气候变化对秦岭南北植被净初级生产力的影响(Ⅰ)——近52年秦岭南北气候时空变化特征分析

根据秦岭南北54个气象站1960—2011年逐日数据,利用FAO Penman-Monteith公式计算各站的潜在蒸散量和湿润指数;采用样条曲线插值法(Spline)、气候倾向率、相关分析等方法对该区气温、降水、潜在蒸散和湿润指数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行分析。结果表明:1)秦岭南北多年平均气温由北向南逐步上升,1993年是气温变化的转折点,1993年以前秦岭以南地区降温更明显,1994年起绝大部分站点气温显著(P<0.01)上升,秦岭南北无明显差异;2)多年平均降水量由南向北递减,1995年以前各区降水量均表现出下降趋势,秦岭以北地区降水量下降更明显,1995年以后70%以上站点降水量增多,秦岭以北地区有变干趋势,秦岭南坡微弱变湿,其余地区整体升降趋势不明显;3)潜在蒸散量呈东高西低的分布格局,各子区蒸散量呈现较为一致的下降趋势(P<0.05),但无明显转折点,秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北蒸散量下降更明显;4)湿润指数由南向北递减,秦岭以北地区以暖干化为主,而秦岭以南以暖湿化为主,季节尺度上,4个子区表现出的变化规律较为一致,春季和秋季绝大部分站点的湿润指数呈下降趋势,而夏季和冬季则以上升趋势为主;5)湿润指数与日照时数、最高气温、平均气温和蒸散量呈显著水平(P<0.01)的负相关关系,与最低气温和风速相关关系不显著,降水量和空气湿度的增加会对湿润状况的改善起到正向作用。     

植被净初级生产力模型研究

主要对植被净初级生产力模型发展进行回顾,比较各模型的特点,对模型存在的问题进行了探讨,指出模型的发展趋势。     

1970—2020年秦岭南北夏季昼晴夜雨强度变化趋势及其影响因素

[目的]在陕西3大地理单元中,秦巴山区土壤侵蚀强度仅次于黄土高原。明晰秦岭南北夏季昼晴夜雨强度与气候变暖的响应关系,对区域土壤侵蚀防治具有重要的意义。[方法]基于1970—2020年逐日降水数据,辅以BG分割法、经验正交函数和Lasso回归等方法,对秦岭南北地区夏季昼晴夜雨强度时空变化特征及其影响因素进行分析。[结果] 1970—2020年,秦岭南北夏季昼晴夜雨强度呈现显著增加趋势。空间上,秦岭南北夏季昼晴夜雨强度主导模态为全区一致增强。其中,1 000 m以下的谷地和平原区,是夏季昼晴夜雨强度变化的敏感区。在影响因素上,秦岭南坡、汉江谷地夏季昼晴夜雨强度变化与气象因子相关性高于关中平原。其中,秦岭南坡夏季昼晴夜雨强度主导气象因子为日照时间,而汉江谷地则受日照时间和平均风速的共同影响。[结论] 2003年后秦岭南北夏季昼晴夜雨强度存在突变增强。以白天高温、夜间强降水为侵蚀形态的降水类型,将成为秦岭南北水土保持防治的重点。     

潞安矿区净初级生产力和土地覆被变化及成因

净初级生产力和土地覆被变化是指示区域生态环境变化的重要指标.基于EOS/MODIS卫星遥感数据,运用地理信息系统软件ArcGIS 9.3的统计与分析模块对2001-2006年潞安矿区净初级生产力、土地覆被变化及其成因进行了研究和分析.结果表明:(1) 2001-2003年的矿区绝大部分区域净初级生产力大于0.2 kg/(m2·a),而2004-2006年的净初级生产力低于0.2 kg/(m2·a)即研究时段内矿区净初级生产力呈明显减少趋势;(2)灌丛向稀树草地,稀树草地向农用地,地表水域向裸地转换是土地覆被变化的主要特征;(3)煤炭开采,农用地开垦等人类活动和降水量减少,气温升高为特征的气候变化是研究区植被覆盖度和净初级生产力降低的两个主要原因.总之,煤炭开采和土地垦殖为主的人类活动所引起的土地覆被变化直接导致了潞安矿区净初级生产力的降低.     

地震灾区植被净初级生产力恢复效应评价

地震等重大灾害的发生,对区域植被及生态环境造成了巨大破坏,植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)能够反映绿色植物的生长状况,进行地震灾区植被NPP恢复效应评价,对掌握震后植被恢复情况和变化趋势具有指导意义。以"5·12"汶川大地震的极重灾区为研究区,选择地震前后3个时期的TM及MODIS卫星遥感数据,结合气象资料等其他数据,利用改进的CASA模型估算了灾区前后三年植被NPP。结果表明,灾后2009年植被NPP总量为9.827亿gC/a,相比灾前2007年减少了31.99%,2011年恢复期相比2009年增长了28.55%,但仍比2007年低12.57%,震后两年,灾区植被净初级生产力有所恢复,但未达到震前水平;从植被NPP空间分布来看,离地震中心越近的地方,植被NPP受到的削减程度越大,其恢复能力越差;经验证分析,评价结果具有较高的可信度,可为相关部门制定灾区生态重建和生态恢复计划与实施提供科学依据。     

基于MODIS数据的陕西省植被净初级生产力与实际蒸散的变化关系分析

[目的]分析陕西省植被净初级生产力(NPP)及实际蒸散量(ET),为生态环境中碳循环、水循环特征提供理论支持。[方法]基于美国航天局(NASA)提供的净初级生产力产品(MOD17A3)及蒸散产品(MOD16)数据,利用GIS与数理统计等方法,对陕西省2000—2014年植被NPP与ET的时空分布特征及其关系进行分析。[结果]陕西省植被NPP与ET的分布特征均为南高北低;2000—2014年陕西省植被NPP在波动中呈现上升趋势,其中陕北地区增加最大,陕南地区增加最不显著;陕西省ET年际变化呈波动状态。植被NPP与ET空间相关性较显著,陕北地区相关系数极高,而陕南地区相关性并不显著。[结论]在较为干旱区域植被NPP与ET的关系更为密切。     

基于地形校正的植被净初级生产力遥感模拟及分析

植被净初级生产力（NPP）模拟研究对碳平衡监测及深入理解碳循环具有重要意义。高空间分辨率、短重访周期的遥感数据和地形校正成为精准模拟山区植被NPP研究的必然选择。在利用DEM数据对太阳总辐射和气温进行地形校正的基础上,估算了研究区植被吸收光合有效辐射因子、温度胁迫因子、水分胁迫因子和典型植被类型的最大光能利用率,构建了改进的CASABTC估算模型,利用HJ-1CCD数据模拟了2009年大别山区植被的NPP,并探讨了其时空变化特征。结果表明：1）由该文模拟值与MOD17A3的精度验证结果分析,基于地形校正的CASABTC模型和HJ-1数据适合精确模拟山区植被的NPP;研究区NPP在冬季比在春、秋、夏季受地形起伏的影响大。2）该文模拟的年NPP平均值为413.7 g/(m2·a)比MOD17A3平均值偏小4.9%,在空间分布上前者更加详细,地表特征更明显。3）研究区2009年NPP模拟值范围为0～1143.6 g/(m2·a),研究区总面积66.1％的NPP值在200～600 g/(m2·a)之间;年总NPP为9.891×106t,约占全国年总NPP的3.2‰,整体上呈现高、低值区交错分布的不规则特点。4）月NPP值随季节而变化,所有植被类型的NPP季节变化曲线都呈典型的单峰分布,且不同植被类型NPP的季节变化幅度有差别。月NPP值的季节变化与气温、太阳总辐射及NDVI的季节变化基本吻合,而降水量年内分配不均与NPP无相关性特点。5）各植被类型的月NPP和总NPP随海拔高度上升而逐渐变大,对于后者当海拔高度上升至1100 m时达到最大值,继续上升,其保持在600 g/m2左右不变。该研究可为后续基于HJ-1数据的山区植被NPP模拟提供参考。     

气候变化背景下羌塘国家自然保护区植被净初级生产力时空变化

基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型，利用西藏羌塘国家自然保护区附近5个气象站1971-2018年气温、降水数据和第五次耦合模式比较计划（CMIP5）多个全球模式历史和未来预估数据，分析保护区附近及保护区气温、降水、植被净初级生产力（NPP）的时空变化特征。结果表明：（1）保护区附近年平均气温从西部到东部渐低，年降水量从西部到东部渐多。年平均气温（T）呈显著升高趋势，年降水量（R）和年蒸散量（E）均呈微弱增加趋势，伴随各站气温NPP（NPPt）呈显著升高趋势，降水NPP（NPPr）呈微弱增加趋势，大部分站点蒸散NPP（NPPe）和标准NPP（NPPb）均呈微弱增加趋势；（2）NPPt从西部到东部逐渐变小，NPPr从西部到东部逐渐变大，NPPe、NPPb从西部到东部先变大后变小。狮泉河、改则站植被NPP限制因子为降水，申扎、班戈站为蒸散，安多站为蒸散或气温；（3）21世纪不同年代NPPt、NPPr、NPPe和NPPb与20世纪所有年代相比均显著增大。保护区NPPt、NPPr、NPPe和NPPb在未来不同排放情景下相对于1960-1990年均明显增加。保护区在近48a和未来气候“暖湿化”趋势下，植被NPP均有所增加，东南部的寒冷湿润地区增加幅度较大，而西北部寒冷干旱地区增加幅度较小。未来气候有利于当地植被NPP提高，从而改善生态环境。     

长三角植被总初级生产力时空动态及其驱动力研究

基于MODIS的总初级生产力(GPP)数据,探讨2000—2016年长三角地区植被GPP的时空动态特诊及其驱动因子。研究表明:2000—2016年,长三角地区陆地GPP呈现周期式波动上升;长三角地区GPP总体与降水量呈低度正相关,与气温呈弱负相关。     

塔拉滩地区光伏电站建设对植被净初级生产力的影响

塔拉滩地区光伏电站建设对当地生态环境,特别是植被生长,产生了重要影响。为了定量描述这种影响,本文利用CASA模型和区域蒸散模型,对塔拉滩地区潜在NPP和实际NPP分别进行估算,并以二者之差表征人类活动的影响,评估了塔拉滩地区光伏电站建设对植被NPP的影响。结果表明：（1）2010-2020年塔拉滩植被的实际NPP和潜在NPP处于上升趋势,年均实际NPP和潜在NPP分别为58.03 gC·m-2和204.05 gC·m-2;（2）塔拉滩2010-2020年间人类活动的年均贡献率为68.90%,人类活动是导致塔拉滩植被NPP变化的主导因素;（3）光伏电站对生态环境的影响具有明显的区域和阶段性特征,光伏电站建设前期由于机械开挖等因素对表层植被具有负面影响,而后期由于光伏板增温增湿、降低风速等方面产生的环境效应,能够促进植被生长。本研究有助于理解人类活动对植被净初级生产力动态变化的影响,并为塔拉滩的植被恢复和高质量发展提供科学依据。     

黄土高原植被净初级生产力的时空变化及其与气候因子的关系

以西北典型植被脆弱区黄土高原为研究区,利用AVHRR GIMMS和MODIS两种NDVI数据源,基于CASA模型对1982-2014年黄土高原植被净初级生产力（NPP）进行模拟,并分析其时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明：黄土高原年均植被NPP为254.0gC?m-2,1982-2014年总体呈增加趋势。不同植被类型NPP有较大差异,落叶阔叶林NPP值最高,年均NPP达513.0gC?m-2,其次为常绿针叶林、草甸、农田、灌丛和草原。黄土高原植被NPP空间分布差异显著,表现出南高北低的特点。从NPP年际变化的空间分布来看,在退耕还林还草生态工程实施之前（1982-1998年）,黄土高原大部分区域植被NPP变化不明显。自1999年后该区植被NPP增加趋势显著,增速达到5.38gC?m-2?a-1。在空间分布上,66.6%的区域植被NPP呈显著增加趋势,主要分布在陕北高原、山西中西部的吕梁-太行山等地。退耕还林等生态工程的实施,使该区植被状况得到改善。黄土高原植被NPP与降水量具有显著的相关性,但与气温相关性不大,说明降水是影响黄土高原植被NPP的主要因素。     

北京植被净初级生产力对物候变化的响应

植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）对物候的响应是全球气候变化背景下的重要研究内容,气候变化对植物物候与NPP的影响仍需明了,物候的时空变异规律更需深入探讨。该研究基于2001-2020年MODIS归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）数据提取北京植被物候信息,利用CASA（Carnegie-Ames-Stanford-Approach）模型模拟NPP,通过线性回归、趋势分析和结构方程模型等方法,阐明NPP与物候时空变化特征,探究气象因素和物候变化对NPP的影响。结果显示：1）2001-2020年超过70 %的区域出现生长季开始（Start of Growing Season,SOS）逐渐提前,平均每年提前0.53 d。超过90%的区域生长结束期（End of Growing Season,EOS）逐渐推迟,平均每年推迟0.51 d。2）SOS提前和生长季（Length of Growing Season,LOS）延长均对NPP增长产生显著影响（P<0.05）。SOS每提前1 d,NPP增长3.74 g/m2;LOS每延长1 d,NPP增长2.56 g/m2 。秋季EOS推迟对NPP变化影响不显著。3）春季和秋季,气候通过改变物候（SOS、EOS）对NPP的间接影响大于直接影响,而夏季温度和降雨对NPP的直接影响更大。该研究表明春季物候变化是NPP年际变异的重要驱动因子,春季物候提前导致NPP年总量增加。研究结果是都市区植被生产力如何响应气候变化认识的重要补充。     

渭河流域植被净初级生产力时空格局及影响因素分析

利用GIS技术将遥感数据和各种观测数据对渭河流域净初级生产力(NPP)进行估算并分析其时空格局及影响因素。结果表明,(1)整个流域12个月总的NPP平均值为473gC/(m2·a),空间分布特点是北部和西北部的黄土高原低,中部六盘山、子午岭和南部秦岭高;不同生态系统的平均NPP呈现为无植被地段61草地376农业植被440灌丛483森林692;(2)研究区NPP的积累期主要发生在4—10月份,其NPP占了全年NPP总量的90%;从季节来看,流域内春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)4个季节的NPP各占全年总量的20.34%,52.51%,22.66%,4.49%;(3)渭河流域NPP与温度、降水和太阳辐射的相关性分析表明温度和降水是影响渭河流域NPP的2个重要影响因子。     

2000-2015年川西地区植被NPP时空动态及驱动因子

对川西植被净初级生产力进行估算并分析了其时空格局变化及驱动因子与植被净初级生产力的变化关系,为深入认识川西植被生产力状况提供科学依据。在原CASA模型的基础上,通过区域实际蒸散量与区域潜在蒸散量对水分胁迫影响系数进行了改进,进而估算2000—2015年期间川西地区植被净初级生产力;运用逐像元趋势法分析了川西地区植被净初级生产力在研究期间内其空间变化情况;同时结合气象因子、土地利用变化、植被类型、地形因素、人类活动与植被净初级生产力进行了相关性分析。结果表明:川西地区植被空间差异明显,其NPP多年平均值为199 gC/（m²·a）,在2000—2015年期间,大面积区域植被NPP呈显著上升,汶川、泸定、金川、康定局部区域受自然灾害及人类活动等因素NPP呈下降趋势;降水、气温、太阳辐射等气象因子对植被空间格局分布产生一定影响,不同土地利用及植被类型的NPP差异较大;海拔与研究区NPP相关性非常显著（R²=0.896,p<0.001）;人类活动对汶川、泸定等局部地区负干扰明显。     

2000-2015年典型山地区域净初级生产力时空分布特征

为了明确区域植被固碳能力与地形因子的关系以及掌握区域长时间序列下净初级生产力（NPP）的时空分布特征,以2000-2015年MOD17A3的植被NPP数据及地形因子DEM数据为基础,辅以回归分析及分级统计等方法,利用GIS技术定量剖析了重庆市作为典型山地区域近16年植被NPP的时空变化特征,研究了地形因子（高程、坡度）与植被NPP的相关性。结果表明:（1）2000-2015年重庆市植被NPP整体呈东南部高,西北部低的分布态势,其中,长江以南区域植被NPP差异明显,由南向北递减,总体高于长江以北的区域。（2）16年间,重庆市植被NPP年际均值在481.512~658.557 g C/（m²·a）浮动,其中,处于500~600 g C/（m²·a）的占比最大,其次是600~700 g C/（m²·a）。2000年与2015年相比,整体呈正增长的变化趋势。（3）分别对高程和坡度进行了等级划分,分析可得重庆市平均植被NPP随海拔和坡度的升高有明显的先升高后降低的趋势,在高程500~1 000 m、坡度15°~25°的区域NPP达到峰值。（4）植被NPP先增后减的倒"V"型变化模式在一定程度上反映了高程、坡度处于某临界点时,气候、降水、植被分布、坡面侵蚀强度等因素对植被NPP影响更加显著。研究结果可为重庆地区植被碳储量状况以及生态环境调节与修复提供理论与数据支持。     

不同菌根类型森林净初级生产力对降水的响应

基于全球森林数据库,建立了包括全球森林的菌根类型、净初级生产力(NPP)和年平均降水量等指标的新数据库,分析了6种菌根类型森林的各组分NPP对年平均降水量变化的响应。结果表明,在所有菌根类型的森林中,森林总NPP、地上NPP和树叶NPP都随年平均降水量的升高呈现上升的趋势;地下NPP、树木主干NPP以及细根和粗根NPP则因菌根类型的不同,对年平均降水量的增加呈现出降低或升高的趋势。从全球森林总NPP随年平均降水量变化的响应程度来看,年平均降水量对丛枝菌根+外生菌根类型森林总NPP变异的解释率最高,为31.79%;而对外生菌根+内外生菌根类型森林的解释率则最低,仅为4.85%。可见,菌根影响着森林NPP对降水量变化的响应程度,表明菌根类型是预测降水变化对森林NPP影响的重要指标。     

近47年天山山区自然植被净初级生产力对气候变化的响应

利用天山山区10个对各类天然草场气候和植被类型具有较好代表性的气象台站1961—2007年的历史气候资料,使用线性趋势、Modet小波和Mann—Kendall检测等方法在对年平均气温、降水量变化趋势、变化特征分析的基础上,分别采用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Chikugo模型、朱志辉模型和周广胜模型对该地区的自然植被净初级生产力（NPP）及其对气候变化的响应进行了计算和对比分析。结果表明：近47a,天山山区的气候总体呈较明显的“暖湿化”趋势,并于1970年发生了由“冷干”向“暖湿”的突变;尽管基于各模型的NPP在数值上有一定差异,但其在时空领域对气候变化响应的趋势是一致的,即：47a来,在气候“暖湿化”背景下,天山山区的NPP总体呈较明显的增大趋势,并于1970年发生了突变性的增大;与年平均气温和年降水量一样,基于各模型的NPP也具有3～22a的不同时间尺度的周期变化;在各类草场中,以草甸草原和山地草甸的NNP最高,高寒草甸次之,荒漠草原再次,高寒草原NPP最低。最后建立了基于各模型的NPP估算值之间的相互换算关系。     

西北植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

利用CASA模型模拟了西北植被净初级生产力(NPP)值,并结合地统计学理论,利用趋势分析及相关性分析研究了西北地区2000—2013年植被NPP时空变化特征,并结合气象数据探究了其对气候变化的响应。结果表明:(1)西北地区植被NPP在研究年限内呈现波动增加趋势,线性增加趋势达到极显著水平(p0.01)。(2)植被NPP分布具有明显的空间异质性,整体呈现由东向西递减的趋势,除新疆外,其余省份也总体上表现为南高北低的分布格局。植被NPP呈现增加趋势的面积占总面积的85.97%,主要集中在陕西北部、宁夏南部、甘肃东部、青海的东部及南部和新疆西部部分地区,呈现减少趋势主要集中在新疆西部;不同植被类型NPP的均值呈现明显的差异,具体表现为:草地[262.16 g C/(m~2·a)]灌丛[66.51 g C/(m~2·a)]农田[45.90 g C/(m~2·a)]森林[14.36 g C/(m~2·a)]。2000—2013年草地、农田及灌丛的NPP均呈现极显著增加趋势(p0.01),而森林NPP的增加趋势不显著(p0.05)。(3)总体上,西北地区植被NPP与气温、降水呈正相关,其对降水响应较为敏感,降水是限制西北地区植被NPP增加的主要因素。     

黄河源区气候温暖化及其对植被生产力影响评价

在分析黄河源区气温、降水变化的基础上，用Turc经验模式计算黄河源区的蒸散量，同时分析了近十几年来土壤湿度、植被地上净初级生产力的变化特征。结果表明，1959—2005年，黄河源区年平均气温按0．0284℃／a的变率升高，降水变化态势平稳，但蒸散量增加趋势明显，上升倾向率达0．7315mm／a，气温上升趋势与年代增加具有明显的相关性。从1987年以来土壤湿度的监测结果分析得知，黄河源区下垫面蒸散量的加大使土壤向干暖化发展。这种气候因素的影响，导致近十几年来植被地上净初级生产力按9．506g／（m^2a）的倾向率下降。     

黄土高原植被净初级生产力时空变化及其影响因素

为了探明黄土高原地区植被生产力变化的驱动机制,该文基于MODIS传感器获得的MOD17A3数据,分析了黄土高原2000-2010年间植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)的时空变化及其主要影响因素,并借助多元统计分析方法对引起NPP变化的自然和人为因素进行量化分析。结果表明:黄土高原植被总NPP从2000年的119 Tg(以C计)增加到2010年的144 Tg(以C计),年增速4.57 g/(m2·a)(P0.05)(以C计)。黄土高原约91%的区域NPP呈增加趋势,37%的区域增加趋势显著,主要分布在陕西、青海大部分地区、甘肃南部及宁南山区。整个黄土高原近11 a间NPP变化受自然和人为因素共同影响,其中退耕还林还草累计面积、帕尔默干旱指数(palmer drought severity index,PDSI)、耕地面积和人口数量是影响NPP变化的主要因素。退耕还林还草累计面积占四者总贡献率的43%,PDSI占40%,耕地面积和人口数量分别占13%和4%。对区域而言,由退耕还林还草工程引起的土地利用覆被变化是退耕区(陕北、甘肃东南部等)NPP增加的主要因素,而近年来干旱情况的缓解(PDSI呈上升趋势)则是青海、内蒙古等地NPP增加的主要因素。该研究对于黄土高原各区域生态资源管理,以及生态系统的建设具有一定的指导和借鉴意义。