干旱生态系统净初级生产力估算及变化探测

1 Introduction Arid western China stretches from west of Helan Mountains to south of the piedmont of Kunlun Mountains, covering about 2.50×106 km2 or 26.08% of the total territorial area of China. Its unique geographic location in the hinterland of Euras…     

干旱生态系统净初级生产力估算及变化探测

针对中国西部干旱区特有的气候-植被特征,利用卫星遥感混合像元分解技术对干旱区植被进行了光合作用植被和非光合作用植被区分和组分解析,尝试通过对干旱覆被植被灌层结构进行解析而解决因植被区系差异和环境背景干扰的问题,并参考国际上遥感-生态模型GLO-PEM和CASA,借助遥感生态反演的物理分析,初步构建起基于遥感与生态过程的干旱区适用的光能利用率模型NPP-PEM,并以中国西部干旱区喀什地区叶尔羌-喀什噶尔河流域山地-绿洲-荒漠生态系统为案例,利用AVHRR/NOAA气象卫星遥感数据和气候资料估算了1992年和1998年中国西部喀什地区叶尔羌-喀什噶尔河流域山地-绿洲-荒漠生态系统1 km分辨率年净第一性生产力,并进行了变化探测分析。模拟检验结果精度较好,生态系统碳吸收的空间异质性特征明显。结果表明,考虑了干旱植被生理特征和灌层结构的光能利用模型,模拟结果较为合理,也为引入其他生态模型应用到干旱区生态系统研究提供了借鉴,从而为干旱区陆地生态系统碳循环研究开辟了途径。     

基于遥感-生态过程的绿洲-荒漠生态系统净初级生产力估算

针对干旱区特有的气候-植被特征,利用卫星遥感混合像元分解技术对干旱区植被进行了光合作用植被和非光合作用植被区分和组分解析,尝试通过对于旱覆被植被灌层结构进行解析而解决因植被光能吸收的估算问题,并参考国际上遥感-生态模型GLO-PEM和CASA,借助遥感生态反演的物理分析,初步构建起基于遥感与生态过程的干旱区适用的光能利用率模型NPP-PEM,并以ERDAS IMAGINE为平台,实现了模型可视化模型界面,可用于中国西部干旱区山地-绿洲-荒漠生态系统年净第一性生产力的估算.由于考虑了干旱植被生理特征和灌层结构的光能利用模型,模拟结构与原理更加合理完善,为引入其他生态模型应用或移植到干旱区提供借鉴,从而为中国干旱区陆地生态系统碳循环研究开辟了途径.     

Urbanization alters spatiotemporal patterns of ecosystem primary production: A case study of the Phoenix metropolitan region,USA

Previous studies have found that urbanization often decreases net primary production (NPP), an important integrative measure of ecosystem functioning. In arid environments, however, urbanization may boost productivity by introducing highly productive plant communities and weakening the coupling of plant growth to naturally occurring cycles of water and nutrients. We tested these ideas by comparing NPP estimated for natural and anthropogenic land covers in the Phoenix metropolitan region of USA using MODIS NDVI data and a simplified parametric NPP model. Most anthropogenic land covers exhibited higher production than the natural desert. Consequently, the combined urban and agricultural areas contributed more to the regional primary production than the natural desert did in normal and dry years, whereas this pattern was reversed in wet years. Primary production of this urban landscape was only weakly correlated with rainfall, but strongly with socio-economic variables. Our productivity estimates agreed well with NPP predicted by a process-based ecosystem model for the area. Significant uncertainties, however, remain due to extremely high heterogeneity of urban vegetation. Nevertheless, our results clearly show that urbanization may not only increase regional NPP and disrupt the coupling between vegetation and precipitation, but also increase spatial heterogeneity of NPP in this arid region.     

天山北麓山地-绿洲-荒漠生态系统净初级生产力空间分布格局及其季节变化

以天山北麓总面积达93 936 km~2的山地-绿洲-荒漠生态样带为例,利用生态-遥感光能利用率模型NPP-PEM,使用1 km分辨率SPOT/VEGETATION遥感等数据资料,估算了生态样带净初级生产力(NPP)空间分布及其季节变化.结果表明山地-绿洲-荒漠生态样带平均NPP为161.06 g C·m~(-2)·a~(-1),样带陆地生态系统年总碳吸收量或年总NPP累积量为15.081 Tg C(1Tg=10~(12)g),其中绿洲农田、山地草甸草原、平原荒漠草原和山地森林对的碳吸收贡献率分别为32.67%、28.16%、12.41%和9.15%.夏季是各类生态系统NPP增加量最大的季节,而沙漠由于早春短命植被覆盖而具有生长双峰现象.样带NPP空间分布及其季相变化特征是自然环境、地貌、气候以及人类生产活动长期共同作用和影响的结果,其中水热条件和基质是控制干旱区陆地生态系统NPP空间格局的决定因子.结果检验表明模拟效果较为合理,证明NPP-PEM模型在干旱生态系统的应用是可行的.研究为干旱区陆地生态系统碳循环研究开辟了途径,可为干旱区生态系统评估、监测和管理提供研究方法和参考依据.     

关中-天水经济区土地利用变化对净第一性生产力影响测评

净第一性生产力是表现陆地生态过程的关键参数,土地利用变化深刻影响区域的净第一性生产力。选取关中-天水经济区为研究区域,尝试对30 m精度的1980-2011年4期9月份左右Landsat 7的遥感影像以及CASA模型来估算关中-天水经济区的净第一性生产力,并用2011年遥感图像解译获得该年的土地利用数据,以及土地利用变化情况。在此基础上分析土地利用变化对净第一性生产力的影响,并且对关天经济区各县市净初级生产力进行了对比和分析。结果表明：1980-2011年,关中-天水经济区土地利用耕地、林地、居民建筑用地变化明显,南部秦岭山区多为林地与草地,净第一性生产力高达625.37 g C·m-2·a-1,而关中平原与天水地区人口居住区与开垦区净第一性生产力明显下降,最低达47.78 g C·m-2·a-1,人为的开发与利用土地降低了区域的净第一性生产力。所以,要继续施行落实退耕还林政策,控制城镇用地较大速度的扩增,以保持好区域的生态服务功能。     

气候变化对中亚草地生态系统碳循环的影响研究

准确评估草地生产力、碳源/碳汇功能,分析气候变化对草地生态系统碳循环的影响,对于草地资源的合理开发和有效保护至关重要。选取对气候变化以及人类干扰高度敏感的中亚干旱区草地生态系统为研究对象,利用Biome-BGC模型,模拟分析其NPP、NEP的年际变化趋势及其空间分布格局。结果显示：（1）1979-2011年中亚地区草地生态系统NPP年平均值为135.6 gC·m^-2·a^-1,且随着时间的推移呈现出波动下降的趋势,下降速率为0.34 gC·m^-2·a^-1。（2）NEP的年平均值为-8.3 gC·m^-2·a^-1,表现为碳源,且该值随着时间的推移呈现出波动上升的趋势,上升速率为0.58 gC·m^-2·a^-1。（3）NPP高值区域在降水较为丰富的天山山脉附近以及哈萨克斯坦北部。（4）NPP的年际变化与降水量的年际变化趋势基本一致,相关系数为0.52;NPP与温度的相关系数为-0.28,未达到显著相关水平。本研究实现了Biome-BGC模型在中亚干旱区草地生态系统的应用,对评价干旱区草地生态系统碳源/碳汇功能及其在全球碳循环和全球变化中的作用、实现中亚草地生态系统的可持续利用、完善区域和全球碳循环理论体系具有重要意义。     

2000—2017年内蒙古荒漠草原植被物候变化及对净初级生产力的影响

荒漠草原分布于干旱区和半干旱区,对气候变化的响应极为敏感,但目前学术界对于荒漠草原物候与生产力变化的研究仍较为薄弱。有鉴于此,论文采用2000—2017年MODIS NDVI数据和气象数据,利用通用数量化方法提取内蒙古荒漠草原植被的生长季始期(start of season, SOS)和生长季末期(end of season, EOS);基于Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA)模型估算了植被净初级生产力(NPP),并分析了植被物候和净初级生产力之间的关系。研究结果表明：① 2000—2017年内蒙古荒漠草原SOS呈显著提前趋势(0.88 d/a,P<0.05),EOS不显著提前(0.13 d/a,P>0.05),生长季长度(length of season, LOS)呈显著延长趋势(0.76 d/a)。81.53%像元的SOS与2—4月平均气温呈负相关(8.21%显著相关,P<0.05),60.80%像元的SOS与4月降水量呈负相关关系(6.12%显著相关,P<0.05);65.16%像元的EOS与9月平均气温呈负相关(5.03%显著相关,P<0.05),78.61%像元的EOS 与7—9月降水量呈正相关关系(10.12%显著相关,P<0.05)。② 内蒙古荒漠草原多年平均NPP为104.71 gC/(m ²·a),有自东向西逐渐降低的区域差异;在研究时段内,春、夏季和生长季的NPP均呈不显著增加趋势,秋季NPP有不显著减少趋势;生长季降水量增加有利于生长季NPP的积累。③ 春季NPP与SOS呈不显著负相关,秋季NPP与EOS呈显著正相关。LOS的延长促进了NPP的累积,其中生长季NPP与EOS的推迟关系更为密切。研究结果揭示气候变化对内蒙古荒漠草原植被物候和生产力有显著影响,对区域生态系统管理和生态建设具有重要参考意义。     

Effect of Land Use and Land Cover Change on the Changes in Net Primary Productivity in Karst Areas of Southwest China: A Case Study of Huanjiang Maonan Autonomous County

Karst areas in southwest China have experienced significant land cover and land use change (LUCC) due to utilization for human activity and a comprehensive rocky desertification control project (RDCP) since 2008. It is important to quantify the effect of LUCC on ecosystem productivity in this region for assessing the overall benefit of this ecological restoration project. In this study, we used using MODIS land cover and NPP products to investigate the relative contribution of LUCC to the change in net primary productivity (NPP) during 2008-2013 in Huanjiang County, one of first one hundred pilot counties to implement RDCP. Our results show that NPP increased in 95.53% of the county, and the average growth of NPP in non-rocky desertification area was higher than in rocky desertification or potential rocky desertification areas. LUCC has an important contribution (25.23%) to the NPP increase in the county, especially in the LUCC area (70.97%), which increased the average NPP by 3.9% and 10.5%, respectively. Across the six RDCP regions in the county, the average increase in NPP for the vegetation restoration measure of governed karst area is significantly greater than in the ungoverned karst area, and the positive change in NPP increased with the increasing implementation area of the vegetation restoration measure.     

基于无人机影像的北部湾典型岛群红树林生态系统净初级生产力估算

提出以无人机季节航拍影像为数据源，采用ENVI5.3软件中的CART方法对广西北部湾的典型岛群红树林景观类型进行解译，借助于Python语言实现CASA模型并将其引入到对岛群红树林生态系统的研究中，得出了不同海岛和红树林生态系统净初级生产力（NPP）的空间分布特征。结果表明：1）可见光波段差异性植被指数（VDVI）可以很好地区分海岛及红树林植被等典型地物，可应用在岛群红树林生态系统NPP的估算上；2）研究区NPP的总量为127.09 t·C/a，NPP的年均碳密度值介于0~1 437.12 g·C/m²，年均碳密度为399.85 g·C/m²。红树林生态系统的NPP值较高，而海岛生态系统的NPP值较低；3）季节尺度上NPP碳密度的大小与年内太阳辐射有直接的关系，夏季的NPP碳密度最大，冬季最小；4）白骨壤的单位面积NPP最大，为1 123.09 g·C/m²，而桐花树最小，为649.65 g·C/m²。红树林生态系统NPP平均碳密度低于实测样地和深圳福田红树林计算结果，这与不同红树林群落的植被光谱特征有关。     

中国陆地生态系统净初级生产力变化特征——基于过程模型和遥感模型的评估结果

净初级生产力（NPP）作为生态系统物质与能量循环的基础,是区域和全球尺度碳循环和碳收支研究的重要组成部分。研究区域和全球尺度的净初级生产力主要依靠模型手段实现,过程和遥感模型是目前广泛使用的两种模型形式。本文搜集并整理了基于过程模型和遥感模型对我国陆地生态系统净初级生产力的模拟结果,分析了中国陆地生态系统净初级生产力的时间变化及对未来气候变化的响应特征,旨在对其进行综合评价。结果表明,中国陆地生态系统NPP平均为（2.828±0.827）PgC.a-1。1982-1998年的年际变化特征上,NPP平均每年增加0.027 PgC,年增长率为1.07%,总体上呈现在波动中逐年上升的趋势。不同植被类型的单位面积NPP总体表现为常绿阔叶林显著高于其他植被类型,但不同研究结果间变化范围很大;落叶针叶林、常绿针叶林和落叶阔叶林相差较小;农作物低于阔叶林,但高于针叶林;草地和荒漠均位于低值区,但前者显著高于后者。不同植被类型的NPP总量总体表现为农作物和草地位居前两位,两者之和高达各植被类型NPP总量之和的58.34%;除灌丛和常绿针叶林外,其余植被类型均不足总量的10%。在未来气候情景下,中国陆地生态系统NPP总体上可能表现为先增加后减小的趋势。     

黄土高原植被降水利用效率对植被恢复/退化的响应

基于2000-2014年MODIS NDVI数据及气象数据,运用累计降水利用效率变化差异（CRD,cumulative rain use efficiency differences）估算模型和基于地形要素降水量插值法,探讨2000-2014年黄土高原RUE（降水利用效率rain use efficiency）对植被变化的响应,以期为黄土高原生态可持续发展提供数据支撑。结果表明：黄土高原大部分地区植被覆盖得以改善,其面积约占总面积的81%,区域边缘植被覆盖退化严重。黄土高原降水利用效率RUE与累计NDVI的相关性总体表现为“东南呈正相关,西北为负相关”的空间格局,全区相关系数以正相关为主。黄土高原CRD与植被变化趋势的相关性显著,其中,植被退化背景下,植被退化程度越严重,RUE越低;植被恢复背景下,RUE受“退耕还林还草”作用显著,2000-2005年,RUE呈上升趋势,2007年后,随着退耕还林还草政策的工作重心转移,RUE呈波动变化。     

内蒙古草地生态系统碳源/汇时空格局及其与气候因子的关系

草地净生态系统生产力(NEP)能够表征草地生态系统的固碳能力,直接定性定量地描述草地生态系统的碳源/汇性质和大小.因此,研究区域尺度草地生态系统NEP具有重要的实践意义.基于卫星遥感资料,地面气象观测资料及实地采样数据,结合光能利用率模型估算了2001-2012年内蒙古草地生态系统净初级生产力(NPP).同时,应用土壤呼吸模型估算了逐月平均土壤呼吸量(Rs),进而估算内蒙古草地净生态系统生产力(NEP).研究揭示了2001-2012年内蒙古草地生态系统NPP,NEP年际变化规律,气候因子的年际变化规律,以及草地NPP,NEP与主要气候因子的关系.结果表明:2001年以来,内蒙古草地生态系统整体发挥碳汇效应,净碳汇总量达到0.55 Pg C,年均固碳率约为0.046 Pg C/a;研究区大部分草地NPP,NEP与降水均呈正相关关系,与温度相关性不显著,内蒙古草地生态系统仍有巨大的固碳潜力.     

基于Biome-BGC模型的青藏高原五道梁地区NPP变化及情景模拟

以“气候变暖”为标志的全球气候变化对青藏高原生态系统产生强烈影响,利用参数本地化的生物地球化学模型（Biome-BGC）对五道梁地区草地生态系统进行模拟,研究了该区域1961~2015年净初级生产力（net primary productivity,NPP）的变化,并进行了情景模拟。结果表明:五道梁地区近55 a草地年均NPP为67.94 g/(m ²·a),呈显著上升趋势,主要是由生长季延长以及9月份生物量快速增长造成。在该地区,温度是草地NPP的主导因子,降水变化在40%以内对生产力影响不显著;温度和降水交互影响NPP,对单一影响有放大作用,暖湿条件下NPP对气候变化响应更加明显。     

2001—2017 年三江源区典型草地群落碳源/ 汇模拟及动态变化分析

碳源/汇是解释地球大气碳循环过程的重要指标，探究三江源的碳源/汇特征对于理解该地 区植被对全球气候变化的响应具有重要意义。三江源以脆弱的草地生态系统为主，且对全球气候 变化非常敏感。该地区生态环境极其脆弱，大部分地区条件恶劣导致实测数据稀缺，很难对该地 区的碳源/汇时空格局进行完整剖析。因此通过以三江源 5 种典型草地群落（金露梅、紫花针茅、风 毛菊、小蒿草、及青藏薹草群落）为研究对象，基于 BIOME-BGC 模型，利用地理数据、气象数据和植 被生理参数等数据，得出 2001—2017 年三江源草地群落的净初级生产力（NPP）、净生态系统生产 力（NEP）模拟值，并对草地群落 NPP、NEP 变化特征与气温、降水相关性以及碳利用效率变化等特 征进行了综合分析。结果表明：三江源区 NPP、NEP 在空间格局上，表现为由东南向西北数值逐渐 递减趋势；5 种典型草地群落多年 NPP 均呈现逐年增高趋势，其平均值为 196.06 g C·m ^-2·a ^-1。其 中，金露梅群落 NPP 平均值最高为 342.00 g C·m^-2·a^-1，青藏薹草群落 NPP 平均值最低为 55.93g C·m^-2·a^-1；5 种草地群落 NEP 的多年平均值为 49.02 g C·m^-2·a^-1，金露梅、紫花针茅及青藏薹草 3 种植 被群落的 NEP 值呈缓慢的上升趋势，风毛菊和小蒿草群落呈缓慢下降趋势。研究发现三江源草地 生态系统具有显著的碳汇作用，且不同群落 NPP、NEP 对气温和降水的响应程度有所差异，5 种群 落 NPP 与气温均呈显著正相关，但 NPP、NEP 与降水量的相关性较低；5 种群落均具有较强固碳潜 力，除金露梅外其余植被群落的碳利用率均在 0.625 以上。     

基于树轮资料重建森林净初级生产力的研究进展

森林净初级生产力(NPP)反映了森林植被固定和转换光合产物的能力,表示了森林碳汇功能强度,也是评价森林植被的演替状况以及陆地生态系统承载力的主要指标。基于遥感、清查资料等方法估算NPP已经取得了一些进展,但传统的研究方法受限于观测(调查)年份,难以有效获取长时间尺度的区域森林种群或群落年际NPP。树轮资料较为有效地反映了历史时期森林植被的逐年生长状况,从而在估算高精度且长时间尺度区域森林种群及群落NPP中具有较大的优势。本文对利用树轮资料重建区域森林NPP的两种主要方法进行了总结,第一种方法主要是依据树轮资料提供的立木逐年生长量进行生物量以及NPP的估算;第二种方法则是利用树轮指数与其他植被指数的相关性间接反演过去时间段区域森林群落NPP的变化。上述两种估算NPP的方法均存在较多的限制性,未来利用树轮资料估算NPP的时空精度仍有待提高。     

Analysis of spatio-temporal features of a carbon source/sink and its relationship to climatic factors in the Inner Mongolia grassland ecosystem

Global climate change has become a major concern worldwide. The spatio-temporal characteristics of net ecosystem productivity (NEP), which represents carbon sequestration capacity and directly describes the qualitative and quantitative characteristics of carbon sources/sinks (C sources/sinks), are crucial for increasing C sinks and reducing C sources. In this study, field sampling data, remote sensing data, and ground meteorological observation data were used to estimate the net primary productivity (NPP) in the Inner Mongolia grassland ecosystem (IMGE) from 2001 to 2012 using a light use efficiency model. The spatio-temporal distribution of the NEP in the IMGE was then determined by estimating the NPP and soil respiration from 2001 to 2012. This research also investigated the response of the NPP and NEP to the main climatic variables at the spatial and temporal scales from 2001 to 2012. The results showed that most of the grassland area in Inner Mongolia has functioned as a C sink since 2001 and that the annual carbon sequestration rate amounts to 0.046 Pg C/a. The total net C sink of the IMGE over the 12-year research period reached 0.557 Pg C. The carbon sink area accounted for 60.28% of the total grassland area and the sequestered 0.692 Pg C, whereas the C source area accounted for 39.72% of the total grassland area and released 0.135 Pg C. The NPP and NEP of the IMGE were more significantly correlated with precipitation than with temperature, showing great potential for C sequestration.     

近20 a中亚净初级生产力与实际蒸散发特征分析

中亚碳、水循环在气候变异和人为活动的影响下呈现新的时空特征。但由于观测数据稀缺,生态过程特殊,植被、土壤空间异质性强,中亚植被净初级生产力(NPP)、实际蒸散发(AET)的时空特征相关信息相对不足,且时效性不高。利用全球尺度的NPP、AET、土地覆被数据,气象站点与区域气候数据分析近20 a中亚地区NPP和AET的时空特征。结果表明：与1990年相比,2000年中亚地区农田NPP增幅小于自然植被,植被总固碳量增加了254.65 Tg C;近20 a中亚地区实际总蒸散量先增后降,农田对中亚水资源散失的贡献减小,自然植被的贡献增大,自然植被与农田面积变化决定中亚总蒸散量动态;北部农田区、东部山区及山前绿洲为NPP和AET的高值区,中西部荒漠为低值区。     

内蒙古草地生态系统碳源/汇时空格局及其与气候因子的关系（英文）

Global climate change has become a major concern worldwide. The spatio-temporal characteristics of net ecosystem productivity(NEP), which represents carbon sequestration capacity and directly describes the qualitative and quantitative characteristics of carbon sources/sinks(C sources/sinks), are crucial for increasing C sinks and reducing C sources. In this study, field sampling data, remote sensing data, and ground meteorological observation data were used to estimate the net primary productivity(NPP) in the Inner Mongolia grassland ecosystem(IMGE) from 2001 to 2012 using a light use efficiency model. The spatio-temporal distribution of the NEP in the IMGE was then determined by estimating the NPP and soil respiration from 2001 to 2012. This research also investigated the response of the NPP and NEP to the main climatic variables at the spatial and temporal scales from 2001 to 2012. The results showed that most of the grassland area in Inner Mongolia has functioned as a C sink since 2001 and that the annual carbon sequestration rate amounts to 0.046 Pg C/a. The total net C sink of the IMGE over the 12-year research period reached 0.557 Pg C. The carbon sink area accounted for 60.28% of the total grassland area and the sequestered 0.692 Pg C, whereas the C source area accounted for 39.72% of the total grassland area and released 0.135 Pg C. The NPP and NEP of the IMGE were more significantly correlated with precipitation than with temperature, showing great potential for C sequestration.     

黑河流域NPP遥感估算及其时空变化特征

植被的净初级生产力(NPP)是研究陆地各种生态过程的关键参数,对区域NPP的研究有利于人类对自然资源的管理和有效利用.本研究使用气象和遥感等数据,应用修正的CASA模型及其他数理统计方法对黑河流域1999—2010年的NPP进行估算,并对其时空变化特征进行了分析.结果显示:在1999—2010年,黑河流域的年NPP总量以3×10¹¹ g·a^-1的趋势增加;该流域NPP空间分布总体上为南多北少、河流两旁及绿洲地区多于其他地区;各类型中,草地生态系统累计的NPP最多;黑河上游NPP量与太阳辐射和降水量呈正相关关系,与年均气温呈负相关关系,上游地区水分和太阳总辐射量因子共同制约着流域的NPP量;中游地区年平均NPP与年平均气温呈负相关,与年总降水量呈正相关,与年总太阳辐射量呈微弱负相关,水分因子制约着植被NPP的生产;黑河流域下游地区植被NPP的年均累积生产量与年平均气温呈正相关,与年总降水量呈负相关,而与年总太阳辐射量无明显相关性,气温是下游植被NPP生产的制约因素.