基于Biome-BGC模型及树木年轮的太白红杉林生态系统对气候变化的响应研究

利用Biome-BGC模型模拟了1960—2013年太白山太白红杉林生态系统的净初级生产力(NPP),对其与太白红杉的径向生长关系进行了探讨,并分析了NPP值对气候变化的响应关系。结果表明:1960—2013年太白山太白红杉林北坡NPP年均值为305.33g C m~(-2)a~(-1),南坡为320.71g C m~(-2)a~(-1),南北坡的NPP值均呈现出一定的上升趋势,北坡的上升速率(0.47g C m~(-2)a~(-1))要小于南坡(1.29g C m~(-2)a~(-1)),但是北坡太白红杉分布下限区NPP值波动浮动较大。且北坡太白红杉NPP值随着海拔高度的上升而逐渐下降,低海拔的变化振幅要大于高海拔地区,南坡无明显变化。多数采样点的模拟NPP值与树轮宽度指数年际变化趋势趋于一致,相关关系呈显著相关。太白红杉标准年表、模型模拟NPP值与气象因子的相关分析均表明太白红杉的生长与生长季气温的相关性显著高于降水,即生长季的气温是太白红杉生长的限制因子。气候的变化作为制约太白红杉生境的重要因素,影响了太白红杉树木的生长,进而对NPP的变化产生了影响。树木年轮很好的检验了Biome-BGC模型模拟结果。     

秦岭太白红杉林遥感物候提取及对气候变化的响应

高山林线树种对气候变化响应敏感,是研究气候变化和物候变化的理想树种。本文基于双Logistic曲线拟合法重建了2000—2015年MODIS EVI2时间序列影像并提取太白红杉林关键物候参数,结合太白山地区气象站的气候资料,研究太白红杉林遥感物候及其对气候因子的响应。结果表明:2000—2015年太白红杉林生长期开始时间在第120天左右,生长期结束时间在第288天左右,平均生长期长度为168 d; 16 a来太白红杉林生长期始期整体呈提前趋势,变化率为-0.65 d·10 a~(-1);生长期末期整体呈推迟趋势,变化率为0.35 d·10 a~(-1);整个生长期呈延长趋势,平均延长幅度为0.99 d·10 a~(-1);太白红杉林物候始期与同期气温、降水呈负相关的区域分别占研究区的73.11%和61.25%,而与潜在蒸散呈正相关的区域占65.17%;物候末期与同期气温、降水、潜在蒸散、日照和风速均呈正相关,面积比分别为74.91%、72.87%、78.14%、68.60%和64.74%,其中气温是太白红杉林物候始期提前的主要影响因素,气温、降水、潜在蒸散是物候末期推迟的主要影响因素。     

太白山南北坡高山林线太白红杉对气候变化的响应差异

气候变化对秦岭植被生长的影响已经引起了人们的广泛关注,在相同的立地条件下,植被对气候变化的响应会因坡向不同而产生差异,秦岭的分水岭太白山尤为典型,为更进一步揭示不同坡向太白红杉(Larix chinensis)对气候变化响应的差异,以树木年代学为依据,利用采自太白山南、北坡相同海拔的太白红杉树芯样本分别建立了树轮年表,并分析了两者的年表特征,探讨了树轮宽度指数与气候因子之间的相关性及逐步线性回归方程。结果表明:太白山南、北坡太白红杉年表的平均敏感度、样本间平均相关系数、样本总体代表性等特征值较高,表明两个不同坡向年表中皆含有丰富的环境信息,相对而言,北坡样地植被对气候的响应较南坡样地敏感;由相关性分析可知,南北坡太白红杉差值年表对气温和降水响应显著的月份有所差异,北坡样地轮宽指数与当年和前一年1—6月平均气温皆为显著正相关关系,而南坡样地轮宽指数仅与当年5—6月平均气温通过显著性检验。南、北坡太白红杉径向生长都明显受到前一年6月降水"滞后效应"的一致影响,但北坡仅与当年8月的降水呈显著正相关,南坡与当年1—4月的平均降水量存在十分显著的负相关;多元线性逐步回归模型显示,气温因子对回归方程的贡献最大值均大于降水因子的贡献最大值,表明气温因子的变化更易引起太白红杉树轮宽度的变化,另外,气温因子对北坡样地回归模型的贡献值比气温因子对南坡样地回归模型的贡献值大,表明北坡样地处树轮宽度指数对气温因子更敏感,并且与相关分析结果一致。     

树木年轮对气候变化的响应研究及其应用

树木年轮的宽度、密度、亮度和同位素含量等都与气候因子光、温和湿度等的变化有复杂的相关关系, 对这种相关生理机理的研究也有较大的进展。综述了这方面的研究进展及这些成果在古气候和环境研究、生理生态学、林学、群落学甚至历史社会学等领域的应用。     

华北地区油松林生态系统对气候变化和CO2浓度升高的响应——基于BIOME-BGC模型和树木年轮的模拟

应用BIOME-BGC模型和树木年轮数据模拟1952-2008年华北地区典型油松林生态系统净初级生产力(NPP)动态,探究了树木径向生长和NPP对区域气候变暖的响应以及未来气候情景下油松林生态系统NPP动态变化.结果表明:1952-2008年,研究区油松林生态系统NPP波动于244.12 ～645.31 g C·m-2·a-1,平均值为418.6 g C·m-2·a-1.5-6月的平均温度和上年8月至当年7月的降水是限制该地区油松径向生长和油松林生态系统NPP的主要因子.研究期间,随着区域暖干化趋势的加强,树木径向生长和生态系统NPP均呈下降趋势.未来气候情景下,NPP对温度和降水的单独和复合变化的响应为正向.CO2浓度升高有利于油松林生态系统NPP的增加,CO2的施肥效应使NPP增加16.1％.在生态系统和区域水平,树木年轮是一种理想的指示生态系统动态变化的代用资料,可以检验和校正包括BIOME-BGC模型在内的各种生态系统过程模型.     

基于Vaganov-Shashkin模型的太白红杉径向生长对气候要素的响应

利用采自太白山南坡药王殿、北坡上板寺的太白红杉树芯样品分别建立树轮宽度年表,运用Vaganov-Shashkin模型揭示秦岭太白红杉径向生长对各气候要素的响应.结果表明: 生长季(4—8月)的温度、生长初期的降水量以及7、8月的降水量是限制秦岭地区太白红杉生长的主要气候因子.良好的温度条件有利于太白红杉的生长,但生长初期的降水量会抑制太白红杉的生长;7、8月的降水量对秦岭南坡和北坡太白红杉的影响差异明显,该时段内丰富的降水量对北坡太白红杉的生长具有促进作用,而对南坡太白红杉的生长产生一定的限制作用;同一坡向、不同海拔采样点树木径向生长与气候因子的响应结果同样存在差异,高海拔采样点太白红杉的生长需要的温度条件低于低海拔采样点,但对土壤湿度的需求大于低海拔采样点.生长开始日的早晚对太白红杉树轮宽度的形成影响很大,而生长结束日仅与南坡采样点树轮宽度之间呈显著相关.     

基于Biome-BGC模型的北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应研究

研究中国北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应,对于制定合理的经营管理措施以应对区域的气候变化具有重要意义。基于对杨树人工林碳水通量的连续监测数据和对Biome-BGC模型参数的校准,模拟分析杨树人工林碳水通量及水分利用效率(WUE)对气候变化(气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升)的响应规律。结果表明,Biome-BGC模型校准后显著提升了其对杨树人工林碳水通量的模拟精度,对GPP、ET模拟结果的Nash-Sutcliffe效率系数(NS)分别为0.69和0.63,各自提高了64.3%和80%,均方根误差(RMSE)则分别降低至1.94 g C m~(-2) d~(-1)和0.88 mm/d,分别下降了26.5%和25.4%。在未来气候变化情景中,单独的气温上升、降水增加和大气CO_2浓度上升分别造成GPP的降低、升高和升高,其中GPP对大气CO_2浓度上升的响应程度(28%—44%)远高于对气温上升(1%—5%)和降水变化(3%—10%)的,ET则主要受降水的影响,响应程度在5%—14%之间。GPP和ET对气候变化的响应则受不同水平的气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升三者综合作用的影响。基于GPP和ET对气候变化的响应,WUE随气温上升、降水增加表现为降低趋势,随降水减少和大气CO_2浓度升高则呈升高趋势;其对未来气候中大气CO_2浓度升高的响应程度为27.7%—43.6%,远高于对气温上升(1.2%—5.8%)和降水变化(1.2%—3.5%)的,说明未来气候变化中大气CO_2浓度上升是促进杨树生长的主要因素;其中相对于当前WUE(2.8 g C/kg H_2O),C2T2P1和C0T3P0情景下WUE的升高和降低幅度最大,分别为45.4%和5.8%。     

华北地区油松林生态系统对气候变化和CO2浓度升高的响应——基于BIOME-BGC模型和树木年轮的模拟

应用BIOME-BGC模型和树木年轮数据模拟1952-2008年华北地区典型油松林生态系统净初级生产力（NPP）动态,探究了树木径向生长和NPP对区域气候变暖的响应以及未来气候情景下油松林生态系统NPP动态变化.结果表明：1952-2008年,研究区油松林生态系统NPP波动于244.12～645.31 g C·m^-2·a^-1,平均值为418.6 g C·m^-2·a^-1.5-6月的平均温度和上年8月至当年7月的降水是限制该地区油松径向生长和油松林生态系统NPP的主要因子.研究期间,随着区域暖干化趋势的加强,树木径向生长和生态系统NPP均呈下降趋势.未来气候情景下,NPP对温度和降水的单独和复合变化的响应为正向.CO₂浓度升高有利于油松林生态系统NPP的增加,CO₂的施肥效应使NPP增加16.1%.在生态系统和区域水平,树木年轮是一种理想的指示生态系统动态变化的代用资料,可以检验和校正包括BIOME-BGC模型在内的各种生态系统过程模型.     

秦岭太白红杉对气温变化的响应及其机理

高山林线对气候变化反应敏感,是研究气候变化的理想场所。本文以秦岭太白山林线树种太白红杉为研究对象,利用2000—2015年MODIS NDVI数据集和气温数据,研究了太白红杉对气温变化的响应特征并试图揭示其响应机理。结果表明:太白红杉区年均NDVI与年均气温呈正相关,呈正相关的像元数占96.30%,达显著正相关的像元数占31.42%,即在年尺度上气温升高有利于太白红杉的生长;月尺度上,太白红杉区月均NDVI对月均气温的响应大多为正响应,既具有同期性,也存在滞后性,滞后期约为1~3个月;但8月NDVI与前期、同期气温及积温均为负相关,且大多数为显著负相关;太白红杉区年最大NDVI与前期不同时段气温均呈负相关,表明气温升高在一定程度上不利于太白红杉年最大NDVI的增长;年最大NDVI与前一年8月至当年7月平均气温相关性分析中,负相关像元数远高于正相关像元数,且当前一年8月至当年7月年均温在-0.4~0.8℃范围内,太白红杉年最大NDVI对气温的响应达到最佳状态,当气温低于-0.4℃或高于0.8℃时,负相关比例增多,太白红杉的生长在一定程度上会受到影响。     

太白红杉林径级和龄级结构的研究

在秦岭太白山,选取太白红杉3个林型组中的8种林型,设置20个样地,用样方分析法进行调查,共做样方180个,主要分析了太白红杉8种林型的径级和龄级结构及其密度变化规律等,根据它们的径级和龄级结构表现特征,划分为3种类型,结果表明用径级和龄级对太白红杉林进行客观描述存在着一致性,太白红杉年龄均值浮动区间的大小,说明太自红杉林种群在发育上存在着时间差异,还对造成太白红杉8种林型的这一径级和年龄结构的形成原因进行了探索,提出了相应的保护策略。     

生态系统响应气候变化脆弱性的人工神经网络模型评价

生态系统的脆弱性评价对于生态系统的管理具有重要作用。在分析生态系统脆弱性特征和影响因素的基础上 ,构建了针对森林和草地生态系统的脆弱性评价指标体系 ,涵盖了生态系统的结构、功能和生境 3个方面 ,评价指标分别是物种多样性、群落覆盖度、NPP、建群种年生长量、地表干燥度以及土壤有机碳等。评价系统将生态系统的脆弱性划分为轻微脆弱、中度脆弱、重度脆弱以及系统崩溃 4级。作为案例研究 ,构建了结构和性能优化的多层感知器 ,评价了温带落叶阔叶林生态系统的脆弱性。结果表明 ,通过人工神经网络模型评价生态系统的脆弱性是一条可行的途径     

秦岭太白红杉林分布及太白山高山林线特征的定量分析

采用正交试验设计在秦岭太白山设置了12个太白红杉林分,用样方方法对太白红杉种群进行了调查,用正交分析法和"DataProcessingSystem"数据处理软件对影响太白红杉林分布的5个生态因子进行了分析。结果表明:5个生态因子中,海拔梯度的变化是影响太白红杉林分布的主导因子,5个生态因子在影响太白红杉林分布中的作用地位是:海拔>坡度>土壤厚度>坡向>风向。并对描述太白红杉林的5个指标进行了主成分分析,并对高山林线进行了定量描述,胸高直径是描述太白红杉林的主要成分,海拔3400m是太白山太白红杉郁闭林的上限。     

基于BIOME-BGC模型的秦岭北坡太白红杉林碳源/汇动态和趋势研究

为了解秦岭北坡太白红杉(Larix chinensis)的碳源/汇动态,运用BIOME-BGC模型模拟了1959-2016年太白红杉生产力、碳储量和碳利用效率(CUE),并利用气候情景设定方法预测碳源/汇功能的未来趋势。结果表明,58年间太白红杉的平均净初级生产力(NPP)、初级生产力(GPP)和净生态系统生产力(NEP)分别为328.59、501.56和31.42 g C m–2a–1,平均碳储量为35.38 kg C m–2a–1,平均CUE为0.65;除1960-1961、1969-1970、1997-1999年为"碳源"年外,绝大多数年份为"碳汇"年,年内呈现"碳源-碳汇-碳源"的变化特征,碳储量总体增加,潜在固碳能力较为稳定。GPP、NPP、碳储量的正向作用排序为气温上升CO_2浓度增加,NEP的正向作用排序反之,降水增加对生产力和碳储量增加起反作用,气温升高对CUE起反作用;气温和CO_2浓度是北坡太白红杉生长的限制因子,气温的限制性强于CO_2浓度,未来气温或CO_2浓度升高有利于碳汇功能发挥,降水增加减弱碳汇效果。RCP4.5、RCP8.5情景下太白红杉生产力和碳储量在21世纪呈上升趋势,RCP8.5上升幅度略大于RCP4.5,潜在固碳能力仍较强;1-3月和10-12月为"碳源"月,5-9月为"碳汇"月。这揭示了气候变化背景下气温、降水和CO_2浓度对太白红杉碳源/汇的影响方式,气温和CO_2浓度上升是碳汇的促进因素,降水增加为阻碍因素。     

太白山林线附近太白红杉种群的生态特征

高山林线对外界环境的变化和干扰异常敏感,已成为全球气候变化研究的热点。太白红杉(Larix chinensis)是太白山的高山林线树种,对高海拔生态环境的保护起着重要的作用。在太白山林线附近采用样方调查的方法,对太白红杉种群的生态特征进行了研究,结果表明:(1)林线附近不同海拔区域,种群的平均基径、平均胸径、平均树高等基本特征随着海拔的升高明显降低。(2)太白红杉的胸径与年龄存在着较明显的回归关系,而树高与年龄相关性较低。随着海拔的升高,回归方程的拟合优度呈下降趋势。(3)林线附近不同海拔区域,太白红杉种群的径级结构与年龄结构均存在一定的波动。表明该区域存在着波形的更新,可能与太白红杉的年龄结构受外界环境的影响较大有关。(4)太白红杉种群各龄级的空间格局基本上是聚集型。随着取样尺度的增加,聚集强度呈增加的趋势。随年龄增加,种群分布由聚集型向随机型过渡,聚集强度减弱。     

青藏高原草地生态系统对气候变化的响应

青藏高原高寒草地生态系统对气候变化高度敏感,其如何响应和反馈气候变化一直以来受到极大关注.本文系统综述了近5年来有关青藏高原草地生态系统在物候、生产力、碳循环等方面对气候变化的响应过程以及应对气候变化的适应性管理的最新研究成果,发现气候变化对高寒草地生态系统的诸多影响还存在很大的不确定性.多数研究结果表明,增温使高寒草甸的植被物候提前和初级生产力水平提高,而高寒草原有相反的影响趋势,说明不同地域、不同群落类型对不同季节温度变化的响应模式不同.而气候变化对物种多样性和碳循环有关过程的影响结果尚没有一致的结论,时空尺度和方法上的差异可能是导致不同结果的主要原因.因此,建议在增强时空异质性的响应与反馈研究的同时,更需要加强生态过程和机理的研究.     

太白红杉单木胸径生长模型的研究

通过比较分析4种有代表性的植物竞争指数的预测效果,选择较合适的指标构建太白红杉(Larix chinensis)的单木生长模型.研究结果表明:包含对象木胸径、竞争木胸径及对象木与竞争木距离的APA指数能客观反映太白红杉群落植株间的竞争关系;以近2年内胸径相对生长速率为因变量,自身胸径大小和竞争强度为自变量,通过回归分析建立的太白红杉单木生长模型具有较高的回归优度(r＝0.916,P<0.05),表明该模型能很好地预测太白红杉的生长.     

呼伦贝尔沙地樟子松年轮生长对气候变化的响应

以内蒙古呼伦贝尔地区沙地樟子松为样本,建立了樟子松树木年轮宽度年表,应用相关分析和响应函数分析等年轮气候学方法,研究了樟子松径向生长对气候变化的响应。结果表明,樟子松年轮宽度与4月和6—9月平均温度呈显著负相关关系(P<0.05);与各月降水量多呈正相关关系,特别是与当年5—8月的月降水量呈显著正相关关系(P<0.05);树轮年表与前一年10月至当年10月的PDSI均呈显著正相关关系(P<0.05),其中与5月份PDSI的相关性最高。响应函数分析表明,年表与当年6—7月的平均气温、上一年10月和当年5—7月份的降雨存在显著的相关性,与5—7月份PDSI存在较显著的正相关性;综合来看,呼伦贝尔沙地樟子松生长同时受降水和温度的影响,其径向生长与气候因子间的关系属于降水敏感型,为区域降水重建提供了科学基础。     

江西大岗山林区樟树年轮对气候变化的响应

采用ARSTAN软件对江西大岗山林区樟树年轮生长趋势进行去除和指数化后,建立了樟树年表,并研究了樟树年轮宽度对气候变化的响应.结果表明：所建樟树年表包含了丰富的环境气候信息,适于进行树木年轮生态学分析研究;研究区樟树年轮宽度与生长季的月均温度呈正相关,其中,与4、5月的平均温度呈显著相关关系（P<0.05）;樟树年轮宽度与月降水量的相关性较复杂,与当年5月（P<0.01）及上年12月（P<0.05）降水量呈显著负相关,与当年6月和8月降水量呈显著正相关（P<0.05）;樟树年轮宽度与当年5、6、8和9月湿润度指数的相关性较好.温度和降水的综合影响显著作用于大岗山樟树年轮生长.     

滇西北海拔上限大果红杉径向生长对气候变化的响应

基于树轮年代学方法,利用玉龙雪山、哈巴雪山和普达措国家公园海拔上限大果红杉树轮宽度资料,分别建立3个样点大果红杉的差值年表(RES),研究其径向生长对气候响应的异同,探讨影响滇西北大果红杉生长的关键气候因子.结果表明: 生长季初期(5月和6月)温度是影响滇西北大果红杉生长的主要因子,与3个样点的径向生长表现出显著正相关关系,同时普达措国家公园大果红杉还受生长季以前温度的影响,分别与上年7月和11月温度呈显著负相关和显著正相关;3个样点大果红杉生长对降水的响应存在差异,随着纬度升高主要由负相关转为正相关,大果红杉径向生长与降水的关系在玉龙雪山(纬度梯度最南)主要表现为与生长季初期降水量呈显著负相关,在哈巴雪山(纬度梯度中部)表现为与9月降水量呈显著负相关,在普达措国家公园(纬度梯度最北)表现为与3月降水量呈显著正相关.另外,7月降水的增多有利于玉龙雪山大果红杉的生长.基于气候模型预测,综合大果红杉对温度和降水响应模式与响应程度分析,未来气候变化有利于滇西北高原大果红杉的径向生长.     

川西亚高山林线岷江冷杉和红杉对气候变化的响应

为揭示川西亚高山林线优势树种岷江冷杉（Abies fargesii var.faxoniana）和红杉（Larix potaninii）径向生长对气候变化的响应差异。通过树木年轮生态学的方法,研究了岷江冷杉和红杉径向生长与年均温的分异现象、生长衰退以及应对严重干旱事件的抵抗力和恢复力稳定性,并结合限制岷江冷杉和红杉径向生长的主要气候因素进行了分析。结果表明：（1）温度是限制林线岷江冷杉径向生长的主要气候因素,而限制红杉径向生长的主要气候因素是降水;（2）岷江冷杉的径向生长与年平均温度的变化趋势一致,红杉在20世纪90年代后径向生长呈现出下降的趋势,与年均温的升高出现分异;（3）1800-2019年间,岷江冷杉出现生长衰退2次,红杉出现生长衰退5次,相同的时间内,红杉的衰退频率高于岷江冷杉;（4）岷江冷杉对严重干旱事件的恢复力相比升温前有所增强,抵抗力相比升温前下降明显,红杉对严重干旱事件的抵抗力和恢复力相比升温前均呈现出下降的趋势。可为川西亚高山林线的植被动态变化预测和历史区域气候重建提供参考。