型研究进展

植被净初级生产力(NPP)研究是全球变化与陆地生态系统的核心内容之一。在回顾NPP模型研究的基础上,综合分析了气候模型、生态生理过程模型、光能利用率模型各自的优缺点,并对NPP模型研究做出展望。生态生理过程模型是当前陆地NPP估算研究的主要手段,而区域尺度转换则是它所面临的关键问题。近年来光能利用率模型已成为NPP估算的一种全新手段,它利用遥感所获得的全覆盖数据,使区域及全球尺度的NPP估算成为可能,但其生态学机理还有待于进一步研究。已有研究表明,“生态一遥感耦合模型”将是陆地NPP估算的主要发展方向,它融合了生态生理过程模型和光能利用率模型的优点,增强了NPP模型估算的可靠性和可操作性。     

2000—2020年青藏高原植被净初级生产力时空变化及其气候驱动作用

青藏高原是我国乃至全世界的“气候变化实验室”,在气候变化驱动下,青藏高原植被净初级生产力(NPP)发生了显著变化。本研究利用归一化植被指数、数字高程、年降水量和年气温等数据,探究2000—2020年青藏高原植被NPP的时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明: 2000—2020年,青藏高原植被NPP呈显著增加趋势,NPP增加速率为1.67 g C·m^-2·a^-1。青藏高原植被NPP空间分布表现为从东南向西北逐渐递减,该分布格局与气温、降水量的空间分布格局基本吻合。植被NPP与气温和降水量变化显著正相关。暖湿化气候变化趋势是促进植被NPP显著增加的重要动力,如果气候持续更暖更湿,青藏高原植被NPP将会持续增加。     

盘锦湿地净初级生产力时空分布特征

主要采用中巴地球资源卫星(CBERS)、合成孔径雷达(SAR)和数字高程模型(DEM)数据,通过主成分变换融合算法、分类回归树CART算法和混合像元分解模型结合神经网络算法,进行了盘锦湿地土地覆盖类型分类。充分考虑湿地生态系统的典型特征,将盐分胁迫因子作为估算湿地耐盐植被净初级生产力(NPP)的环境影响因子之一,构建了基于光能利用率和遥感数据的湿地植被净初级生产力模型。分析了盘锦湿地植被NPP的时空分布特征,并研究了盘锦湿地植被NPP对气温和降水的响应特征。结果表明:2009年盘锦市植被净初级生产力介于0—1175 gC·m-·2a-1之间,平均值为553 gC·m-·2a-1。盘锦市植被NPP空间分布规律呈东北向西南逐渐递增的趋势。在湿地植被分类类型中,芦苇的单位面积平均NPP最高,达到1016 gC·m-·2a-1。2004—2009年盘锦植被单位面积平均NPP值在缓慢上升,湿地已呈现缓慢恢复的趋势。总体上气温对盘锦湿地主要植被类型芦苇月平均NPP的影响要强于降水。2004—2009年降水对盘锦地区植被年平均NPP的影响强于气温。     

中国植被净初级生产力变化的时空格局

利用植被净初级生产力（NPP）遥感估算模型,基于统计学分析方法,研究了1982-2000年我国陆地植被NPP的变化及其年际波动的空间分布特征。结果表明：（1）20年间,我国仅8％的陆地区域植被NPP显著减少,而47％的陆地区域植被NPP显著增加,45％的陆地区域植被NPP变化不明显;（2）从空间分布上看,我国大部地区年NPP增加,仅东部沿海发达地区或工业、城市密集区的年NPP减少,但增减速率在空间上存在明显的差异;（3）1982-2000年间,我国大部地区植被NPP年际波动相对变率较小,但西北地区的荒漠草原,相对变率较大。     

宁夏陆地生态系统水分利用效率特征及其影响因子

生态系统水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)是表征生态系统碳水耦合程度的重要指标,能反映生态系统碳水循环规律及其相互作用关系。基于MODIS数据以及宁夏生态系统类型数据,分析2000—2017年宁夏不同生态系统WUE的变化特征,探讨了NPP和ET两种因子对WUE年际与年内变化的影响。结果表明:(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg·H_2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H_2O之间,总体上呈现南北高、中部低的特征。(2)不同生态系统的WUE差异较大,由高到低为水体及湿地、森林、农田、草地、聚落、荒漠和其他生态系统,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的亚类生态系统,其WUE也越高。(3)宁夏陆地生态系统WUE存在着每年0.0141 g·C/kg·H_2O的下降趋势,年内WUE呈典型的单峰形态,变化范围在0.02—2.16 g·C/kg·H_2O之间。(4)年际尺度上,宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散(Evapotranspiration,ET)有极显著负相关性(P0.01),而与净初级生产力(Net Primary Production,NPP)没有相关性;年内尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(P0.05),与NPP呈极显著正相关(P0.01),这与植被的年内季节性生长过程有关。(5)根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统水分利用效率特征划分为4类,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区。宁夏的生态恢复工程在增强植被生产力的同时,也增强了区域水分消耗,致使陆地生态系统整体水分利用效率下降,这为宁夏未来水资源调控和生态重建提供了科学依据。     

2000—2019年宁夏植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

宁夏是我国重要的农牧交错区,开展该地区植被净初级生产力(NPP)时空变化及其驱动因素研究对于认知该地区NPP变化趋势及主导因素、揭示其植被恢复状况及成因具有重要作用。本研究基于MODIS NPP数据,利用Theil-Sen Median趋势分析、相关分析、叠加分析等方法分析宁夏植被NPP的时空变化及驱动因素。结果表明: 2000—2019年,宁夏植被NPP总体呈波动上升趋势,其线性增长速度为5.46 g C·m^-2·a^-1。研究区植被NPP在空间上呈现两高两低的分布特征,以南部山区最高,其次为引黄灌区,中部干旱带丘陵区和贺兰山一带最低。研究区84.2%的植被NPP处于显著恢复中,主要分布在中部及南部山区丘陵地,植被NPP随海拔变化显著,受地形影响明显。宁夏植被NPP重心总体向正南方向移动,南部植被NPP的增量和增速大于北部。宁夏地区年降水量呈增加趋势,年均温微弱降低,植被NPP主要受降水量的显著影响(R²=0.291),年均温与植被NPP相关性不显著。研究区96.9%的区域处于植被恢复状态,受气候变化和人类活动共同促进。     

海河流域植被净初级生产力时空变化及驱动因素分析

为揭示海河流域植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)时空变化特征及其时空异质性驱动机制，该文基于MOD17A3HGF数据集，综合自然和人为两方面的影响因素，利用变异系数、趋势分析、相关分析、Hurst指数以及地理探测器等，分析2000—2020年海河流域植被NPP时空格局演变特征和定量识别驱动因素及其影响力。结果表明：(1)时间上，2000—2020年海河流域植被NPP整体呈显著上升趋势，增速为1.73 Tg C·a^-1,年均NPP为326.75 g C·m^-2·a^-1,其中针叶林、阔叶林、灌丛、草地和农用地的NPP多年均值分别为313.59、385.28、353.03、320.12、295.22 g C·m^-2·a^-1。(2)空间上，植被NPP高值区集中于西北部山区，低值区集中于东南部平原区；NPP整体情况稳定，变异系数均值为0.17;未来变化趋势呈反持续性，植被NPP可能下降。(3)植被NPP与气温呈负相关，与降水呈正相关，降水为主要...     

1981～2000年陕西省植被净初级生产力时空变化

为阐明陕西省植被净初级生产力(NPP)变化的整体状况,应用以遥感观测数据驱动的GLO-PEM模式模拟估计的NPP数据,对陕西省1981~2000年间的地表植被净初级生产力的空间分布及时间序列变化进行了综合分析.研究结果表明:(1)20年来,陕西省年NPP变化范围为687~858 g/(m2?a),平均值为749 g/(m2?a);(2)陕西省年平均NPP在波动中缓慢上升,NPP年增长幅度为3.248 2 g/(m2?a);(3)陕西省年平均NPP分布总体呈现从南到北递减的趋势,长城沿线风沙区NPP在200~400 g/(m2?a)之间,是陕西省NPP最低的地区;关中中东部NPP较高,大部在800 g/(m2?a)以上,NPP在1 200 g/(m2?a)以上的面积约占1/3,是全省NPP的高值区;(4)陕西省NPP基本不变(NPP变化百分率在-10%~10%之间)的面积占54.7%,NPP变化百分率增加10%以上的面积占40.5%,NPP变化百分率降低10%以下的面积仅占4.8%;(5)占陕西省总面积的77.3%的区域NPP变化不显著(P>0.05),NPP增加极显著(P<0.01)的区域占8.3%,增加显著(P<0.05)的区域占13.8%,NPP降低显著(P<0.05)和降低极显著(P<0.01)占0.7%.     

东北林区净初级生产力及大兴安岭地区林火干扰影响的模拟研究

森林净初级生产力(NPP)是衡量陆地碳源/汇的重要参数, 准确地估算森林生态系统的NPP, 同时通过引入干扰因子以期更加完整地描述生态学过程及其响应是目前森林生态系统碳循环研究的重点。因此, 该研究基于北方生态系统生产力(BEPS)模型, 结合遥感数据和气象数据等模拟2003年东北林区NPP; 将BEPS模型模拟的结果作为整合陆地生态系统碳收支(InTEC)模型的参考年数据, 模拟东北林区1901-2008年的NPP, 并在InTEC模型中加入林火干扰数据, 模拟大兴安岭地区1966-2008年的森林NPP。结果显示: 在1901年, 东北林区NPP平均值仅为278.8 g C·m^-2·a^-1, 到了1950年, NPP平均值增加到338.5 g C·m^-2·a^-1, 2008年NPP平均值进一步增加到378.4 g C·m^-2·a^-1。其中长白山地区的NPP平均值始终最高, 大兴安岭次之, 小兴安岭始终最低。到了2008年, 大、小兴安岭和长白山地区的NPP平均值都有较大涨幅, 其中涨幅最高的是长白山地区, 达到200-300 g C·m^-2·a^-1; 东北三省中, 黑龙江和吉林的NPP平均值和总量都比较高, 辽宁相对较低, 但相比于1901年的涨幅最高, 达到70%; 重大火灾(100-1000 hm²)对NPP的影响不是很大, 而特大火灾(>1000 hm²)的影响比较大, 使NPP下降幅度达到10%左右, 其他火灾年份, NPP增长迅速并保持在较高水平; 对火灾面积在100000 hm²以上的4个年份的NPP进行分析, 发现NPP平均值都大幅度下降, 其中1987年下降幅度最大, 为11%以上。     

中国陆地植被净初级生产力估算模型优化与分析——基于中国生态系统研究网络数据

该研究基于中国生态系统研究网络(CERN)数据对传统CASA模型进行优化,对比两叶模型与优化CASA模型在站点尺度和像元尺度对于8个典型生态站点的植被净初级生产力(NPP)估算精度,选择在像元尺度表现更好的优化CASA模型,结合中国土地覆被数据(ChinaCover)开展2000—2019年中国陆地植被NPP监测与分析。研究结果表明：(1)基于FY2D PAR的优化方案能够有效避免空间插值导致的不确定性问题,显著提高了PAR估算精度;(2)在站点尺度上,两叶模型用于估算典型森林、草地生态系统的NPP表现更好,而在像元尺度上优化CASA模型估算精度更高;(3)在全国尺度上,优化了最大光能利用率、水分胁迫系数以及光合有效辐射计算方法的CASA模型能够较好地模拟中国陆地植被NPP,近20年中国陆地植被NPP变化范围为2.703—2.882 PgC/a,在空间上呈西北低东南高的格局,在时间上呈现波动中缓慢增加的趋势。     

气候变化和人类活动对中国陆地生态系统总初级生产力的影响厘定研究

总初级生产力(GPP)是生态系统植被光合作用生成有机物的能力表征,是生态系统服务功能的基础,关系到区域社会经济可持续发展及区域生态安全。基于生态系统过程模型CEVSA2,应用中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星遥感的叶面积指数数据产品(MCD15A2H),以强迫法构建了遥感数据驱动的模型新版本——CEVSA-RS;基于CEVSA-RS模拟分析了气候变化和人类活动对中国陆地生态系统GPP时空变化的相对影响,从气候潜在总初级生产力(GPP_CL)和现实总初级生产力(GPP_RS)的大小和趋势两方面厘定了人类活动影响。2000至2017年全国平均潜在GPP(1016.36 gC m^-2a^-1)略高于对应现实GPP(962.85 gC m^-2a^-1),但存在明显的空间分异:长江以南大部、秦岭、太行山脉以东以及大兴安岭以东和长白山地区等森林植被覆盖区,现实GPP高于潜在GPP;而西部草地及灌丛等地区现实GPP低于潜在GPP。全国GPP呈显著增加趋势(P<0.05)...     

Spatial patterns and climate drivers of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China

Understanding the dynamics and underlying mechanism of carbon exchange between terrestrial ecosystems and the atmosphere is one of the key issues in global change research. In this study, we quantified the carbon fluxes in different terrestrial ecosystems in China, and analyzed their spatial variation and environmental drivers based on the long‐term observation data of ChinaFLUX sites and the published data from other flux sites in China. The results indicate that gross ecosystem productivity (GEP), ecosystem respiration (ER), and net ecosystem productivity (NEP) of terrestrial ecosystems in China showed a significantly latitudinal pattern, declining linearly with the increase of latitude. However, GEP, ER, and NEP did not present a clear longitudinal pattern. The carbon sink functional areas of terrestrial ecosystems in China were mainly located in the subtropical and temperate forests, coastal wetlands in eastern China, the temperate meadow steppe in the northeast China, and the alpine meadow in eastern edge of Qinghai‐Tibetan Plateau. The forest ecosystems had stronger carbon sink than grassland ecosystems. The spatial patterns of GEP and ER in China were mainly determined by mean annual precipitation (MAP) and mean annual temperature (MAT), whereas the spatial variation in NEP was largely explained by MAT. The combined effects of MAT and MAP explained 79%, 62%, and 66% of the spatial variations in GEP, ER, and NEP, respectively. The GEP, ER, and NEP in different ecosystems in China exhibited ‘positive coupling correlation’ in their spatial patterns. Both ER and NEP were significantly correlated with GEP, with 68% of the per‐unit GEP contributed to ER and 29% to NEP. MAT and MAP affected the spatial patterns of ER and NEP mainly by their direct effects on the spatial pattern of GEP.     

全球不同气候带陆地植被净初级生产力变化趋势与可持续性

分析全球不同气候带陆地植被净初级生产力(NPP)的变化趋势与可持续性,对于估算全球陆地生态系统的结构、功能和碳源(汇)具有重要意义。运用Mann-Kendall突变检验、Theil-Sen斜率估计、Hurst指数分析全球不同气候带陆地NPP的变化趋势与可持续性。结果表明：(1)全球陆地NPP有明显的地域分异规律,呈现低纬高、高纬低,沿海高、内陆低的特点。约48.79%陆地生态系统的植被NPP得到了改善,其中显著改善的面积占全球陆地生态系统的8.45%,主要分布在北美洲北部和中部、亚马逊河流域西部、刚果盆地、欧洲南部、印度半岛西北部、中国黄土高原;轻微改善的面积占全球陆地生态系统的40.34%,主要分布在南美洲中南部、亚洲东部和澳大利亚大陆东部。(2)各气候带NPP变化趋势和突变点表现为：热带、亚热带、极地带的NPP呈不显著下降趋势(R²=0.111,P=0.176;R²=0.144,P=0.120;R²=0.002,P=0.854),热带无明显突变点,亚热带突变点为2015年,极地带突变点为2005年;干旱气候带的NPP...     

山西省植被NPP时空变化特征及其驱动力分析

为科学有效地管理和调控植被资源,解决水土流失、植被减少等生态问题,该研究依据山西省2005—2015年MOD17A3H数据,利用ARCGIS、ENVI等软件,运用统计学分析方法,揭示了山西省植被NPP时空分布变化规律及对气候、人为等影响因素的响应特征。结果表明:山西省植被NPP平均值为326.5 g(C)·m~(-2)·a~(-1),其中草地、耕地、灌丛和林地的NPP多年平均值依次为300.3、353.6、366.5和390.1 g(C)·m~(-2)·a~(-1);植被NPP总体波动增大、变化为显著、极显著、显著增大区域面积比例达56.33%,集中在山西省西部;植被NPP极显著、显著减小区域面积集中在山西省东南角,占比为2.22%;草地NPP变化速率最大,耕地大于灌丛,林地最小;植被NPP平均值和降水平均值之间表现为呈显著正相关。基于栅格单元值计算,全省17.01%的区域植被NPP与降水之间表现为显著或极显著正相关,集中在山西省北部;全省3.66%的区域植被NPP与气温之间表现为显著或极显著负相关,集中在山西省中部。这表明2005—2015年,山西省植被NPP总体呈好转趋势;不同植被对人类活动及环境变化的响应有所差异,草地、耕地生态结构稳定性较弱,NPP变化明显,灌丛和林地稳定性较强,NPP数值稳定;植被NPP与降水之间呈显著正相关,与气温之间呈负相关,气候因子整体上促进植被NPP增大,人为因素整体上抑制植被NPP增大。     

广西植被净初级生产力(NPP)时空演变及主要影响因素分析

利用2001-2010年EOS/MODIS17A3卫星遥感资料,对广西植被净初级生产力(NPP)时空特征及其影响因素进行分析.结果表明：(1)NPP 表现出明显的年际变化,2005年植被年均 NPP 最小为625 gC??m-2??a-1,2003年最大,为714 gC??m-2??a-1,十年间广西植被年NPP平均值为662 gC??m-2??a-1;(2)不同植被类型NPP有较大差异,森林、灌木、农作物的NPP 平均值分别为834、614、517 gC??m-2??a-1;(3)十年间广西区年均NPP为显著下降趋势,且年均气温和降水对NPP时间变化作用显著,而日照时数对 NPP 时间变化的作用不显著;(4)广西区NPP空间格局形成主要影响因素为坡度,其次为经度,再次为地貌特征、纬度和降水;(5)非喀斯特区域北热带季雨林、南亚热带季雨林化/季雨化常绿阔叶林年均 NPP 大于喀斯特地区,相反,喀斯特地区中亚热带常绿阔叶林,农作物年均NPP大于非喀斯特地区.整体而言,广西非喀斯特地区植被NPP为683 gC??m-2??a-1,喀斯特地区植被NPP为620 gC??m-2??a-1.     

西南地区道路建设对植被净初级生产力的影响

道路建设促进区域社会经济发展的同时,通过直接改变原有生态系统、间接增强人类活动进而改变原有生态系统的途径对周围生态系统产生影响。定量评估道路建设对植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)的影响对掌握线性工程生态环境影响,进行社会经济发展与生态安全权衡具有一定现实意义。基于西南地区2016年道路和2015年NPP数据,利用核密度(Kernel Density,KD)表征道路影响域和影响强度,借助ArcGIS平台,分析不同土地覆被和经济发展强度下道路建设与NPP的关系。结果表明:(1)搜索半径为0.5km时,道路KD (km/km²)范围为[0.0,47.3],其中道路KD为零的区域约占研究区总面积的79.8%,这些未受道路干扰区域大部分位于西藏、青海、四川西部、贵州和云南的西北部;道路KD为(0.0,5.0\]的区域约占道路KD非零区域面积的88.4%,除成都、重庆、贵阳、南宁、昆明等城市外,区域大部分地区道路密度仍处于较低水平。(2)从不同土地覆被下道路KD与NPP的关系来看,中低道路干扰条件下,林地、耕地和人工表面稳定性更强,道路KD小于4.1时NPP相对稳定,而草地、湿地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后,NPP出现急剧变化。随道路KD增大NPP趋于发散,这可能是由道路密度增加后其两侧人类干扰类型多样化引起。(3)以县级行政区划为单位,按单位面积道路KD由小到大的顺序,将研究区分成5个部分:分区1-分区5。在分区1,NPP随道路KD增大呈先波动升高,相对稳定变化后降低再发散;在分区2-分区5,NPP随道路KD增大总体呈降低趋势,且变异性逐渐增加,经历了相对稳定阶段、线性变化阶段、发散阶段。根据研究结果,道路建设需重点关注生态敏感脆弱区的植被保护,如草地和湿地,应尽量避免较高密度道路建设带来的生态系统退化问题,同时应根据不同的地区制定适宜的保护方案。