生物生产力的“4P”概念、估算及其相互关系

生物生产力是指从个体、群体到生态系统、区域乃至生物圈等不同生命层次的物质生产能力,它决定着系统的物质循环和能量流动,也是指示系统健康状况的重要指标。表示生物生产力的概念有总初级生产力（GP P）、净初级生产力（NPP）、净态生态系统生产力（NEP）和净生物群区生产力（NBP）,本文简称“4P”。主要探讨了“4P”概念的内涵和估算以及全球变化对它们的影响;通过生态系统的碳循环,建立“4P” 之间的相互联系,并对若干衍生概念进行定义。尽管生态系统的最终产物（NBP或现存量）占光合总产量的很少一部分,但它是决定物质再生物的资本,维持和决定生态系统的物质再生产。     

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.     

1981～2000年中国陆地生态系统碳通量的年际变化

应用一个生物地球化学模型(CEVSA)估算了中国陆地净初级生产力 (NPP)、土壤异养呼吸(HR)和净生态系统生产力 (NEP) 在1981～1998年期间对气候和大气CO2浓度变化的动态响应.结果显示,全国NPP总量波动于2.89～3.37 Gt C/a之间,平均值为3.09 Gt C/a,年平均增长趋势约为0.32%.HR总量变化范围为2.89～3.21 Gt C/a,平均值为3.02 Gt C/a, 年均增长0.40%.NEP总量变动于 -0.32和0.25 Gt C/a之间,在统计上没有明显的年际变化趋势.在研究时段内,年平均NEP约为0.07 Gt C/a,表明中国陆地生态系统在气候与大气CO2浓度变化的条件下吸收了碳,为碳汇,总的吸收量为1.22 Gt C,约占全球碳吸收总量的10%,与同期内美国由大气CO2和气候变化所产生的碳吸收量大致相当.尽管由于较高的年际变率,NEP在统计上没有明显的变化趋势,但NPP的增长率低于HR的增长率,说明在研究时段内,中国陆地生态系统的吸碳能力由于气候变化降低了.全国大多数地区年平均NEP接近零,明显的NEP正值区(即碳汇)出现在东北平原、西藏东南部和黄淮平原等地区,而大小兴安岭、黄土高原和云贵高原等地区NEP为负值(即碳源).研究认为,1981～1998年期间中国气候温暖、干旱,因此估算的NEP可能低于其他时段.如果气候进入一个比较湿润的时期,碳吸收量可显著增加,但若当前干旱和暖化趋势以此为继,中国的NEP可能会变成一个负值.     

1981—2000年中国陆地生态系统碳通量的年际变化

应用一个生物地球化学模型(CEVSA)估算了中国陆地净初级生产力(NPP)、土壤异养呼吸(HR)和净生态系统生产力(NEP)在1981—1998年期间对气候和大气CO2浓度变化的动态响应。结果显示,全国NPP总量波动于2．89—3．37Gt／a之间,平均值为3．09Gt C／a,年平均增长趋势约为0．32％。HR总量变化范围为2．89—3．21Gt C／a,平均值为3．02Gt C／a,年均增长0．40％。NEP总量变动于-0．32和0．25Gt C／a之间,在统计上没有明显的年际变化趋势。在研究时段内,年平均NEP约为0．07Gt C／a,表明中国陆地生态系统在气候与大气CO2浓度变化的条件下吸收了碳,为碳汇,总的吸收量为1．22Gt C,约占全球碳吸收总量的10％,与同期内美国由大气CO2和气候变化所产生的碳吸收量大致相当。尽管由于较高的年际变率,NEP在统计上没有明显的变化趋势,但NPP的增长率低于HR的增长率,说明在研究时段内,中国陆地生态系统的吸碳能力由于气候变化降低了。全国大多数地区年平均NEP接近零,明显的NEP正值区(即碳汇)出现在东北平原、西藏东南部和黄淮平原等地区,而大小兴安岭、黄土高原和云贵高原等地区NEP为负值(即碳源)。研究认为,1981～1998年期间中国气候温暖、干旱,因此估算的NEP可能低于其他时段。如果气候进入一个比较湿润的时期,碳吸收量可显著增加,但若当前干旱和暖化趋势以此为继,中国的NEP可能会变成一个负值。     

Land Use Change in India (1700–2000) as Examined through the Lens of Human Appropriation of Net Primary Productivity

Land use caused by human socioeconomic activities is a driver of change in the global environment. To understand and quantify land‐use change on Earth's natural systems, interdisciplinary approaches linking biophysical and socioeconomic parameters are required. One approach to understand the degree of terrestrial colonization of the biosphere is using the human appropriation of net primary productivity (HANPP). HANPP is defined as the difference between the net primary productivity (NPP) of potential vegetation and the actual NPP for a given area of land. Here, we use HANPP as a lens to examine land‐use change in India from 1700 to 2007 using a spatially explicit data set that extends over this period. We also used the nongridded, Food and Agriculture Organization (FAO) data set to calculate HANPP for India from 1961 to 2012 and compared our results. The average potential NPP for India was estimated to be 664 grams of carbon per square meter per year (g C/m²/year). Between 1700 and 2012, the fraction of pastureland and cropland increased from 20% to almost 60%. HANPP as a fraction of the potential NPP increased from 29% to 73% over this period. Calculations of HANPP using the FAO data set yielded an increase from 600 g C/m² to just over 700 g C/m² between 1961 and 2012. We also calculated the embodied HANPP of India by considering imports and exports, but the difference between the two is negligible in comparison to the HANPP of India. We further examined the variation of HANPP with socioeconomic parameters such as the Human Development Index (HDI) and population density. There was a roughly negative trend of HANPP with HDI. HANPP roughly increases with population density and then plateaus above a population density of roughly 200 persons per square kilometer.     

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。     

中国西部地区植被净初级生产力的时空格局

利用基于Monteith光能利用率理论的碳通量估算模型C- FIX,1km分辨率逐旬SPOT/ VEGETATION遥感数据和全球1.5°×1.5°格网化逐日气象数据,估算了2 0 0 2年中国西部地区植被净初级生产力(NPP)。对西部地区植被NPP的空间分布格局、季节变化及不同土地利用类型植被的NPP总量和平均生产力水平进行了初步研究。结果表明:2 0 0 2年我国西部地区植被年NPP总量约为0 .96 Pg C(1Pg=10 1 5g)。西部地区年NPP空间分布基本格局是东南和西北两区域高,然后以东南西北方向为轴心逐渐向内陆中心迅速递减,该分布格局与各区域的水热条件差异和植被类型的地带性分异规律紧密相关。西部地区陆地生态系统NPP具有显著的季相变化规律,这与温度、降水的季节变化以及人为生产活动安排有很高的相关性。西部地区尽管土地面积广阔,由于区域气候和自然条件相对恶劣,导致土地资源可利用率差,生态系统整体生产力水平相对低下,区域内各种土地利用类型植被的生产力水平差异大且空间分布十分不均衡,是我国生态环境相对脆弱的区域。     

Assessing the spatiotemporal dynamic of global grassland carbon use efficiency in response to climate change from 2000 to 2013

The carbon use efficiency (CUE) of grassland, a ratio of net primary production (NPP) to gross primary productivity (GPP), is an important index representing the capacity of plants to transfer carbon from the atmosphere to terrestrial biomass. In this study, we used the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data to calculate the global grassland CUE, and explore the spatiotemporal dynamic of global grassland CUE from 2000 to 2013 to discuss the response to climate variations. The results showed that the average annual CUE of different grassland types follows an order of: open shrublands > non-woody grasslands > closed shrublands > woody savannas > savannas. The higher grassland CUE mainly occurred in the regions with cold and dry climate. By contrast, the regions with the lower grassland CUE were mostly in warm and wet environments. Moreover, the CUE exhibited a globally positive correlation with precipitation and a negative correlation with temperature. Therefore, the grassland CUE has considerable spatial variation associated with grassland type, geographical location and climate change.     

Temperature explains global variation in biomass among humid old‐growth forests

Aim To develop and test a simple climate‐based ecophysiological model of above‐ground biomass – an approach that can be applied directly to predicting the effects of climate change on forest carbon stores. Location Humid lowland forests world‐wide. Methods We developed a new approach to modelling the aboveground biomass of old‐growth forest (AGB_max) based on the influences of temperature on gross primary productivity (GPP) and what we call total maintenance cost (TMC), which includes autotrophic respiration as well as leaf, stem and other plant construction required to maintain biomass. We parameterized the models with measured carbon fluxes and tested them by comparing predicted AGB_max with measured AGB for another 109 old‐growth sites. Results Our models explained 57% of the variation in GPP across 95 sites and 79% of the variation in TMC across 17 sites. According to the best‐fit models, the ratio of GPP to maintenance cost per unit biomass (MCB) peaks at 16.5 °C, indicating that this is the air temperature leading to the highest possible AGB_max when temperatures are constant. Seasonal temperature variation generally reduces predicted AGB_max, and thus maritime temperate climates are predicted to have the highest AGB_max. The shift in temperatures from temperate maritime to tropical climates increases MCB more than GPP, and thus decreases AGB_max. Overall, our model explains exactly 50% of the variation in AGB among humid lowland old‐growth forests. Main conclusions Temperature plays an important role in explaining global variation in biomass among humid lowland old‐growth forests, a role that can be understood in terms of the dual effects of temperature on GPP and TMC. Our simple model captures these influences, and could be an important tool for predicting the effects of climate change on forest carbon stores.     

黄土高原草地净初级生产力时空趋势及其驱动因素

草地净初级生产力是生态系统碳循环的关键环节和重要组成部分.本研究使用分段线性回归分析和Pearson相关分析,分析了黄土高原2000-2015年间土地利用类型未改变的草地净初级生产力(NPP)的变化趋势及气候核心因子(年降水量、年强降水量、年有效降水日数、年平均温度、年最高温度、年最低温度)对NPP变化的影响,并借助增...     

气候变化对阔叶红松林不同演替阶段红松种群生产力的影响

本文以长白山地区阔叶红松林不同演替阶段(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始红松林)内红松种群作为研究对象,采用树轮学与相对生长式相结合,获取红松种群净初级生产力(NPP)连年生长(1921—2006年)数据以及相对增长率的年际变化数据,建立红松种群NPP与年际和季节性气候因子的关系,分析不同气候时期长白山阔叶红松林不同演替阶段内红松种群NPP年际变化特征及其对气候变化的响应差异.结果表明： 研究期间,不同演替阶段红松种群NPP与气候因子响应关系存在差异.随着温度上升,次生杨桦林红松种群NPP与上年生长季和当年生长季低温由显著负相关关系转变为显著正相关关系;次生针阔混交林红松种群NPP由与当年春季最低温度的正相关关系转变为与上年和当年生长季温度的显著正相关关系,气候因素对次生针阔混交林红松种群NPP影响的滞后效应增强;原始红松林红松种群NPP与温度的相关性减弱,与上年生长季降水量的正相关关系增强.研究区气候变化表现为低温和平均温度显著上升,而最高温度和降水没有明显变化.气候变化有利于提高演替初级阶段次生杨桦林和演替中级阶段次生针阔混交林内红松种群生产力,尤其是次生针阔混交林,而对演替顶极阶段红松种群NPP影响不明显.     

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。     

西辽河流域植被NPP时空分布特征及其影响因素研究

为研究西辽河流域植被生长特征及受气候变化的影响,该文以2000年—2015年MOD17A3的年均植被净初级生产力(NPP)数据、植被类型数据、土壤类型数据以及气温、降水资料为基础,利用GIS和RS技术,分析了西辽河流域植被净初级生产力时空格局、演变特征及驱动因子。结果表明:(1)西辽河流域近16年来植被NPP总量呈波动增加的趋势,变化范围为156.89～260.90 g C·m^-2·a^-1,平均值为219.76 g C·m^-2·a^-1,空间分布呈“边缘高、中间低”的特征; 植被NPP变化斜率为-16.53～16.65,95.74%的区域NPP呈增加趋势。(2)不同植被类型的NPP总量大小排序为草原>栽培植被>阔叶林>灌丛>草甸>针叶林; 西辽河流域固碳的植被类型主要是草原、栽培植被以及阔叶林,固碳能力较强的为针叶林。(3)生长在棕壤、褐土和潮土的植被年均NPP较高,生长在栗钙土和风沙土的植被年均NPP较低。(4)16年间植被NPP增长主要受降雨影响。气候暖-湿化及生态建设工程的实施,促进了西辽河流域植被的生长。以上研究结果为后期流域生态环境治理提供了科学依据及数据支持。     

2000-2008年中国东北地区植被净初级生产力的模拟及季节变化

利用GLOPEM-CEVSA模型模拟并分析了中国东北地区2000-2008年植被净初级生产力(NPP)时空分布格局及其影响因素,并以4个森林生态站点(大兴安岭、老爷岭、凉水和长白山森林生态站)为例研究了东北地区森林NPP季节变化特征及其环境驱动.结果表明:2000-2008年,东北地区植被年均NPP为445 g C·m-2·a-1;整个研究区沿长白山山脉到小兴安岭山脉地区以及三江平原部分地区的NPP最高,沿长白山山脉到小兴安岭山脉西侧的辽河平原、松嫩平原东部、三江平原和大兴安岭地区次之,西部稀疏草原和荒漠地区的NPP最低.东北地区森林生态系统年均NPP最高,其次为灌丛、农田和草地,荒漠最低.森林生态系统中,针阔混交林年均NPP最大(722 g C·m-2·a-1),落叶针叶林年均NPP最小(451 g C·m-2·a-1).研究期间,森林NPP无显著年际变化,其中2007、2008年较往年NPP大幅增加,很可能与该地区期间气温上升有关(较往年偏高1 ℃=～2℃).东北地区森林自北向南生长季开始时间逐渐提前,生长季变长.     

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.     

武夷山不同海拔植被土壤呼吸季节变化及对温度的敏感性

以武夷山国家级自然保护区为实验基地,研究了4种不同海拔高度上植物群落土壤呼吸速率的季节变化及其对温度的敏感性,以及与主要环境因子的关系.结果表明：4种不同海拔植物群落的土壤呼吸速率均具有明显且一致的季节变化,其中夏季土壤呼吸速率最大,为3.10～6.57 μmol CO₂·m^-2·s^-1,冬季最小,为0.27～1.15 μmol CO₂·m^-2·s^-1;土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数相关,不同样地土壤呼吸速率与土壤含水率和凋落物输入量的关系各不相同;高海拔地区土壤呼吸的Q₁₀值显著高于低海拔地区.在中亚热带地区,不同海拔土壤呼吸速率的季节波动主要受土壤温度的影响;在未来全球气候变暖的背景下,高海拔地区的土壤可能释放更多的CO₂.     

近51年来祁连山植被净初级生产力对气候变化的响应

本研究以分辨率为0.1°×0.1°的植被、土壤和气象数据为驱动,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟了祁连山地区1958~2008年植被净初级生产力(NPP),并对近51年来祁连山地区植被NPP对气候变化的响应进行了分析。结果表明:近51年来祁连山植被(常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木、农田)在气温升高和降水量增加的影响下,NPP总量呈增加趋势,且增加速率依次为:农田>常绿针叶林>落叶针叶林>草地>灌木。植被NPP的变化与气温和降水量的变化均呈正相关关系,且温度变化对植被NPP的影响大于降水,即温度变化是影响祁连山地区植被NPP变化的主导因素。从区域平均来看,气温年平均上升速率为0.043℃·a-1,降水量的平均增加速率为1.355mm·a-1,在气温和降水量的共同作用下,1958~2008年祁连山地区植被NPP总量呈增加趋势,平均增加速率为0.718g·m-2·a-1。     

1996-2015年滇西北香格里拉植被净初级生产力变化

地处青藏高原东南缘的滇西北香格里拉,其植被NPP的时空格局变化,对于深入了解青藏高原区域植被对气候变化的响应具有重要的科学意义。基于地面气象数据和MODIS-NDVI等遥感数据,运用改进的CASA模型,估算了1996—2015年香格里拉区域不同植被类型NPP,分析探讨了区域植被NPP的演变特征及其对气候变化的响应规律。研究显示:1)1995—2015年间,香格里拉区域6—8月平均气温总体呈上升趋势,增速为0.037℃/a; 6—8月总降水量为373.1 mm,呈微弱下降趋势;20年间辐射量基本维持波动稳定状态;2)1996—2015年,香格里拉区域6—8月最大月植被NPP平均值为176.9 gC/m~2,不同植被类型的变化范围为128.9—286.9 gC/m~2;空间格局上,表现为"从西北、东南及金沙江沿岸向中部递减"的特征;3)香格里拉区域植被NPP显著地受到气温变化的调控(P<0.05),20年间随着气温的持续升高,区域NPP总体呈增加趋势;4)区域植被NPP未表现出受降水变化的显著影响(P>0.05),水分条件对区域植被NPP未形成限制性的影响作用。区域内植被NPP...     

基于年轮分析的不同恢复途径下森林乔木层生物量和蓄积量的动态变化

基于树木年轮学与标准地调查法, 研究了川西亚高山林区3种恢复森林类型生物量、蓄积量及生产力动态变化特征, 旨在尝试年轮学在森林生长过程反演中的运用, 并探索不同恢复模式下森林生物量和蓄积量的动态变化。结果表明, 不同恢复类型发育至20年以后, 均进入生长加速期, 平均胸径间差异逐渐显著, 人工云杉(Picea asperata)林胸径增长最快, 明显高于天然恢复的次生桦木(Betula spp.)林和次生针阔混交林。在恢复过程中, 次生针阔混交林一直保持最高的林分平均地上生物量与林分蓄积量, 其地上平均生物量一直显著高于人工云杉林(p < 0.05), 在20年以后显著高于次生桦木林(p < 0.05)。与人工云杉林相比, 次生桦木林在25年前具有相对较高的生物量, 而在25年之后则低于人工云杉林。在0-20年桦木林林分蓄积量略高于云杉林, 而20年以后, 云杉林蓄积量则超过桦木林。不同恢复类型的生产力大小对比显示, 30年之前, 次生针阔混交林>次生桦木林>人工云杉林, 30年之后, 针阔混交林生产力仍然最高, 而人工云杉林则超过次生桦木林。川西林区次生针阔混交林恢复模式在生物量和蓄积量积累方面均具有显著优势。