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.     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

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。     

贡嘎山营养元素和重金属的生物地球化学研究现状与展望

本文对贡嘎山地区营养元素和重金属的生物地球化学循环的研究现状进行了总结,在此基础上探讨了未来须关注的热点和方向。目前围绕贡嘎山生态系统的碳(C)、氮(N)生物地球化学循环研究主要开展了C和N的分布特征、储量、凋落物中元素的归还与释放等方面的工作;磷(P)的生物地球化学研究包括不同海拔梯度和土壤演替阶段土壤P的形态、生物有效性、迁移转化及其影响因素、成土作用和微生物作用对土壤P的生物有效性的影响等;重金属的生物地球化学研究主要围绕重金属的赋存特征、来源、影响因素和潜在生态风险等方面。未来需要将大气-水-土壤-植物-微生物系统作为一个整体,系统研究养分元素的生物地球化学循环过程和机制以及重金属的迁移转化和关键控制因素,加强各元素生物地球化学循环耦合关系研究,建立多种元素循环的耦合模型,为山地生态安全和生态修复提供理论基础。     

土壤增温及降雨隔离对杉木幼林林下植被生物量的影响

据IPCC（2007）预计到21世纪末,全球平均温度将增加1.1-6.4℃,气候变暖导致陆地生态系统干旱频繁,强降雨增多,降雨量、降雨强度和降雨格局改变,高纬度地区降雨增加而亚热带地区降雨将减少。温度和水分是驱动生态系统过程最关键的2个因素,全球变暖及降雨格局的改变将显著影响陆地生态系统的结构与功能。森林生态系统作为陆地生态系统的一个重要组成部分,其林下植被在维持森林生态系统多样性、生态功能稳定性、森林生态系统营养元素的积累和循环、水土涵养、持续生态系统生产力以及森林演替和发展、森林碳汇储量等方面具有独特的功能和作用.     

集成遥感数据的陆地净初级生产力估算模型研究综述

净初级生产力(NPP)是衡量碳循环、指导土地利用、评估生态安全、指示环境变化、反映粮食安全等的重要参量,其估算受模型构建机理和生态系统关键地表参数输入的影响。近年来,随着遥感数据的不断丰富和遥感处理技术的快速发展,集成遥感数据的NPP估算模型相较于仅采用气候、土壤等传统观测数据的非遥感模型,在分析时空异质性等方面的优势日益凸显。本文基于Web of Science和CNKI两大数据库,采用文献统计分析方法,系统回顾NPP研究概况及国内外集成遥感数据的NPP估算模型的近期进展;并将集成遥感数据进行NPP估算的模型分为统计模型、光能利用率模型、过程模型及耦合模型四类;重点阐述了各类遥感估算模型的机理、差异性、适宜性及局限性;最后,在分析NPP遥感估算面临困境和科学挑战的基础上,从机理与影响因素、数据基础、参数反演、时空尺度拓展、软硬件支撑等方面对未来研究进行了展望。     

中国北方干旱半干旱区植被-气候响应关系特征北大核心CSCD

气候变化背景下干旱区植被的时空分布及变化特征,是区域植被恢复和国家自然保护区建设等亟需研究的关键生态环境问题。在建立中国北方干旱半干旱区潜在植被分类及对Holdridge生命地带模型进行修正和拓展的基础上,结合中国气象模拟数据(1981—2020年),引入植被面积转移矩阵、Kappa系数和平均中心模型等方法,对中国北方干旱半干旱区气候要素进行分析并实现了潜在植被定量识别和空间分布格局模拟。结果显示:40年间年降水量、年平均生物温度和可能蒸散率总体均呈上升趋势,研究区存在暖干化现象;研究区共出现6种潜在植被类型,在不同年代际均呈地带性分布;温带荒漠植被、温带草本植被和温带森林植被是主要植被类型,共占总覆盖面积约71%;温带森林植被的面积总体增长最快,平均每10年增加1.1%,温带荒漠植被减少最快,平均每10年减少1.3%;相邻年代际间,各类潜在植被的面积转换关系较为稳定,差别在于转换程度;山地森林植被、温带荒漠植被和温带森林植被的平均中心总体偏移距离大于50 km,除温带荒漠植被,其他植被的平均中心总体均往西移。     

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。     

湿地植被净初级生产力估算模型研究综述

湿地植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)作为湿地生态系统物质与能量循环的基础,是陆地生态系统碳循环的重要研究内容之一。估算湿地植被NPP的方法经历了站点实测和模型方法两个发展阶段,其中估算模型可以分为统计模型、参数模型和过程模型。随着计算机和遥感技术的发展,一些利用遥感信息估算NPP的新方法得到了广泛应用。简单地沿袭传统模型分类方法,不能完全涵盖所有估算湿地植被NPP的方法。回顾了湿地植被NPP估算模型,在传统模型分类的基础上,补充了遥感在湿地植被NPP估算模型中的应用,进一步将统计模型分为气候相关和遥感相关模型,将生态系统过程模型分为过程模型、过程耦合模型和遥感-过程耦合模型。在此基础上,评述了各类模型在湿地植被NPP中的研究现状,探讨了湿地植被NPP估算研究中存在的问题,指出湿地植被NPP估算的工作重点可以从提高地面实测精度、减少模型模拟不确定性、使用多源数据等方面入手,其中引入数据同化的方法实现湿地植被NPP预测将是湿地植被NPP估算模型的重要发展方向。     

中国陆地植被净第一性生产力及季节变化研究

利用植被指数与植被吸收的光合有效辐射比例之间的线性关系,由1992年4月～1993年3月12 个月的1 km AVHRR NDVI资料及同期地面气象资料确定地表植被吸收的光合有效辐射,然后由光能利用率得到植被净第一性生产力(NPP).为了更准确计算NPP,本文还考虑了温度及土壤水分条件对光能利用率的影响,最后得到我国陆地植被年NPP分布图,并对中国陆地植被净第一性生产力分布情况的季节变化及不同植被类型的NPP季节变化进行了初步研究.结果表明,我国NPP的分布主要受水分条件的影响,呈从东南到西北递减的趋势,全国年总净第一性生产力约为2.645×109tC.     

1982～2010年中国东北地区植被NPP时空格局及驱动因子分析

应用逐像元线性回归模型方法,整合应用MODIS和AVHRR NDVI数据集,构建1982~2010年覆盖东北地区的8 km空间分辨率的NDVI数据集,进而应用CASA模型估算得到东北地区29 a NPP数据集,模拟精度在75%以上。29 a平均的东北地区植被NPP总量为6.5×108tC/a。植被NPP的分布受植被类型、气候、地形因素的综合影响。NPP地域差异明显,山地区植被>平原区植被>高原区植被,变化最大的植被类型为草地植被。过去29 a间,植被NPP呈显著上升趋势(P<0.01)。气候变化和土地利用变化均是影响植被时空格局的重要因素。     

西藏NPP时空格局与气候因子的关系

根据2000-2012年1 km MOD17A3 NPP遥感数据和气温、降水等气象资料,在GIS支撑下,结合多种统计计算方法,对西藏NPP时空格局与气候因子的关系进行研究。结果表明:2000-2012年间西藏陆地植被的NPP为119.3～148.4 g·m^-2·a^-1,平均为135.2 g·m^-2·a^-1;近年来西藏NPP呈不显著上升趋势,NPP总体上由东南向西北逐渐变小。13年来西藏NPP在总体不变(面积占61.11%)的基础上略有增加(面积占10.7%);不同植被类型中阔叶林的NPP最大,为1 185.2～1 430.2 g·m^-2·a^-1,其次是混交林,为535.1～741.2 g·m^-2·a^-1,其后依次是稀树草原、针叶林、农用地、草地和灌丛;西藏NPP与气温、降水因子分别有较好的正、负相关性。所有植被类型都与年均气温呈正相关,其中草地的NPP与年均气温的相关系数达0.88,其次是针叶林为0.76,相关性最差为热带稀树草原0.13;与年降水量的相关性,除了热带稀树草原正相关(0.26),其余都负相关,草地、针叶林的相关系数分别为-0.79、-0.73。     

过去50年气候变化下中国潜在植被NPP的脆弱性评价

借助动态植被模型IBIS,首先模拟了过去50年（1961-2010年）气候变化下中国潜在植被NPP的动态变化,然后采用IPCC第五次评估报告选定的标准气候态时段（1986-2005年）平均气候状态作为“标准年气候”,并将该气候条件下的潜在植被NPP作为评价基准。通过与基准进行比较,计算每一年潜在植被NPP的波动情况,进而评价该年的气候条件是否使潜在植被“不适应”以及“不适应”的程度,最后根据过去50年的“不适应”次数和程度综合判断气候变化下潜在植被NPP的脆弱性。评价结果显示：在过去50年的气候变化下,天山以南的暖温带荒漠生态系统、北方温带草原生态系统以及青藏高原西部的高寒草原生态系统更容易受到气候变化的不利影响,NPP呈现出较高的脆弱性;而大部分以森林为主的生态系统则不容易受到气候变化的影响,NPP脆弱性较低,其中以常绿阔叶林和针叶林为主的生态系统NPP脆弱性更低。此外,天山以北的温带荒漠生态系统以及青藏高原中部和东部的高寒草原草甸生态系统NPP也呈现出较低的脆弱性。     

中国典型自然保护区生境状况时空变化特征

中国已建立各类自然保护区2740个,占全国陆地面积的14.8%。本文以典型国家级自然保护区为例,基于遥感反演、模型模拟、空间分析等方法,获得植被覆盖度、净初级生产力（NPP）和土地覆被时空数据集,分析2000-2015年中国不同区域、不同类型自然保护区生境状况时空变化及人类扰动的影响,进而评估自然保护区在栖息地及生物多样性保护方面的效果。结果表明：2000-2015年,国家级自然保护区植被覆盖度从36.3%提高到37.1%,各类型自然保护区均有不同程度提高,其中森林类保护区年增速0.11%,草原草甸类0.84%,内陆湿地类0.21%,荒漠生态类0.09%,野生动物类和野生植物类则分别为0.11%和0.08%。草原草甸类、内陆湿地类、荒漠生态类、野生动物类自然保护区植被NPP年增速分别为2.06 g·m^-2、1.23 g·m^-2、0.28 g·m^-2、0.4 g·m^-2,而森林类和野生植物类则分别以3.45 g·m^-2和2.35 g·m^-2的年速率减少。近15年,国家级自然保护区内人类扰动呈现微弱变化,除青藏高原区和南亚热带湿润区内保护区人类扰动略微下降以外,其他区域均有所增强,特别是北亚热带和温带湿润区,其保护区人类扰动由4.70%明显增至5.35%。     

中国陆地自然植被碳量空间分布特征探讨

陆地生态系统在全球碳循环动力学中的作用受到越来越多的注意。目前中国森林覆盖率为1392% , 到本世纪末全国森林覆盖率将达到15% , 对全球碳平衡具有重要作用。但是,由于我国碳循环的基础研究比较落后,致使我国陆地生态系统的碳储量和净第一性生产力 （NPP） 碳量还没有被准确确定, 而且陆地生态系统的碳通量估计存在较大差异。     

青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异

基于1982-2009 年间的遥感数据和野外台站生态实测数据,利用遥感生产力模型(CASA模型) 估算青藏高原高寒草地植被净初级生产力(NPP),分别从地带属性(自然地带、海拔高程、经纬度)、流域、行政区域(县级) 等方面对其时空变化过程进行分析,阐述了1982 年以来青藏高原高寒草地植被NPP的时空格局与变化特征。结果表明:① 青藏高原高寒草地NPP多年均值的空间分布表现为由东南向西北逐渐递减;1982-2009 年间,青藏高原高寒草地的年均总NPP为177.2×10¹² gC·yr^-1,单位面积年均植被NPP为120.8 gC·m^-2yr^-1;② 研究时段内,青藏高原高寒草地年均NPP 在112.6~129.9 gC·m^-2yr^-1 间,呈波动上升的趋势,增幅为13.3%;NPP 增加的草地占草地总面积的32.56%、减少的占5.55%;③ 青藏高原多数自然地带内的NPP呈增加趋势,仅阿里山地半荒漠、荒漠地带NPP呈轻微减低趋势,其中高寒灌丛草甸地带和草原地带的NPP增长幅度明显大于高寒荒漠地带;年均NPP增加面积比随着海拔升高呈现"升高—稳定—降低"的特点,而降低面积比则呈现"降低—稳定—升高"的特征;④ 各主要流域草地年均植被NPP均呈现增长趋势,其中黄河流域增长趋势显著且增幅最大。植被NPP和盖度及生长季时空变化显示,青藏高原高寒草地生态系统健康状况总体改善局部恶化。     

基于改进土壤冻融水循环的Biome-BGC模型估算青藏高原草地NPP

Biome-BGC模型被广泛用于估算植被净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）,但是该模型未考虑冻土区土壤冻融水循环过程对植被生长的影响。本文基于Biome-BGC模型,改进冻土区活动层土壤冻融水循环,估算了2000—2018年青藏高原高寒草地NPP。通过比较原模型和改进后的模型,并对NPP模拟结果的时空特征进行了分析,结果表明：① 增加冻融循环提高了NPP估算精度,青藏高原草地NPP均值由114.68 gC/(m²·a)提高到128.02 gC/(m²·a)。② 原模型和改进后NPP的空间分布差异较大,时间变化趋势差异不明显。③ 青藏高原草地NPP总量为253.83 TgC/a,呈东南向西北递减的空间格局,年均增速为0.21gC/(m²·a)（P=0.023）,显著增加的占17.85%,主要分布在羌塘高寒草原地带的大部分地区和藏南山地灌木草原地带的西部。④ 该冻融水循环改进方法简单可靠,具有在其他多年冻土区推广的价值。     

中国东南部植被NPP的时空格局变化及其与气候的关系研究

基于2001~2010年MOD17A3年均NPP数据和气象站点气温、降水资料,利用GIS空间分析技术和数理统计方法研究中国东南部植被NPP的时空格局、动态变化及与气候要素的关系。结果表明,中国东南部植被年均NPP总体上呈现从南到北、由东至西逐渐减少的分布,不同植被类型的NPP存在明显差异,以常绿阔叶林最高,落叶针叶林最低。2001~2010年间,植被NPP整体上略有减少。空间上植被NPP在南部地区明显减少,而在北部地区明显增加。植被NPP与降水和气温的相关性均表现出明显的地域差异。     

长白山森林植被NPP主要影响因子的敏感性分析

对影响森林植被净第一性生产力的主要因子进行敏感性分析是准确估计NPP的需要。本文以长白山自然保护区为例,利用敏感性矩阵,对北部生态系统生产力模拟模型的三个主要输入因子——叶面积指数、温度和降水量,分别分析了各单一因子对森林植被NPP的敏感性,并建立敏感性分析矩阵。分析结果表明,在长白山自然保护区,森林植被的NPP与叶面积指数呈正相关 ,与温度呈负相关,与降水量无明显相关关系。同时,还统计了不同森林植被类型的NPP对输入参数的敏感性,得出了针叶林对环境的适应性最强、生长最稳定的结论。