青藏高原高寒沼泽化草甸总初级生产力的遥感估算:多模型比较（英文）

青藏高原沼泽化草甸是土壤有机碳密度最高,对气候变化最敏感的高寒生态系统。对其生态系统总初级生产力(GPP)持续准确的量化是掌握站点到全球尺度的碳循环的关键。涡度相关技术(EC)是测量生态系统碳通量的最佳途径,而遥感模型可以实现从生态系统迹点(footprints)到区域乃至全球的尺度扩展。但是,大多遥感估算模型的适用性在这种高寒沼泽化草甸上并没有得到验证。本研究选取了四个近年来被广泛运用的遥感估算GPP的模型,即MODIS算法(MOD)、植被光合模型(VPM)、光合能力模型(PCM)和高寒植被模型(AVM)对青藏高原中部的一个典型高寒草甸生态系统的GPP进行了估算。结果显示:所有遥感模型对GPP的年内季节变异都有很好的解释(R20.89,P0.0001),但很难解释其年际变化。与日均EC_GPP相比,VPM严重的低估了该生态系统的GPP,其估测值大约仅为EC观测值的54%。但是,其他三个模型可以较准确地进行GPP估算:相比之下,AVM可以反演94.5%的EC观测,相对于EC观测的均方根误差(RMSE)最小(1.47 g C m~(-2));PCM对EC_GPP有微小的高估(约12.0%的EC观测值),而MODR对EC_GPP有微弱的低估(约8.1%的EC观测值),但二者的偏差都不显著。本研究表明AVM对该高寒沼泽化草甸的GPP估算比其他较复杂的GPP估算模型更有优势。     

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。     

基于地理环境要素的叶面积指数遥感定量反演

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物、物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获。但是通过地面直接测量来获取大面积的LAI十分困难,而传统的基于单植被指数的LAI反演方法也具有一定的缺陷。以福州市辖区与闽侯县的阔叶林和处于生殖生长阶段的水稻为研究对象,在传统单植被指数的LAI反演方法的基础上引进植被含水量、植被覆盖度和地形3个核心环境因子来建立LAI估算模型。结果表明:基于最佳植被指数与环境因子的LAI估算模型与未考虑环境因子的单植被指数LAI估算模型相比,其验证精度有所提高。其中,就阔叶林的LAI定量反演模型而言,R~2由0. 706～0. 717提升至0. 755,RMSD由0. 292～0. 297降低至0. 271;就生殖生长阶段的水稻LAI定量反演模型而言,R~2由0. 724～0. 879提升至0. 952,RMSD由0. 696～1. 054降低至0. 441,实现了较高精度的LAI定量反演模型,为福州市辖区及其周边闽侯县区域的LAI快速定量监测奠定基础。     

美国南达科他州Black Hills国家森林公园2000年森林火灾后植被恢复过程研究(英文)

森林火灾在景观上往往造成不同程度的森林冠层损失,而冠层影响光合作用和蒸散,因此刻画灾后森林冠层恢复的轨迹对于了解生态系统过程具有重要意义。森林冠层的损失和恢复通常采用叶面积指数(LAI)或其它能够反映冠层光合能力的植被指数进行表征。本研究中,我们采用Terra卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的长时间序列影像(2000-2009年)来重建火灾后森林冠层恢复的过程。以美国南达科他州布莱克山国家森林公园(The Black Hills National Forest, South Dakota)为例,该地区在2000年8月24日经历了一次大的自然火灾,烧毁了近33 785 ha森林,其中大部分是美国黄松林。基于LAI的研究表明,植被冠层光合能力在3年内(2001-2003年)基本恢复,这主要来自于林下未烧毁草地在灾后的快速生长;火烧迹地的NDVI和EVI在这3年内也呈现恢复的态势。可见,LAI、NDVI和EVI在火灾几年之后便难以有效地识别火烧迹地。然而,陆地表面水分指数(基于近红外和短波红外波段的遥感标准化指数,简称LSWI),能够有效地识别和追踪火烧迹地至今的整个过程(2000-2009年)。这一研究结果也使得采用其它具有近红外和短波红外波段的传感器研究森林火灾迹地恢复和干扰过程成为可能,其中包括Landsat 5 TM影像(可追溯至1984年)。更长时间序列的数据对于研究森林火灾灾后生态系统干扰和恢复过程、森林演替模拟以及碳循环具有重要的支撑作用,LSWI指标证明能够有效地刻画这一过程。     

基于MODIS的青海草地产草量变化遥感分析

青海省属于全国四大牧区之一,及时监测草地植被长势、准确估算牧草产量对青海牧区可持续发展与生态保护具有重要意义。草地产草量遥感估算主要基于植被指数与地面实测数据的统计关系,但是估算涉及植被指数、统计模型和建模指标等因素,不同组合建立的估算模型的精度不同。本文基于青海省MODIS数据与地面实测产草量数据,选择了6种植被指数（NDVI、EVI、RVI、DVI、RDVI、MSAVI）、5种统计模型（简单线性模型、二次多项式模型、幂函数模型、指数函数模型、对数函数模型）以及3种建模指标（植被指数年度最大值VI_max、植被指数生长季累积值VI_season-cum、植被指数年度累积值VI_annual-cum）,研究不同组合下估算模型的精度差异,并从中选出最优产草量估算模型,用于估算青海省2015年和2016年的产草量。结果表明：（1）6种植被指数中,基于NDVI的产草量估算精度最高;非线性模型的估算精度高于线性模型,尤其是指数模型,适用于大多数草地类型产草量的估算;基于NDVI年度最大值的估算模型对大多数草地类型都具有最高的决定系数（R²）。（2）从干重来看,高产草量区（>1 200 kg·hm^-2）主要位于青海东部的高寒草原,中等产草量区（600~1 200 kg·hm^-2）位于青海南部和东部的高寒草原和禾草草原,低产草量区（<600 kg·hm^-2）位于青海西部和北部的高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠和盐生草甸。（3）与2015年相比,2016年青海省干草总产量减少31.60×10⁴ t,减幅为1.36%。其中,禾草草原和高寒草甸的减产幅度最大,而荒漠草原和盐生草甸的产量则有所增加。本文可为草地产草量遥感估算的研究和实践提供参考。     

基于MODIS的陆地植被光合过程参数反演研究

遥感在陆地植被生产力研究中的应用,推动了遥感驱动的陆地生态系统模拟和NPP估算尺度的扩展。NPP遥感模型中,冠层吸收光合有效辐射和辐射利用率是描述植物光合过程的两个关键参数,本文根据太阳辐射在地一气系统中的传输过程和植物光合作用机理,建立基于MODIS数据的参数反演模型,重点研究地表光合有效辐射吸收总量(APARSFC)、冠层光合有效辐射吸收比(RPAR)、辐射利用率(RUE)等的定量提取,并选择东北温带落叶林为研究对象,利用2003年6月MODIS数据,探讨各自在NPP研究中的应用。研究表明：6月东北温带落叶林地表PAR净通量月均值为8．1MJm^-2day^-1;RPAR大于0．5,部分地区达到饱和;辐射利用率在0.45-1．09gC MJ^-1之间,落叶阔叶林和落叶针叶林均值分别为0．71和0．69gC MJ^-1;净光合产物月累积均值达0．53MgChm^-2,其中,落叶针叶林为0．56MgChm^-2,落叶阔叶林达0．51MgChm^-2,表现出明显的地带性规律,与过程机理模型模拟结果进行比较分析,二者差异很小,体现出良好的一致性。     

散射辐射对西藏高原高寒草甸净生态系统CO2交换的影响

2003~2006年在当雄草原站用涡度相关法对西藏高原广泛分布的高寒草甸生态系统的碳通量和常规气象数据进行了连续观测。基于这些数据,根据净生态系统CO₂交换量(NEE)对晴朗指数(k)和土壤温度的响应特征,分析了净生态系统CO₂交换量与散射辐射之间的关系。依据地面接受的散射辐射量把天气划分为云隙天、晴天和多云天。结果表明,散射辐射不能提高西藏高原高寒草甸生态系统的碳吸收水平。该生态系统的碳收支过程主要受光合有效辐射控制,碳排放过程主要受土壤温度控制;且NEE随k的变化趋势受散射辐射的影响较小,生态系统碳收支更多地受太阳辐射对土壤强烈加温的影响。三种散射辐射天气条件下,NEE随k的变化趋势基本一致,先增加后减小;NEE达最大值时的土壤温度皆为15℃左右,k值皆为0.7~0.8。     

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。     

大面积棉花长势的MODIS监测分析方法与实践

大面积棉花的生长状况监测比较复杂,目前还没有比较成熟的方法。以往遥感监测应用较多的是NOAA—AVHRR数据,监测精度和监测效果不高。本文利用新一代传感器MODIS数据,结合实测的地面农作物生长发育农学参数,系统地分析了石河子地区棉花播种到收获整个田间遥感归一化指数(NDVI)及其对应的叶而积指数(LAI)的变化规律,证明MODIS叶面积指数和实测LAI有很高的一致性,MODISIAI的变化状况与棉花长势变化基本一致,实现了较为精确的石河子地区大面积棉花长势的遥感动态监测。     

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。     

基于卫星遥感数据的森林病虫害监测与评价

森林病虫害由于在森林资源中造成的重大破坏而被人们称为“不冒烟的火灾”,其对生态系统的研究具有重要意义。现有基于遥感数据的病虫害研究多集中在森林病虫害的监测、爆发原因以及发病区域内生产力的变化情况,而对于森林病虫害发生后森林中植被指数与叶面积指数之间的相关性的变化情况还相对较少,处于需要持续性深入探讨的阶段。以加拿大不列颠哥伦比亚地区2002—2012年森林病虫害数据为基础,分析不同严重程度的病虫害对叶面积指数（LAI）与归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）的影响。结果表明：① 受病虫害感染的像元在轻度（Light）、中度（Moderate）和重度（Severe）三个严重级别中,NDVI与LAI之间的相关性由弱变强,又由强变弱;② EVI与LAI之间的相关性,在轻度（Light）、中度（Moderate）和重度（Severe）三个严重级别的像元中则依次变强。这一研究将为今后利用遥感数据识别病虫害、评价生态系统影响提供基础。     

玛曲高寒草甸生态系统的动态变化及其驱动力

玛曲高寒草甸的健康状况直接影响着整个黄河流域的水安全,因此精确、全面地认识玛曲高寒草甸生态系统的变化及其驱动因子就显得尤为重要。本文基于卫星遥感数据及地面实测数据,分别从生态服务功能价值评估及时空格局分析两方面,考察了2004-2013年玛曲高寒草甸生态系统的变化趋势及其驱动力。结果表明:(1)玛曲高寒草甸生态系统的服务功能价值呈缓慢下降态势,下降速度约为6×10⁷元·a^-1。(2)导致其变动的驱动因子排序为:年降水量>年均牧畜存栏量>农村人口数量>人均居住面积>年均气温>重工业产值>有无自然灾害>工业产值>乡道投资>环境治理投资>牧民定居投资,即自然因素基础上的人文因素使得玛曲高寒草甸生态系统的服务功能价值不断降低。本文的研究结果对于准确认识玛曲高寒草甸生态系统的现状、变化趋势及其驱动力具有重要意义。     

双台河口国家级自然保护区芦苇叶面积指数遥感反演与空间格局分析

应用Landsat7 ETM+遥感数据与同期野外实测叶面积指数(LAI)数据,基于多季相遥感影像,用面向对象的分类方法,提取双台河口国家级自然保护区芦苇分布数据,建立芦苇LAI最优估算模型,并进行其遥感反演及空间格局分析。研究结果表明,2012年,双台河口国家级自然保护区内芦苇总面积为38 200 hm2,占保护区总面积的29.5%,其中,缓冲区的芦苇面积为16 200 hm2,实验区的芦苇面积为11 900 hm2,核心区芦苇面积为10 100 hm2;以遥感影像缨帽变换(TC)后的绿度(GREEN)分量、ETM+第5波段(B5)和第3波段(B3)为自变量的多元线性模型为芦苇LAI反演的最优估算模型(p0.01,R2=0.741)。双台河口国家级自然保护区芦苇LAI介于0.12~5.85之间,呈现东高、西低和北高、南低的分布格局;保护区核心区的芦苇LAI最均一,实验区的芦苇LAI空间变化最明显。     

基于SAIL模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演

随着多角度传感器的陆续出现及植被遥感传输机理研究的深入,多角度遥感逐渐成为地表信息反演的热点问题.以SAIL冠层反射率模型为基础,通过联合多角度和多光谱数据,可以从物理机理角度进行植被叶面积指数(LAI)反演的应用研究.首先通过计算得到多角度多光谱遥感影像的角度信息,并经6S模型纠正后得到多光谱多角度植被冠层反射率数据.然后将PROSPECT模型模拟出的植被叶片反射率和透过率,以及多角度观测数据、LAI和其它实测数据输入SAIL模型,模拟得到了多角度多光谱冠层反射率,进而建立多角度多光谱冠层反射率与LAI的查找表.最后,将影像的多角度多光谱冠层反射率与查找表进行匹配,实现植被LAI的反演.最后对反演结果进行了验证和分析,结果表明反演精度较高,误差均在合理范围之内.     

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。     

黄土高原植被物候对季节性干旱的敏感性响应

在全球变暖的背景下,干旱事件发生频率和强度的增加导致陆地生态系统中植被多样性发生重大变化,研究植被物候对季节性干旱的响应对保护黄土高原的生态系统具有重要意义.基于MODIS遥感归一化植被指数(MODIS NDVI:MOD13Q1)数据及降水和气温逐月格点数据,采用岭回归分析方法,探讨黄土高原植被物候对季节性干旱的敏感性...     

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 <     

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。     

祁连山亚高山灌丛林叶面积指数与冠层氮、磷的关系

氮和磷作为植物体内重要的生命元素,在植物群落的生长发育过程中发挥着重要的作用。为了明确祁连山亚高山灌丛林叶面积指数与冠层氮、磷之间的关系,本文通过对祁连山亚高山灌丛林不同植被类型(箭叶锦鸡儿、高山吉拉柳、金露梅)及不同放牧处理(羊群、牦牛,未放牧)条件下灌丛群落的叶面积指数(LAI)与叶片氮积累量(TFN)、叶片磷积累量(TFP)比较发现,在整个亚高山灌丛群落中,LAI与TFN和TFP之间都有较强的相关性,并且TFN和TFP比值的变化表明不同植被类型叶片的生长都受到N、P的共同限制,只是随着LAI的增加,高山吉拉柳主要受到氮素的限制,箭叶锦鸡儿主要受到磷素的限制,而金露梅则受到N、P的共同限制;在不同放牧条件下,单位面积LAI对应的TFN的值较高而TFP的值较低,说明动物通过对植被的啃食可能会改变群落的模式,在一定程度上限制磷的摄入。LAI、N、P之间的耦合关系表明了亚高山灌丛群落的LAI在物种组成、放牧和冠层密度上存在差异,但仍然受到N和P的约束。研究结果有利于探索水分限制条件下祁连山灌丛林生态系统植物叶片与养分元素之间关系,对于研究干旱区高寒灌丛生态系统在全球气候变化中的作用及其对全球气候变化的响应与反馈,具有重要的理论价值和实践意义。     

植被指数方法估算冬小麦冠层叶绿素含量的角度效应研究

叶绿素是表征作物长势状况、光合作用能力及生理状况的重要指标,其含量变化对于分析作物生理生化过程以及指导作物精准管理具有重要意义.该文结合辐射传输模型模拟数据和实测多角度遥感数据研究不同叶倾角株型冬小麦叶绿素含量反演的角度效应,即观测天顶角和太阳天顶角变化对植被指数方法估算冬小麦冠层叶绿素含量精度的影响.结果表明:模拟与实测多角度数据的角度效应影响植被指数与冠层叶绿素含量的相关性,实测多角度数据观测天顶角变化对植被指数与冠层叶绿素含量相关性的影响显著高于太阳天顶角以及平均叶倾角变化特征的影响.其中,实测多角度数据下,红边归一化植被指数(ND705)在后向10°和20°观测天顶角下估算冠层叶绿素含量精度最高(R2=0.71,RMSE=49.95μg/cm2,RRMSE=22％);角度不敏感植被指数(AIVI)垂直观测下估算冠层叶绿素含量精度最高(R2=0.72,RMSE=49.08μg/cm2,RRMSE=21％);观测天顶角小于30°时,红边植被指数估算冠层叶绿素含量精度受角度效应影响较小.