基于LPJ模型的中亚地区植被净初级生产力与蒸散模拟

中亚干旱区是对全球气候变化最敏感的区域之一,以草地和耕地为主的植被类型极易受到水资源短缺和人为等因素影响,导致生态环境极易恶化,故分析其植被净初级生产力(NPP)和蒸散(ET)变化特征及对气候的响应具有重要意义。本研究利用LPJ模型模拟中亚地区1982-2012年NPP和ET,并分析其在中亚潜在植被类型中的空间分布和变化特征。结果表明,1)NPP和ET的高低值空间分布基本一致,高值区主要分布在林地、草林地混合区以及耕地区,低值区主要分布在植被稀少的荒漠周边区域和哈萨克中部草地区;2)NPP总量和ET总量均呈波动上升趋势,其中NPP年度变化范围在469.59~1 130.26 Tg C·a-1,年均值为737.24 Tg C·a-1(185.57 g C·m-2·a-1),ET范围在695.53~1 047.69 km3·a-1,年均值为850.46 km3·a-1(214.07 mm·a-1);3)影响中亚地区植被NPP和ET变化的气候因子主要为降水,温度影响相对较弱;4)吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦植被生产力增长较快,哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和新疆较为稳定,土库曼斯坦植被生产力出现下降现象。     

1981-2001年内蒙古草地净初级生产力时空变化特征

利用遥感和气象数据,采用CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型和统计分析方法,研究了1981-2001年内蒙古自治区草地7-8月植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)的时空变化特征,并分析了气候因素和放牧强度对NPP的影响。结果表明,1）1981-2001年,内蒙古草地NPP显著减少、显著增加和变化不明显的面积分别占1%、30%和69%;NPP显著增加的区域位于内蒙古东北、东南和南部,NPP显著减少的区域零星分布于该区中部荒漠草原和典型草原分界处。总体而言,该区NPP增加不甚明显, 21年7-8月草地NPP（均以C变化计）平均值为192.0 g/m2,年际变化范围为150.5～255.5 g/m2。2）7-8月降水是该区NPP年际变化的主要驱动因子,降水量高的年份NPP亦高。NPP与气候因素间的关系表现为NPP随降水增多而升高,随温度升高而下降,辐射对NPP的影响不明显。3）综合考虑气候因素与人类活动对草地NPP的影响发现,21年间,土默特左旗和土默特右旗境内放牧强度增加导致NPP显著下降。     

基于MODIS植被指数的甘南草地净初级生产力时空变化研究

利用甘南地区2006-2007年的外业实测样方草地干物质产量和MODIS植被指数数据,建立了草地地上部分干物质产量遥感反演模型,根据根冠比和干物质转碳率对2006-2008年甘南地区草地净初级生产力(NPP,net primary productivity)进行了估算,绘制了甘南草地NPP年累积量空间分布格局图和NPP月度变化动态图,对不同草地植被类型的NPP差异进行了评价。研究结果表明,2006-2008年甘南草地年NPP分别达637.04,599.98和566.59 g C/m²,其空间分布具有自西南向东北逐渐减少的趋势;年内不同草地类型的NPP均在7-8月达到最大累积量;NPP累积量最高的3种草地类型是沼泽、高寒灌丛草甸和高寒草甸,3年中最大月NPP的平均值分别达到1 137.28,553.76和527.66 g C/m²;2006-2008年甘南草地NPP持续下降,年草地NPP总量的减少速率为1.2 Tg/a,尤其是沼泽湿地的NPP下降明显,年平均减少速率达到了125.92 g C/m²。     

三江源草地总生物量对未来气候变化的响应

以青海省三江源为研究区域,利用2005-2016年间采集的2 055个草地野外监测数据校正并构建了适用于该地区的DNDC (denitrification–decomposition,反硝化–分解)模型参数库。通过模拟三江源草地总生物量在两种不同代表性浓度路径(RCPs)气候情景下的时空变化,探究了气候因子对草地总生物量变化的影响,并分析了三江源不同区域草地应对未来气候变化的放牧利用对策。研究结果表明:1)草地总生物量的模拟值与实测值呈显著的线性相关(R2=0.690, RMSE=96.414 g·m-2,P 0.001),模型结果能够较好地解释实测数据。2)两种气候情景对比,RCP 8.5气候情景下温度增幅要高于RCP 4.5的气候情景,而降水量增幅则低于RCP 4.5的气候情景。3)在RCP 4.5和RCP 8.5两种未来气候情景下,研究区草地总生物量均呈显著下降趋势,总生物量模拟值分别下降了16.91%～18.51%和23.82%～26.44%。气候变化是导致草地总生物量变化的主要因素,草地管理应积极应对潜在的气候变化并制定相应对策,保障草地资源的可持续发展。     

基于CASA模型的甘南地区草地净初级生产力时空动态遥感模拟

植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。基于地理信息系统和卫星遥感应用技术,利用CASA模型估算了2001-2008年甘南草地NPP,在模型验证的基础上,分析了甘南草地NPP空间分布格局和时间分布特征。结果表明,1)2001-2008年甘南草地多年平均NPP为483.41 g C/(m²·a),大体呈现由西南向东北逐渐减少的趋势,单位面积多年平均NPP在海拔3 000~3 500 m最高,达到497.07 g C/(m²·a);2)甘南草地植被生长季节变化明显,主要生长期集中在第177~240天;3)甘南草地NPP呈现增加趋势,增长趋势最明显的草地类型是低平地草甸类,而沼泽的变幅最小,通过与8年间温度和降水的分析可以看出,影响甘南草地NPP变化的主要驱动力是降水量。     

气候变化对三江源玛沁县草地气候生产力的影响

利用三江源玛沁县五年的气候资料,分析了气温和降水的变化,以及两种草地气候生产力模型的对比。结果表明:(1)三江源玛沁县2000年至2004年年平均温先逐渐增加,直到2003年后开始下降。年降水量波动比较大。(2)M iam i模型和Thornthwaite Memorial模型计算得出的NPP产量呈现一定的差异,前者平均温度因子影响比较显著,而后者是年降水量起主要因素。(3)选择适当的模型计算植被的第一生产力要依据当地的植被类型。     

三江源草地总生物量对未来气候变化的响应

以青海省三江源为研究区域,利用2005?2016年间采集的2055个草地野外监测数据校正并构建了适用于该地区的DNDC(denitrification-decomposition,反硝化-分解)模型参数库.通过模拟三江源草地总生物量在两种不同代表性浓度路径(RCPs)气候情景下的时空变化,探究了气候因子对草地总生物量变化的影响,并分析了三江源不同区域草地应对未来气候变化的放牧利用对策.研究结果表明:1)草地总生物量的模拟值与实测值呈显著的线性相关(R2=0.690,RMSE=96.414 g·m?2,P<0.001),模型结果能够较好地解释实测数据.2)两种气候情景对比,RCP 8.5气候情景下温度增幅要高于RCP 4.5的气候情景,而降水量增幅则低于RCP 4.5的气候情景.3)在RCP 4.5和RCP 8.5两种未来气候情景下,研究区草地总生物量均呈显著下降趋势,总生物量模拟值分别下降了16.91％～18.51％和23.82％～26.44％.气候变化是导致草地总生物量变化的主要因素,草地管理应积极应对潜在的气候变化并制定相应对策,保障草地资源的可持续发展.     

曲麻莱地区植被变化的气候效应分析

利用曲麻莱气象站1982~2013年年平均气温和降水资料、曲麻莱地区牧草观测资料以及植被净初级生产力NPP资料等,分析了曲麻莱地区气候和植被多年变化特征,并对气候条件与植被覆盖的相关关系进行了研究,结果表明:(1)1982~2013年曲麻莱地区年平均气温急剧上升,平均每10a上升0.69℃,降水量总体呈增多趋势,平均每10a增多24.01mm;(2)1982年以来曲麻莱地区牧草生长状况趋好,草层高度、牧草覆盖度和生物量平均每10a分别增加3.44cm、23.34%、467.23kg/hm~2;植被净初级生产力NPP值平均每10a增加18.85。(3)净初级生产力NPP值与年降水量相关关系较好,但与气温和日照时数相关性较差;(4)当年降水量分别增加10%、30%和50%时,净初级生产力NPP值分别增加8.96%、26.87%和44.79%。植被对气候变化的响应反映在高度、产量和综合指标NPP等要素上,近35a年来,曲麻莱地区的气温显著上升,降水量增加,日照时数基本不变,气候条件有利于NPP值的增加,草地生态状况趋于良性方向发展。     

青海三江源试验区NPP时空特征及影响因素分析

青海三江源国家生态保护综合试验区是我国建立的第1个国家级生态保护综合试验区,在我国生态文明建设中有重要的地位,分析其植被净初级生产力(NPP)具有重要意义。利用三江源试验区的MODIS遥感影像等数据及其周边地区的气象资料,结合CASA模型,对三江源试验区2010~2013年的NPP进行估算,并对其时空特征及影响因素进行简要分析。结果表明:三江源试验区2010年的NPP平均值最大,2010~2013年NPP呈波动变化趋势,先减少后增加;年均NPP总量为68.46TgC/a(1Tg=1012g),年均NPP为144.29gC/m2,NPP的季节变化明显,7、8月的月NPP值最大;在空间分布上呈现出由东南向西北递减的特征,东侧出现最高值,其值为418.94gC/(m2·a);NPP值高低分布情况与植被类型、海拔、坡度、坡向有密切关系。     

近百年全球草地生态系统净初级生产力时空动态对气候变化的响应

气候变化是影响生态系统空间地理分布、结构和功能的主要因素。为了从长时间序列大空间尺度上了解气候变化对草地生态系统的影响及其反馈机制,本研究利用综合顺序分类法及分段模型分别模拟了1911-2010年间全球草地生态系统及净初级生产力(NPP)的时空动态,并通过相关性分析揭示草地NPP对不同气候因子的响应。结果表明,在过去的百年间,全球草地面积从1920s的5175.73万km²下降到1990s的5102.16万km²,其中冻原与高山草地类组的面积下降最多,为192.35万 km²,荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积分别下降了14.31、34.15和70.81万km²,而热带萨王纳类组的面积增加了238.06万km²。在气候变化的影响下,大多数草地类组的重心均向北方移动,在北半球尤为明显。全球草地NPP从1920s的25.93 Pg DW/年增加到1990s的26.67 Pg DW/年。就各草地类组而言,冻原与高山草地类组、荒漠草地类组、典型草地类组、温带湿润草地类组的NPP均呈现下降趋势,分别下降了709.57、24.98、115.74和291.56 Tg DW/年,而热带萨王纳类组的NPP则增加了1887.37 Tg DW/年。从全球尺度来看,降水是影响草地NPP的主要气候因子。总的来说,近百年气候变化对全球草地生态系统产生了深刻的影响,尽管草地NPP呈现增加的趋势,但暖湿化的气候变化对草地生态系统的结构和空间分布产生了不利的影响。     

Grassland quality response to climate change in Xinjiang and predicted future trends北大核心CSCD

Grassland is a major vegetation type in Xinjiang Province,and is an important component of carbon source-sink calculations. It is therefore important to ecological management decisions to understand the factors driving changes in grassland quality and likely future trends in those changes. We used geographic information maps to eliminate the interference of human activities and determine changes in grassland status and areas of stable grassland from 1980 to 2020,and analyzed changes in grassland quality and its response to climate change using data such as normalized vegetation index（NDVI）,vegetation net primary productivity（NPP）,and meteorological data,among others. We here estimate changes in grassland quality in Xinjiang and predict grassland quality changes from 2021 to 2040 using the Thornthwaite Memorial model and other models. We found that：1） The grassland quality in Xinjiang was generally increasing,with a statistically significant rate of ongoing increase. The grassland cover and quality in mountainous areas of Xinjiang was high,while that at the desert edge was low. 2）The main driving forces for grassland quality changes in Xinjiang are temperature and precipitation. The correlation between grassland quality and precipitation was positive. Temperatures exceeding a certain limit were found to inhibit grassland quality. Sensitivity to temperature and precipitation decline was found to be greater when vegetation cover was lower. 3）The grassland quality and its temporal and spatial changes in Xinjiang can be reflected by climatic productivity. The lower the grassland cover,the stronger was the link between grassland quality and climate factors. 4）Under currently predicted climate change scenarios,the quality of low-cover grassland will be improved in the future,while the quality of other categories will tend to decrease. This information on grassland quality in Xinjiang and its predicted future trends can assist in formulating ecological protection measures and in other ways,such as compilation of carbon stock inventories. © 2022 Editorial Office of Acta Prataculturae Sinica. All rights reserved.     

2000－2010年中国退牧还草工程区生态系统宏观结构和质量及其动态变化

本研究以生态学理论为基础，以空间信息技术为支撑，基于遥感数据、气象数据和地面观测数据，通过多源数据融合、生态模型模拟和尺度转换手段，分析中国退牧还草综合治理工程区2000－2010年生态系统宏观结构和质量的时空分布及变化趋势，探讨生态系统变化的自然和人文驱动机制，为退牧还草工程的生态成效评估提供理论依据。研究结果表明，1）2000－2010年，草地生态系统面积保持平稳，生态系统宏观结构稳定，但局部区域仍存在草地与农田、湿地和荒漠间的相互转化；2）研究区草地退化趋势已得到初步遏制，植被覆盖度略有增长，叶面积指数略呈波动式增加，净初级生产力呈显著上升，草地植被呈现恢复转好态势，生态系统总体质量有所提高，生态环境向良性演变；3）研究区生态状况具有空间差异性，总体转好，局部变差，各亚区整体水平排序为内蒙古东部退化草原治理区＞青藏高原江河源退化草原治理区＞新疆退化草原治理区＞蒙甘宁西部退化草原治理区；4）退牧还草工程的实施有利于草地保护，气候暖湿化促进植被生长与恢复，人类活动干扰局部地区生态系统，三者共同影响研究区总体生态状况。     

三江源1982-2012年草地植被覆盖度动态及其对气候变化的响应

采用1982-2012年的多源遥感数据,结合像元二分模型,分析了三江源保护区不同时期代表性河流源区不同类型草地的植被覆盖度及其动态,并研究了草地植被覆盖度对气候因子的响应.结果表明,三江源草地覆盖度整体上呈现出西北低东南高的特征,全区草地平均植被覆盖度为48.73％,黄河源草地覆盖度最高(65.45％),长江源最低(4.25％),草甸、高山亚高山草甸、平原草原、高山亚高山草原和荒漠草原的平均植被覆盖度分别为59.86％、57.390％、39.50％、33.70％和14.13％;31年间全区草地覆盖度整体上呈现上升趋势,增长速度为每年0.230％,黄河源区的增长速度最快(每年0.27％);整体而言,低温比干旱对三江源草地覆盖度增长的限制作用更强,草甸、高山亚高山草甸和平原草原受气温影响较大,高山亚高山草原和荒漠草原受降水影响较大,在月尺度上草地覆盖度对气温表现出明显的滞后效应,而对降水不存在明显的滞后效应;三江源保护区成立(2001年)后,草地覆盖度的增长速度和增长面积都有所提升,全区草地覆盖度对气温的敏感度有所升高,黄河源草地覆盖度对降水的敏感度有明显下降.生态工程和草地保护措施整体上已经取得了一定的成效,但局部草地覆盖度下降趋势有所加剧,以荒漠草原最为突出,应在今后的保护工作中加以重视.     

欧亚大陆草原带1982-2008年间净初级生产力时空动态及其对气候变化响应研究

欧亚大陆草原带主要包括哈萨克草原和蒙古草原,是世界上最大的过渡生态系统。 同时该区域属于典型的干旱半干旱地带,因此对气候变化较为敏感。但是,针对该区域的净初级生产力(net primary productivity, NPP)研究尚有诸多不足,特别是哈萨克草原。本研究在原有BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模型的基础上,对光合最大羧化效率(V_c,max)和自氧呼吸等过程算法进行了优化,以地面实测样方数据对改进后的模型进行精度验证,进而利用改进后的BEPS模型模拟了1982-2008年间的欧亚大陆草原带植被净初级生产力。结果表明,改进的 BEPS 模型与3个地区(哈萨克斯坦,内蒙古和新疆)的样地观测数据相比均具有较好的拟合精度,且预测能力较原有BEPS模型均有一定程度的提升;27年间,区域内NPP的平均值为120 g C/m²,其中蒙古草原为116.9 g C/m²,哈萨克草原为 122 g C/m²。在区域暖干化的背景下,蒙古草原的NPP呈现上升趋势,而哈萨克草原则在前苏联解体前后先上升后下降。区域内草地主要与年降水具有显著的正相关关系,而对温度的响应普遍较弱,表明降水是该区域植被生长的主要气候影响因子。     

松嫩平原西部草地植被覆盖变化人文影响因素定量研究

将研究区划为8个自然条件相对均一的土地单元,然后根据ETM遥感影像解译及实地考察的结果,确定受人为干扰草地和未受人为干扰草地的范围。利用2001~2005年生长季MODIS ∑NDVI数据,分析研究区草地植被覆盖状况,并计算相对干扰指数。结果表明:生长季未受人为干扰草地的植被覆盖明显高于受人为干扰草地的植被覆盖,第6、第7单元的相对干扰指数较大说明这两个单元草地植被覆盖变化生长季受人为因素影响较严重。     

近30年黑河流域草地变化分析及分布格局预测

草地是人类生存的基本资源和条件,在全球变化、全球循环和生态系统功能等方面起着非常关键的作用。本文基于GIS技术和1986、2000和2011年黑河流域草地分布数据,采用转移矩阵、草地动态变化度、空间动态度和CA-Markov模型等方法,分析了黑河流域近30年的草地变化,并对其未来分布格局做出预测。结果表明,(1)黑河流域1986年草地面积为32997.71km~2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为4290.02、6371.80和22335.89km~2;2000年草地面积为23939.46km~2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5508.78、5540.01和12890.67km~2;2011年草地面积为24272.50km~2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5561.31、5715.01和12996.18km~2,近30年间黑河流域草地面积呈现先减后增的趋势。(2)1986-2000年期间,黑河流域草地面积大幅减少,且退化严重,高覆被草地主要向中低覆被草地转换,中覆被草地主要向低覆被草地转换,低覆被草地主要向未利用地转换。(3)2000-2011年期间,黑河流域草地面积小幅增加,各类型草地转化面积较少,保持小幅缓慢上升趋势。(4)在现行趋势下,预测2022年黑河流域草地面积为24449.58km~2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5560.28、5657.65和13231.65km~2,与2011年相比呈增加趋势,但下游地区草地面积和覆盖度依然较低。     

基于CASA模型和MODIS数据的甘南草地NPP时空动态变化研究

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)在全球气候变化及碳循环研究中扮演着重要的角色,精准快速的估算NPP对评估区域生态系统承载力以及合理利用自然资源具有重要的意义。利用2011-2014年甘南地面实测草地地上生物量(aboveground biomass, AGB)数据和根冠比系数计算的草地NPP数据,分别验证了MOD17A3 NPP产品和基于CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型估算的草地NPP的精度,分析了2000-2016年甘南地区草地NPP的时空动态变化。结果表明:基于CASA模型模拟的草地NPP精度整体上高于MOD17A3 NPP产品的精度,其均方根误差(root mean square error, RMSE)较MOD17A3 NPP小9.94 g C·m^-2;CASA模型分析的甘南地区草地NPP总体上呈现由西南向东北逐渐减少的趋势;对不同草地类型而言,沼泽类的平均NPP最高(469.07 g C·m^-2),温性草原类最低(324.18 g C·m^-2),而占研究区草地总面积比例较大的高寒草甸类和高寒灌丛草甸类草地的平均NPP分别为449.22和465.27 g C·m^-2;2000-2016年间,甘南地区大部分草地NPP稳定不变,其面积占研究区草地总面积的75.31%,NPP呈增加趋势的区域占草地面积的22.63%,而NPP呈减少趋势的区域占比最小,仅为2.06%。以上研究结果表明CASA模型在高寒地区草地NPP评估、草地资源合理利用与管理方面具有重要的应用价值。     

黄土高原草地和农田系统碳动态对降雨、温度和CO2浓度变化响应的模拟

全球气候变化通常是多种环境条件同时连续地发生变化,而多因子的控制实验并不能完全模拟环境的变化且其通常需要耗费很高的成本。应用模型可以加深理解全球气候变化对生态系统结构和功能的影响。应用陆地生态系统(TECO)模型模拟黄土高原草地和农田生态系统在CO₂浓度、温度和降水改变情况下生态系统碳动态,探讨黄土高原草地和农田生态系统碳动态对未来气候变化响应。研究结果表明,随着温度升高,草地和农田生态系统净初级生产力(NPP)和异养呼吸(Rh)都呈现先增加后减少的趋势,生态系统碳净交换(NEE)表现出先减少后增加趋势,除农田系统的Rh对温度响应的拐点在当前温度,其余对温度响应拐点在增温4 ℃,此时系统固碳能力最高。降水和CO₂浓度增加改变生态系统NPP,Rh和NEE对温度变化的响应。随着降水增加,生态系统对温度响应更敏感;草地生态系统NPP,Rh和NEE对温度变化响应拐点发生改变,而农田系统无变化。CO₂浓度升高使农田生态系统NPP,Rh和NEE在增加4 ℃情景下,对温度变化响应不敏感。增加降水和增温对草地和农田生态系统NPP、Rh和NEE交互作用相对强度最大,分别为51.0%和30.0%、51.3%和16.6%以及-46.1%和-28.9%;增雨和增加CO₂浓度对草地和农田生态系统NPP、Rh和NEE交互作用相对强度最小,分别为2.4%和7.5%、3.7%和3.4%以及8.1%和-9.0%。三因子交互作用对生态系统NPP,Rh和NEE没有明显促进作用。与农田相比,草地生态系统碳动态对气候变化交互作用响应更显著。     

环青海湖盆地气候变化对草地生态环境的影响

通过分析近20年来环青海湖盆地的气候变化特征对环湖盆地草地生态环境的影响,发现环青海湖地区年平均温度升高、年蒸发量增大程度比较显著,而降水量增多不显著,且年际间变化较大,气温、地表蒸发等气象要素有向暖干化过渡的趋势。随气候变化,环湖盆地天然草地植被盖度,高度和产量均有不同程度下降,草地退化、沙化现象加剧。在不合理的人类经济活动和气候干旱化等因素的共同作用下,导致了环湖盆地地区水资源的减少和草地生态环境的沙漠化。