西藏高寒草甸冠层光合参数的遥感估算：站点研究（英文）

太阳辐射驱动的植物光合作用是所有生物圈功能的基础。高寒草甸生态系统范围广,土壤碳密度高,气候变化剧烈,因此是高寒生态系统关键过程响应气候变化的指示器。然而,对高寒草甸生态系统光合作用的主要参数,包括被冠层吸收的光合有效辐射占比(FPAR)、冠层消光系数(k)和冠层叶面积指数(LAI)季节动态的研究较为缺乏。利用2009–2011年太阳辐射各组分和植被叶面积指数观测,分别估算了位于西藏自治区当雄县一个典型的高寒草地生态系统的这三个光合参数,并与最新MODIS(collection6)遥感FPAR(FPAR_MOD)和LAI产品(LAI_MOD)进行了对比。此外,基于比尔–朗伯吸收定律和MODIS植被指数产品(归一化植被指数NDVI和增强型植被指数EVI),本研究介绍了一个纯遥感手段估算高寒草甸生态系统植被冠层光合参数季节动态的方法。结果表明:2009–2011年该研究区高寒草甸日均FPAR分别是0.33、0.37和0.35,所有4个基于遥感的FPAR产品,包括FPAR_MOD、基于比尔–朗伯吸收定律(常数化消光系数为0.5)估算的FPAR_LAI,以及2个利用MODIS植被指数产品与FPAR地面观测(FAPRg)建立非线性统计模型估算的FPAR(FPAR_NDVI和FPAR_EVI)均对FPARg的年内季节变异做出了很好的解释。相比而言,FPAR_MOD严重低估了FPARg,低估量超过了FPARg本身的40%;FPAR_LAI也明显低估了FPARg,低估量将近20%,这主要是由于比尔–朗伯吸收定律中k值在整个生长季都被设置为常数0.5,因此用FPAR_LAI去校准FPAR_MOD在该高寒草甸不是一个科学合理的方法。通过遥感估算,该高寒草甸的k值存在明显的季节变异,变异范围是0.19–2.95。考虑k值的季节变化后,FPAR_NDVI和FPAR_EVI明显地提高了对FPARg的估算精度,二者对FPARg虽然有轻微的高估,但高估量均不到5%(RMSE=0.05)。基于植被指数(NDVI和EVI)模拟的FPAR和k的季节动态,利用比尔–朗伯吸收定律估算的植被叶面积指数(LAI_NDVI和LAI_EVI)明显提高了遥感LAI_MOD产品的准确度。本研究揭示了基于比尔–朗伯吸收定律,植被指数构建的遥感模型可以提供该高寒草甸FPAR、k和LAI季节动态简单而有效的估算方法。     

青藏高原高寒草甸生态系统CO2通量研究进展

高寒草甸是广布于青藏高原的主要植被类型,它是青藏高原大气与地面之间生物地球化学循环的重要构成部分,在区域碳平衡中起着极为重要的作用。基于对青藏高原主要高寒草甸生态系统类型CO2通量研究方面的综述,系统分析了高寒草甸生态系统CO2通量日、季、年等不同时间尺度的变化特征以及温度、光合有效辐射、降水等主要环境因子对高寒草甸生态系统CO2通量的影响;同时,结合其他地区草地生态系统,就青藏高原三种典型高寒草甸生态系统类型源汇效应和Q10值进行了比较;最后,结合青藏高原高寒草甸生态系统CO2通量研究的现实与需要,提出了当前存在一些不确定性和有待深入研究的问题。     

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。     

应用遥感技术模拟净初级生产力的尺度效应研究进展

采用遥感技术估算地表植被净初级生产力(NPP),已经成为模拟NPP的主要发展方向。遥感技术以及数据处理能力的迅速发展和基于遥感观测生理生态理论研究的进展使大尺度生态系统格局和过程的定量、动态观测成为可能。多种卫星传感器提供了丰富的多尺度对地观测数据,从而形成了不同空间分辨率的影像数据层次体系,使得从定量遥感出发的NPP估算必然存在多尺度的问题。NPP遥感估算模型以不同分辨率的遥感数据(代表不同的研究尺度)作为输入参数时,得到的NPP模拟值差异明显。为了提高NPP的估算精度,需要充分认识不同分辨率的遥感数据对NPP估算结果的影响差异,即NPP的尺度效应问题。本文介绍了遥感尺度效应研究进展,多分辨率遥感数据监测NPP变化的多尺度研究进展,以及NPP估算尺度效应问题的研究进展。并分析了应用遥感技术研究NPP尺度效应的发展趋势。     

裸斑对青藏高原多年冻土区高寒草甸生态系统呼吸和甲烷吸收的影响

研究裸斑对青藏高原多年冻土区高寒草甸生态系统呼吸和甲烷通量的影响,对准确评估多年冻土区小流域和区域尺度碳交换具有重要意义。本文以青藏高原风火山高寒草甸中裸斑和高植被覆盖斑块为研究对象,通过对比不同地形条件下(不同坡向和海拔)二者生态系统呼吸和甲烷通量的差异来研究裸斑对高寒草甸生态系统呼吸和甲烷通量的影响。结果表明:(1)裸斑显著减少了高寒草甸的生态系统呼吸,裸斑和高植被覆盖斑块生长季生态系统呼吸的平均速率分别为2.26和6.17 g CO_(2 )m~(-2) d~(-1),这主要是二者微生物量碳和蔗糖酶活性差异造成的;(2)裸斑和高植被覆盖斑块在生长季内均表现为甲烷的汇,二者生长季甲烷吸收的平均速率分别为25.4和6.61μg CH_(4 )m~(-2) h~(-1);在坡中和坡顶,裸斑的甲烷吸收速率显著大于高植被覆盖斑块,而在坡底,二者的甲烷吸收速率相近;土壤湿度是调控高寒草甸甲烷吸收空间变异的主要因素。研究结果深化了裸斑对青藏高原多年冻土区高寒草甸碳交换影响的认识,可为小流域以及区域尺度碳交换的准确评估提供科学依据。     

封面照片说明:青藏高原高寒草甸

高寒草甸(Alpine meadow)又称为高山草甸,是发育在高原和高山地带的一种草地类型。由于处在寒冷的环境条件下,其植被组成主要是冷中生的多年生草本植物。在青藏高原东部及其周围海拔3 000 m以上的高海拔山地,广泛分布着由蒿草等高寒植被组成的草甸,是青藏高原高寒生态系统的主要草地类型,分布面积约70×104km2,占青藏高原可利用草场的近50%。作     

基于植被盖度和高度的不同退化程度高寒草地地上生物量估算

由于气候变化和不合理的人类活动,20世纪80年代以来青藏高原高寒草地发生严重退化。地上生物量是评价草地退化的直观指标。通常采用植被盖度和高度来估算草地地上生物量,但草地退化后,植被盖度和高度与地上生物量之间的关系是否会发生变化目前还不清楚,这影响着退化草地生物量估算的精度。通过多元回归分析研究了青藏高原中部和东北部高寒草甸、高寒草原在不同退化程度下植被盖度和高度与地上生物量的关系。结果表明：（1）高寒草甸与高寒草原地上生物量整体上及不同退化阶段都没有显著差异（P>0.05）。（2）随着退化程度的加剧植被盖度和高度对地上生物量的影响也发生改变,体现在未退化阶段地上生物量主要受植被高度影响,退化后主要受植被盖度影响。（3）无论是高寒草甸还是高寒草原分退化程度的回归模型估算结果都较不分退化程度模型估算的生物量更接近实测值。我们建议在退化高寒草地研究中采用盖度和高度估算生物量时,根据退化阶段采用不同的估算模型。     

青藏高原东缘高寒草甸地上生物量的估测模型

探索简单、快捷的获得草地单个物种及群落地上生物量资料的方法,可以为合理保护和利用草地资源提供重要技术支持。在传统的直接收获法测定草地地上生物量的基础上,结合物种的种群特点,利用与生物量密切相关的高度、盖度、密度等植被生态参数,建立了青藏高原东缘高寒草甸各植物种的最适地上生物量估测模型。其中禾叶嵩草、垂穗披碱草、高山韭等物种生物量最适模型为幂函数方程,其他物种最适模型除却长毛风毛菊是二次项方程外均为线性方程。这些模型拟合精度较高,经检验,单个物种生物量估测值与实际观测值之间的相关系数均0.9,且大部分平均相对误差10%。对于草地群落地上总生物量,估测值与实际观测值相关系数为0.965,各样方的相对误差大都10%,平均相对误差为5.672%,说明利用这些模型估算青藏高原东缘高寒草甸地上生物量切实可行。     

三种高寒草甸植被分布及与湍流交换通量关系的比较

对海北定位站分布的金露梅灌丛草甸、矮嵩草草甸、藏嵩草沼泽化草甸3种高寒植被类型群落结构、感热(H)和潜热(LE)通量比较观测表明,3种植被类型年地上净初级生产力表现出矮嵩草草甸(318.600g/m2)>藏嵩草沼泽化草甸(258.341g/m2)>金露梅灌丛草甸(217.695g/m2)。植物种类组成有矮嵩草草甸(54种)>金露梅灌丛草甸(47种)>沼泽草甸(24种)。3种植被类型区近地表大气能量交换过程中,LE和H的月际变化明显,而且随植被类型的不同月际变化差异显著。3种不同植被类型在年内均表现出H LE>0,表明在青海海北高寒草甸地区,太阳辐射强烈,近地层湍流输送明显,地表为一热源。3类型高寒草甸植被的年地上净生产量基本与波文比(β)呈现正效应,与LE H呈现明显的反效应。植物种类组成基本与LE H有反效应,与β呈明显的正效应。     

疏勒河上游高寒草甸蒸散对比研究

利用疏勒河上游草地综合观测点2011年草甸主要生长季节的观测资料,应用小型蒸渗仪法(ML)、涡动相关法(EC)、波文比能量平衡法(BREB)对高寒草甸的蒸散量进行估算和比较分析。结果发现:在观测期间涡度相关法与能量平衡法所测定结果存在能量不闭合现象,能量平衡闭合度0.84;波文比法估算的蒸散量为270.6 mm,比蒸渗仪法测定结果(238.9 mm)高13%,比涡度相关法结果(236.1 mm)高出15%。3种方法估算结果均有较好相关性。涡度相关法可能低估蒸散量,波文比能量平衡法对蒸散量有所高估。考虑到蒸散估算精度和连续性观测等方面,涡度相关法更具优势。     

内蒙古温带草原典型草地生态系统生产力对水分在不同时间尺度上的响应

水分是干旱、半干旱区草地生态系统生产力的主要限制因素,但水分如何影响生产力的季节内变异,以往研究相对不足。本研究以内蒙古温带典型草原为研究对象,基于多通道自动原位监测箱系统获得的生态系统日尺度总初级生产力(GPP)及遥感植被归一化指数估算年尺度的地上净初级生产力数据,在不同时间尺度上研究了水分对生产力的影响。结果表明:年降水量对该典型草原草地生态系统地上净初级生产力年际变异无显著影响,但土壤水分显著影响GPP的季节变异,土壤水分解释了GPP季节变异的22%;其他环境因子对生产力的季节变异也有一定影响;温度是生态系统处于干旱时GPP的主要限制因素,GPP随温度的升高而降低;而辐射是生态系统处于湿润时GPP的主要限制因素,GPP随辐射的升高而升高。本研究结果将有利于提升未来降水格局改变对草地生态系统生产力影响的认识。     

青藏高原高寒草原区域碳估测

CASA(Carnegie-Ames-Stanford Biosphere)模型是一个表征陆地生态系统水、碳素和氮素通量随时间变化的生态系统过程模型。本研究采用MODIS遥感数据与CASA模型相结合的方法计算了青藏高原高寒草原生态系统植被净初级生产力(NPP)总量为20.57×10¹²g·a^-1的碳。同时根据五道梁实验点上得到的经验关系估算了青藏高原高寒草原生态系统区域上的土壤碳排放(Heterotrophic respiration)总量为8.07×10¹² g·a^-1,因此推算得高寒草原区域内净生态系统生产力(NEP)折算成碳为12.50×10¹² g·a^-1。     

湿地植被地上生物量遥感估算模型研究——以洪河湿地自然保护区为例

以洪河湿地自然保护区的TM图像和29个实测样地生物量数据为数据源,采用单变量线性和非线性回归、多元线性逐步回归及人工神经网络(BP网络、RBF网络)技术,构建了研究区内典型湿地植被(草甸和沼泽)的地上生物量干重和湿重的遥感估算模型,并对比得到最优模型。主要结论有:(1)RBF神经网络模型及多元非线性模型是研究区内湿地植被地上生物量遥感估算的最优模型,生物量干重估算值的平均相对误差为2.795%,生物量湿重估算值的平均相对误差为3.399%。(2)比较2004年8月、2006年8月和2008年8月研究区内草甸和沼泽总生物量可得,总生物量干重呈上升趋势,而总生物量湿重呈下降趋势。(3)研究区内生物量极高值和极低值分布较少,且主要集中于混合像元分布的地方,如岛状林、灌丛的周边地区或是沼泽内含水较多的地区。     

青藏高原高寒草地生态系统服务价值评估

基于Constaza等提出的方法,在对青藏高原天然草地生态系统服务价值根据其生物量订正的基础上,逐项估算了各种草地类型的各项生态服务价值,得出青藏高原天然草地生态系统每年提供的生态服务价值为2571 78×108元,占全国草地生态系统每年服务价值的17 68%。受各类草地生物群落分布广度和单位面积生态服务功能强弱的综合影响,各类草地的生态服务价值贡献率有很大差异,其中,高寒草甸、山地草甸、高寒草原对草地生态系统总服务价值的贡献率分别为62 52%、14 14%、12 92%。根据高寒草地的地域分异特征分亚区进行的生态价值估算结果表明,亚区生态服务价值具有沿东南向西北迅速减小的趋势,这与青藏高原气候条件自东南向西北由温暖湿润转向寒冷干旱是一致的。说明生态系统的地域分布条件对生态服务价值的大小有直接的影响。对毁草种田所产生的生态价值损失估算表明,仅青海和西藏两省区的生态损失每年高达2 29×108元,占两省区GDP总值的0 9%。     

基于 137Cs和 210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪

高寒草甸是青藏高原主要的草地类型之一。为了解高寒草甸坡面土壤侵蚀特征,以兴海盆地高寒草甸坡面为研究区,分析了高寒草甸坡面上 137Cs和 210Pbex的分布特征;利用 137Cs和 210Pbex示踪方法,通过转换模型估算了高寒草甸坡面土壤侵蚀速率,并对两种方法估算的结果进行了对比。结果表明:(1)选取的高寒草甸背景土壤剖面上 137Cs质量活度最大值分布在 2～4 cm层位, 210Pbex质量活度最大值出现在最表层。(2)研究区坡面 137Cs和 210Pbex质量活度和通量在不同的坡位有明显的差异。(3)根据 210Pbex估算的土壤侵蚀速率高于基于 137Cs估算的土壤侵蚀速率,表明研究区近几十年土壤侵蚀可能呈增加趋势。(4)根据 137Cs和 210Pbex估算的土壤侵蚀速率具有极显著的正相关关系( r = 0.94,P <     

青海高寒草甸退化演替中的植被指数

随着气候变化和人为活动干扰,高寒草甸退化已成为青藏高原严重的生态环境问题,精准识别其退化程度并制定相应恢复策略,对实现高寒草甸可持续发展具有重要意义。目前,低空间分辨率MODIS数据为草地遥感监测的主要数据源,但难以满足景观破碎度或异质性较强地区的应用。本研究基于野外调查资料,利用多源遥感数据（MODIS、Landsat、Sentinel-2）研究不同空间分辨率归一化植被指数（NDVI）对高寒草甸退化演替的响应,为准确评估青藏高原高寒草甸退化程度提供依据。结果表明：（1）随着高寒草甸退化,植被群落优势种演化趋势为禾草—矮嵩草—小嵩草—杂草群落;植被高度和生物量先快速下降,然后缓慢下降或趋于稳定,植被覆盖度和NDVI的变化呈相反特征。（2）随着湿地草甸旱化,植被群落优势种从藏嵩草演变为矮嵩草或小嵩草,湿地旱化初期植被高度、生物量和覆盖度平均值略低于原生湿地,NDVI略大于原生湿地,差异不显著。（3）植被高度、覆盖度和生物量与Sentinel-2或Landsat的NDVI相关性均优于MODIS,说明Sentinel-2和Landsat的NDVI对高寒草甸退化演替过程更加敏感,采用该数据能更准确评估高寒草甸退化程度。     

高寒草甸土壤有机碳储量及其垂直分布特征

青藏高原是全球变化的敏感区。高寒草甸草原是青藏高原上最主要的放牧利用草地资源之一。选择青藏高原东北隅海北站内具有代表性的高寒草甸土壤进行高分辨率采样,测定土壤根系和有机碳含量。研究得出,青藏高原高寒草甸土壤贮存有巨大的根系生物量 (23544.60 kg ha^-1~27947 kg ha^-1) 和土壤有机碳 (21.52 GtC);自然土壤表层 (0~10 cm) 储存了整个剖面土壤有机碳总量的30%左右。比较发现,高寒草甸土壤的有机碳平均贮存量 (23.17×10⁴ kgCha^-1) (0~60 cm) 较相应深度的热带森林土壤、灌丛土壤和草地土壤的有机碳贮存量高约1~5倍多。在全球碳预算研究中,青藏高原高寒草甸土壤有机碳库不可忽视。随着全球变暖,表层土壤有机碳分解释放的CO₂将增加。为了减少高寒草甸生态系统的碳排放,应加强高寒草甸土壤地表覆被的保护,合理种植深根系植物。这对减缓全球大气CO₂浓度升高的速率以及可持续开发高寒草甸的生态服务功能都具有重要意义。     

青藏高原高寒草甸生长季土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态

采用LI-8100土壤呼吸监测系统,于2015年6~10月对青藏高原高寒草甸的土壤呼吸进行监测,分析了土壤温度和土壤湿度对草甸昼、夜间土壤呼吸特征及其季节动态变化的影响。结果表明:(1)样地观测期内,土壤呼吸速率存在明显的日变化和季节变化规律,呈现单峰趋势,呼吸速率的日峰值出现在15:00左右,季节峰值出现在8月上旬;(2)生长季内,土壤温度是高寒草甸土壤呼吸的主要控制因子,其可以解释土壤呼吸季节变化的69%(指数函数)和72%(Arrhenius模型);土壤温度和土壤水分的复合模型可以解释土壤呼吸的81%;(3)观测期内昼、夜的Q10值分别为2.66和3.29,昼间土壤温度反应灵敏度要比夜间小,验证土壤呼吸的敏感性指数随温度的降低而增加。     

西藏高原高寒嵩草草甸在不同降雨条件下CO_2通量的生物物理调节机制（英文）

降雨的年际变化可导致碳通量显著变化。因此我们利用涡度相关(EC)技术观测西藏高原北部的一个高寒草甸连续2年(2005–2006)的CO2净生态系统交换(NEE),以分析不同降水年份下CO_2通量的差异和控制因素。2005和2006年的降水量分别为489.9 mm和241.1 mm,相比于476.0 mm的多年平均值,前者属于平水年,后者属于干旱年。2006年的NEE的年际累积表现为净排放量(87.70 g C m~(-2) yr~(-1)),而2005年则表现为非常微弱的吸收(-2.35 g C m~(-2) yr~(-1))。因此该高寒草甸在平水年是碳中性的,但在干旱年是碳源,这说明如果未来气候变暖继续恶化加剧土壤干旱的条件下,高寒草甸有可能成为一个CO_2释放源。在干旱年份,总初级生产力(GEE)、叶面积指数(LAI)以及生态系统碳吸收持续的时间都明显降低,由此引发干旱年份生长季旺盛时期每日NEE最大吸收速率、最大光合速率(Pmax)以及表观量子效率(α)只是平水年的30%–50%。在其他因子的调控方面,半小时尺度的GEE和NEE与光合有效辐射(PAR)密切相关,但这种响应会受空气温度(T_a),土壤水分含量(SWC)和水汽压亏缺(VPD)的影响。NEE的吸收速率会随着T_a和VPD的升高以及SWC的下降而减少。当PAR超过合适的范围值时,由于较高的辐射加剧了土壤干旱的情况,会减少白天NEE的吸收速率。NEE吸收速率的最适T_a和VPD值分别为12.7℃和0.42 KPa,而且NEE的吸收速率也会随着SWC的增加而增大。LAI的季节变异能够解释GEE和NEE变异的77%。半小时尺度上的生态系统呼吸(R_e)的变异主要依赖于土壤温度(T_s),但SWC会在一定程度上调控R_e对T_s的响应。     

青藏高原湿地研究进展

青藏高原具有全球重要性,是地球表面上很少受人类活动干扰的区域之一,在全球变化研究中被作为先兆区或预警区。青藏高原湿地多为高寒沼泽、高寒沼泽化草甸和高寒湖泊,具有生态蓄水、水源补给、气候调节等重要的生态功能,在防止全球水危机方面起着关键的作用。因此青藏高原湿地在全球变化研究中占有特殊的重要地位,已经引起国内外学者的关注。本文从湿地的类型和分布、湿地土壤、湿地植被、泥炭的形成与演化、湿地动物、古植被古气候、温室气体排放以及湿地退化几个方面对青藏高原湿地研究进行了综述,并提出了未来的重点研究领域。