基于植被生产力的西南地区生态系统脆弱性特征

中国西南地区是全球生物多样性保护的重要地区之一.在全球气候变化背景下,该地区生态系统呈现出脆弱性增加的趋势.本研究基于生态系统总初级生产力(GPP),根据IPCC有关脆弱性的概念,计算西南地区生态系统的脆弱性,并分析了该区脆弱等级的空间分布格局,以及生态系统脆弱性与降水、温度、海拔、坡度和植被类型等因子间的相关性.结果表明: 西南地区生态系统脆弱性呈现由东南向西北逐渐增强的趋势,区域内多数地区为轻度、中度脆弱区(二者共占69%).脆弱等级随着区域内年平均降水量、多年平均温度的增加而减少,随着区域内海拔、坡度的增加而增加.西南喀斯特山区和西北山地农牧交错区呈现较高的脆弱性,更容易受气候变化或其他外界扰动的影响.针叶林、灌丛和草地的脆弱性相对较高,未来可能更容易受到气候变化的影响.     

基于植被羰基硫通量估算陆地生态系统总初级生产力研究进展

羰基硫(COS)是大气中的长周期痕量气体,其分子结构、对流层大气混合比的昼夜和季节动态类似于二氧化碳(CO₂)。植物光合作用及其水解过程中,受扩散通路导度和酶活性影响,气孔的COS与CO₂吸收紧密相关,同时,植物自养呼吸并不释放COS。最新研究中,采用植被COS通量直接指示生态系统总初级生产力(GPP)。综述了植被COS通量与光合作用中碳固定过程的关联机制,以及采用涡度相关观测、整合大气COS监测和生态系统过程模型等方法开展植被COS通量与GPP研究的最新进展,探讨了关键生态过程和参数,发现方法存在以下瓶颈：(1)生理过程、尺度效应和解析效应影响了COS与CO₂的叶片相对吸收率,(2)观测与模拟手段有待进一步耦合,(3)全球COS观测密度限制了方法验证,(4)硫循环过程影响了多区域模拟精度。方法发展的前沿领域包括：(1)开展重点地区植被COS通量观测,(2)提高COS卫星柱浓度的覆盖范围,(3)完善生态系统过程模型的COS吸收机理。展望未来研究关注的科学问题是：对于亚热带等尚待开展COS连续观测的区域,采用植被COS通量...     

基于遥感和过程模型的亚洲东部陆地生态系统初级生产力分布特征

利用美国环境预测中心的再分析气象资料和由GIMMS NDVI 资料生成的叶面积指数对BEPS生态模型进行驱动,模拟分析了2000-2005年亚洲东部地区总初级生产力（GPP）和总净初级生产力（NPP）的时空变化特征.在进行区域模拟计算前,使用15个站点不同生态系统的GPP观测数据及1300个样点的NPP观测数据对模型进行验证.结果表明： BEPS模型能较好地模拟不同生态系统的GPP和NPP变化,模拟的GPP与观测数据之间的R2为0.86～0.99,均方根误差（RMSE）为0.2～1.2 g C·m-2·d-1;BEPS模拟值能够解释78%的年NPP变化,其RMSE为118 g C·m-2·a-1.2000-2005年,亚洲东部地区GPP和NPP总量平均值分别为21.7和10.5 Pg C·a-1.NPP和GPP具有相似的时空变化特征.研究期间,NPP总量的变化范围为10.2～10.7 Pg C·a-1, 变异系数为2.2%.NPP由东南向西北显著减少,高值区〖JP2〗（>1000 g C·m-2·a-1）出现在东南亚海岛国家,我国的西北干旱沙漠地区为低值区（<30 g C·m-2·a-1）,〖JP〗其空间格局主要由气候因子决定.不同国家的人均NPP差异很大,其中,蒙古最高,达70217 kg C·a-1,远高于中国的人均NPP（1921 kg C·a-1）,印度的人均NPP最小,为757 kg C·a-1.     

珊瑚礁生态系统初级生产力研究进展

珊瑚礁生态系统由珊瑚礁生物群落及其周围的海洋环境共同组成。该生态系统具有很高的生产力和生物多样性而引起科学家的重视 ,特别是高初级生产力。初级生产力的贡献者包括底栖植物、浮游植物、共生藻和自养细菌等。初级生产力的测定方法较多 ,各有利弊 ,通常采用 1 4C同位素法。在初级生产力中 ,新生产力更引起科学界关注。对于新生产力的测定 ,主要应用 1 5N示踪法 ,采用“f”比或 Redfield比值来估算。为了减少误差 ,一般同时使用几种方法。光是影响初级生产力的主要因素 ,而对新生产力构成限制的主要因素是氮源。珊瑚礁生态系统初级生产力研究较多 ,但新生产力却很少。未来科学界研究重点在于珊瑚礁生态系统初级生产力和新生产力的动力学效应     

天山北坡不同海拔梯度山地草原生态系统地上净初级生产力对气候变化及放牧的响应

以天山北坡三工河流域为例,利用改进后的Biome-BGC模型分别模拟了仅气候变化（Clm）、气候变化与放牧联合作用（ClmGra）下研究区不同海拔梯度3种山地草原生态系统（低山干旱草原,LAG;森林草甸草原,FMG;高寒草甸草原,AMG）1959—2009年地上净初级生产力（Aboveground Net Primary Production,ANPP）的动态,并通过假设27种放牧强度情景（0—8 羊/ha）模拟了其ANPP随放牧强度增加的变化趋势。近50年气候变化致使研究区各海拔梯度草原生态系统ANPP整体均呈上升趋势,但在放牧联合作用下,不同草原类型ANPP变化趋势差异显著;放牧导致FMG和AMG的ANPP呈下降态势,分别减少30.0%和33.2%,对比之下,由于1980前较低放牧强度促进了LAG的ANPP,放牧导致其ANPP整体增加1.3%。随着放牧强度增加,LAG的ANPP呈先增后减趋势,且在干旱年份最为显著;而FMG和AMG的ANPP呈显著非线性递减趋势。这些结果表明,近50年气候波动可能有利于中亚干旱区山地草原生态系统生产力的提高,但日益增强的放牧活动导致其净初级生产力显著降低;放牧对FMG与AMG生产力的负面效应随放牧强度增加而增强,但适度放牧可能促进LAG净初级生产力,尤其在干旱年份。     

三江源地区人工草地的生态系统CO2净交换、总初级生产力及其影响因子

为了揭示三江源区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地生态系统(100°26′-100°41′ E, 34°17′-34°25′ N, 海拔3 980 m)的净生态系统CO₂交换(NEE), 该研究利用2006年涡度相关系统观测的数据分析了该人工草地的NEE, 总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(R_eco)以及R_eco/GPP的变化特征及其影响因子。CO₂日最大吸收值为6.56 g CO₂·m^-2·d^-1, 最大排放值为4.87 g CO₂·m^-2·d^-1。GPP年总量为1 761 g CO₂·m^-2, 其中约90%以上被生态系统呼吸所消耗, CO₂的年吸收量为111 g CO₂·m^-2。5月的R_eco/GPP略高于生长季的其他月份, 为90%; 6月R_eco/GPP比值最低, 为79%。生态系统的呼吸商(Q₁₀)为4.81, 显著高于其他生态系统。该研究表明: 生长季的NEE主要受光量子通量密度(PPFD)、温度和饱和水汽压差(VPD)的影响, 生态系统呼吸则主要受土壤温度的控制。     

高寒生态系统脆弱性及其对气候变化和人类活动的响应

了解陆地生态系统的脆弱性和基本机制是适应和减轻全球气候变化影响的决策基础。生态系统的脆弱性可以通过生产力对气候变化的敏感性和适应性进行量化。采用1982-2018年青海省境内基于遥感的现实净初级生产力（NPP_R）和气候驱动的潜在净初级生产力（NPP_C）,量化了高寒生态系统的敏感性（Sensitivity）、适应性（Adaptability）和脆弱性（Vulnerability）。然后探讨了生态系统脆弱性的时空变化,并分别从人类活动和气候变化的影响方面分析了其基本机制。结果表明：（1）基于NPP_R和NPP_C的生态系统脆弱性在空间上呈现出中度脆弱的模式,脆弱性从东南向西北由不脆弱依次递增到极度脆弱等级。（2）耕地的脆弱性较低,基于NPP_R和NPP_C的指数分别为-1.31和-0.93,这是由于其适应水平较高而敏感性较低;森林次之,指数为-1.18（NPP_R）和-1.06（NPP_C）;草原的指数为-0.17（NPP_R）和-0.17（NPP_C）;而荒漠的脆弱性较高,指数为0.77（NPP_R）和0.78（NPP_C）,这是由于其敏感性较高,适应性较低。（3）基于NPP_R的高寒草地的脆弱性有两个温度阈值（-2.2±0.8）℃和（5.5±0.8）℃,一个降水阈值（387±45.6）mm,两个干旱指数阈值为（14.2±20.2）和（78.2±20.2）。而基于NPP_C的脆弱性也发现了同样的阈值,并且数值相似。阈值表明最佳气候条件下,生态系统将具有较高的适应性和较低的敏感性,即较低的脆弱性。但如果气温较低或较高,或者降水较低,生态系统的脆弱性将会更高。（4）人类活动对东部地区生态系统的脆弱性产生了强烈的影响,但就整个青海省的生态系统而言,这些影响在区域平均水平上较小。这项研究表明,在高寒脆弱的生态系统中,气候条件决定了脆弱性在空间上的分布情况,这应该被视为生态保护决策的理论基础。此外,本研究发现的阈值将为生态系统生态学提供一个案例研究,并应在世界各地的脆弱生态系统中广泛探索。     

基于VPM模型的甘肃省植被总初级生产力动态变化

基于光能利用率模型(vegetation photosynthesis model,VPM)对2005-2017年甘肃省植被总初级生产力(gross primary productivity,GPP)进行估算,并对植被GPP的时空变化特征、不同植被区划的GPP变化趋势以及影响因素等进行探究.结果表明:(1)2005-2...     

基于碳-水-氮耦合过程改进模型的温带草地生态系统生产力模拟研究

基于碳-水-氮耦合过程改进模型的温带草地生态系统生产力模拟研究 预测气候变化背景下生态系统总初级生产力的响应是全球变化生态学研究领域的一项核心任务。然而,对模型研究领域来说,准确模拟干旱生态系统总初级生产力的年际变异仍然是一个巨大的挑战。土壤含水量和总初级生产力对土壤水敏感性的精确模拟,是预测干旱生态系统中总初级生产力年际变异的两个关键方面。为此,本研究以一个广泛应用的生态系统模型(Biome-BGC模型)为例,旨在改进温带草地生态系统的模型模拟效果。一方面,通过对蒸散模块、土壤水沿剖面的垂直分布和田间持水量计算的改进和调整,模型实现了对土壤水模拟的更新。另一方面,我们改进了影响水-氮关系的函数,从而调节了总初级生产力对土壤水的敏感性。研究结果表明,原有模型高估了土壤含水量,低估了总初级生产力敏感性的年际变异,从而导致模拟总初级生产力的年际变异低于观测值。例如,原模型严重低估了总初级生产力在干旱年份的减少。相比之下,改进后的模型准确地模拟了观测土壤水的季节和年际变化,特别是表层土壤水。通过优化影响氮矿化的参数,改进后的模型改善了总初级生产力对土壤水敏感性的模拟,使其更接近观测值。因此,改进后模型对总初级生产力年际变异的模拟得到了很大程度的提高。我们的结果表明,在对干旱生态系统总初级生产力年际变异进行模拟时,应优先考虑表层土壤水及其对氮有效性的影响。     

基于遥感和地面数据的景观尺度生态系统生产力的模拟

描述了一个反映系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型(EPPML)．该模型以遥感图像作为数据源,从中获取影响植被生产力的重要变量——叶面积指数(LAI);主要对景观尺度生态系统的净初级生产力(NPP)和蒸散量的空间分布格局和时间动态进行模拟;用地理信息系统(GIS)手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换．本研究用EPPML对1995年长白山自然保护区的植被生产力进行了模拟,结果表明,EPPML可以比较准确地模拟该保护区主要植被的NPP．NPP的模拟值年均为0．680kgC·m^-2,变幅为0．105—1．241kgC·m^-2(82.1％),其中阔叶红松林的年NPP最高(1．084kgC·m^-2)．NPP年总量为1．332×10^6tC,以阔叶红松林和云冷杉林最高,分别为0．540×10^6tC和0．428×10^6tC．NPP的季节变化呈明显的单峰型,7月最大(6．13gC·m^2·d^-1)．NPP在夏季积累最多(0．465kgC·m^-2),春季次之,冬季最少。     

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)...     

基于叶面积指数估算植被总初级生产力

长时间序列的陆地碳通量数据在全球生态环境变化研究中具有重要意义。采用MODIS GPP(Gross Primary Productivity)算法,基于GIMMS LAI3g,MODIS15和Improved-MODIS15三种叶面积指数(LAI),估算了全球2000至2010年的植被总初级生产力(GPP)。该估算的GPP数值经过全球20个通量站点的验证,并结合MODIS17分析了它们在时空变化上的异同。结果表明:(1)4种GPP精度如下:GPP_(MOD17)GPP_(impro_MOD15)GPP_(LAI3g)GPP_(MOD15)。(2)4种GPP整体上具有一致的季节波动,冬季和夏季整体好于春季和秋季。GPP_(LAI3g)的4个季节精度较相近,而GPP_(MOD17)除了春秋季外其它季节都较好。(3)GPP_(LAI3g)在中等GPP值分布区的估值相对较高,其全球总GPP大体为(117±1.5)Pg C/a,GPP_(MOD17)和GPP_(impro_MOD15)相近且都低于该值。(4)GPP_(LAI3g)和GPP_(impro_MOD15)在大约63.29%的陆面上呈显著(P0.05)的正相关关系,它们和GPP_(MOD17)在LAI不确定性小的地区呈显著的正相关关系。GPP_(LAI3g)和GPP_(MOD15)正相关分布面积占比为40.61%。     

2001—2020年秦巴山区植被生产力对干旱的响应

为定量评估干旱对秦巴山区植被生产力的影响,本研究利用MODIS GPP数据和标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了2001—2020年秦巴山区总初级生产力(GPP)和干旱时空变化特征,识别了不同植被类型GPP负异常事件的波动趋势,量化了GPP的干旱脆弱性和干旱风险。结果表明: 2001—2020年间,秦巴山区98.0%的区域年GPP呈增加趋势。除湿地外,其余植被类型GPP均呈极显著增长。秦巴山区23.8%的区域SPEI呈减小趋势。GPP负异常事件数无显著变化,但GPP异常波动程度逐渐加剧,并以耕地最明显。2011年后,所有地类GPP负异常与干旱并发事件比例均下降,但干旱在GPP负异常事件中的时空范围呈扩大趋势。与2001—2010年相比,2011年后GPP干旱脆弱性和干旱风险为正值的区域占比分别增长104.1%和6.7%,即干旱导致GPP下降的面积有所扩大。所有地类中,干旱导致湿地GPP下降的程度最大。研究结果揭示出2001—2020年干旱使秦巴山区GPP波动加剧,极端值出现频率增大,进而导致多数植被类型GPP出现不同程度的下降。     

散射辐射对中国东部典型人工林总初级生产力的影响

散射辐射是影响森林碳吸收的重要因子。然而,有关生态系统总初级生产力(GPP)对散射辐射响应机理的理解仍有限。该研究利用中国东部6个人工林生态系统2019–2020年观测的碳通量数据和气象数据,估算了散射辐射,区分了直接辐射和散射辐射条件;基于直角双曲线方程获取了不同辐射条件下生态系统光响应参数;量化了GPP对散射辐射和直接辐射变化的响应;采用偏相关方法分析了光照和环境因子对GPP日变化的贡献,旨在探究生长季散射辐射对人工林生态系统GPP的影响机理。研究表明:散射辐射增加可以有效促进冠层光合作用,初始量子效率(α)和光合有效辐射(PAR)为1 000μmol·m^–2·s^–1时的GPP (P₁₀₀₀)分别提高了47%–150%和2%–65%。与直接辐射条件相比,散射辐射条件下的PAR每增加1μmol·m^–2·s^–1,GPP增加0.86%–1.70%,森林植被类型和站点物候变化会影响这一过程,具有较低归一化植被指数(NDVI)的樟子松(Pinus sylvestris var. mo...     

中国温带草地物候对气候变化的响应及其对总初级生产力的贡献

气候变暖引起的植物物候变化影响了陆地生态系统功能和碳循环。目前研究着重关注温带和热带森林物候变化趋势、驱动因素,关于干旱半干旱地区草地物候变化及其对生态系统总初级生产力（gross primary productivity, GPP）影响仍知之甚少。因此,开展草地植物物候与生产力之间的关系研究对预测草地生态系统响应未来气候变化和区域碳循环至关重要。基于1982-2015年气象资料和GIMMS NDVI3g数据,分析了中国温带草原植被返青期（start of the growing season, SGS）和枯黄期（end of the growing season, EGS）变化及其对气候的响应,并借助一阶差分法量化物候对GPP动态变化的贡献。结果表明：（1）季前1-2个月的夜间温度增温会显著提前SGS, 而当月至季前2个月的白天温度对SGS有着微弱的促进作用;季前3个月的累积降水对SGS提前作用最为强烈,累积太阳辐射在各个时期对SGS影响相对较弱。（2）不同季前时间尺度昼夜温度对草地EGS均表现出相反的作用,短期累积降水对EGS起到显著延迟的区域范围最大,太阳辐射随着季前时间的增加对草地枯黄期的延迟作用逐渐转变为提前作用。（3）EGS对草地GPP年际变化趋势的相对贡献率强于返青期。研究结果有助于深化陆地生态系统与气候变化、碳循环之间相互作用的认识,为草地适应未来气候变化和生态建设提供科学依据。     

植被覆盖度和物候变化对典型黑沙蒿灌丛生态系统总初级生产力的影响

气候变化和人类活动是植被生产力年际尺度变化的重要驱动因素, 明晰二者对植被生产力的共同影响对于生态系统可持续管理至关重要。气候变化可能导致植被物候变化, 进而影响植被生产力。目前尚不清楚毛乌素沙地典型植被物候如何响应气候变化, 并因此影响生态系统总初级生产力(GPP)。此外, 植被恢复(覆盖度增加)和物候变化对GPP的共同影响有待明确。该研究选取典型黑沙蒿(Artemisia ordosica)灌丛生态系统, 结合MODIS遥感数据与涡度相关数据, 利用植被光合模型(VPM), 模拟并分析了2005-2018年间植被覆盖度和物候变化对GPP的影响。结果表明: (1) VPM模型能够较好地模拟涡度相关法观测的GPP动态(GPP_Flux), 而MODIS遥感产品(MOD17A2H)则显著低估GPP_Flux; (2)研究期内年均归一化差异植被指数(NDVI)、最大NDVI (NDVI_max)和年总GPP均显著增加, 表明植被恢复促进了植被生产力增加; (3)基于NDVI和GPP日序列估算的生长季开始日期显著提前(2.1 d·a^-1), 生长季结束日期显著推迟(1.5 d·a^-1), 二者共同促使生长季长度延长(3.6 d·a^-1); (4)物候期延长促进了GPP增加, 生长季长度每延长1天, 全年GPP显著增加6.44 g C·m^-2·a^-1; (5)植被覆盖度增加和生长季延长分别可以解释79%和57%的GPP增加; (6)尽管植被覆盖度和物候变化均促进GPP增加, 但前者是其增加的主要驱动因素。鉴于植被覆盖度增加和生长季延长也可能导致生态系统呼吸和蒸散发增加, 未来研究仍需探究生态系统碳汇能力、水分利用效率和水分承载力对气候变化和人类活动的响应。此外, 该研究主要探讨GPP在年际尺度的变化趋势及影响因素, 未来需要研究GPP的年际变异规律及驱动因素, 尤其是对降水年际变异和极端干旱事件的响应。