高寒草甸草原净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用1957-2014年气象数据和1998-2014年实测数据驱动CENTURY模型模拟海北高寒草甸草原生态系统地上净初级生产力(ANPP)的动态变化,并利用典型浓度路径RCP4.5和RCP8.5情景下5个大气环流模型的气候情景数据来模拟未来气候变化和CO₂浓度变化对草地生态系统ANPP的影响。结果表明:1)研究地点1998-2014年的ANPP观测值与模拟值变化趋势吻合度较高,Pearson相关性系数为0.67,均方根误差为19.62 g·m^-2,CENTURY模型适用于模拟气候变化对高寒草甸草原影响的研究。2)过去50多年,高寒草甸草原的年平均最低气温、最高气温和年平均气温都呈极显著的波动上升趋势(P<0.01),年降水量年际波动特征比较明显,降水主要集中在植被的生长季。过去50多年,高寒草甸草原ANPP平均值达到271 g·m^-2,总体变化趋势为增加,但变化趋势不显著(P>0.05)。3)与基准时段(2001-2014年)相比,高寒草甸草原未来2030s(2015-2040年)、2050s(2041-2070年)、2080s(2071-2099年)时段多模型年平均降水量、年平均温度、年平均最低和最高温度变化率均为正值。不考虑CO₂肥效作用下,高寒草甸草原多模型平均ANPP在RCP4.5和RCP8.5情景下分别增加2.21%,11.53%,17.78%和8.34%,21.68%,40.32%;考虑CO₂肥效作用下,高寒草甸草原多模型平均ANPP在RCP4.5和RCP8.5情景下分别增加2.89%,14.29%,24.28%和11.57%,31.74%,57.29%。考虑和不考虑CO₂肥效的情况下,5个大气环流模型引起的模拟结果的不确定性都在合理范围之内,多大气环流模型与CENTURY耦合模拟的ANPP结果较为一致。     

呼伦贝尔草甸草原地上净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用内蒙古呼伦贝尔草原额尔古纳右旗牧业气象试验站1994-2009年牧草生长季逐月实测资料,对CENTURY模型进行检验,模拟了呼伦贝尔草甸草原1961-2010年间地上净初级生产力(ANPP)动态,并与26个气象因子进行相关性分析。模型检验结果显示,生长季内逐月地上生物量模拟值与观测值之间的相关系数为R²=0.53,斜率b=0.94,误差平方根值为72.07 g/m²,平均绝对百分比误差为38.02%。检验结果表明,CENTURY模型能够成功地模拟这类草原的季节动态和年际变化。在过去的50年中,呼伦贝尔草甸草原温度增加,降水略增,ANPP增加。相关分析表明,ANPP与生长季降水量(r=0.372)呈极显著正相关;与年平均最低气温、年平均地面气温、年平均气温、7月降水量呈显著正相关;与年平均风速(r=-0.382)呈极显著负相关;与其他气象因子无显著的相关关系。应用区域气候模式系统PRECIS输出的2021-2050年气候情景数据分析得出,在SRES B2、A2和A1B情景下,未来呼伦贝尔草甸草原平均最高气温和最低气温都将呈显著升高趋势,降水量略增,ANPP虽然在年际间存在波动,但总体呈明显增加态势,分别较基准时段增加了67.14%,69.65%和76.58%,增加速率分别为16.51,17.34和16.42 g/(m²·10 a)。在3种情景下,未来气候变化均会对呼伦贝尔草甸草原群落生产力产生显著的正面影响。     

浑善达克沙地地上净初级生产力动态及对气候变化的响应

利用2004?2018年多伦县生态气象观测站牧草观测资料，对CENTURY模型进行参数初始化和适用性检验，模拟了浑善达克沙地1961?2018年地上净初级生产力(above-ground?net?primary?production, ANPP)动态。模型检验结果显示，观测值与模拟值的决定系数R2 = 0.78，斜率b = 1.04，P < 0.01，误差平方根值为25.23 g·m?2，平均绝对百分比误差为45.76%。检验结果表明，CENRUTY模型可以较好地模拟浑善达克沙地地上生物量的动态变化。通过对1961年以来研究区气候变化的分析，发现该地区年平均气温与年极端最高气温均呈增加态势，且增加趋势显著，增加速率分别为0.4和0.3 ℃·(10 a)?1。年降水量与生长季降水量年际波动较大，变化趋势均不明显。ANPP年际间波动明显，但无明显变化趋势。通过因子分析法发现，增温是沙地气候变化的主要特征；Pearson相关分析表明，ANPP与生长季降水量、年极端最高气温呈极显著相关关系，牧草主要生长季降水量与年极端最高温度是影响浑善达克沙地ANPP的关键气象因子。     

CENTURY模型在内蒙古草地生态系统的适用性评价

基于草地生态系统模型评估气候变化对草地的影响及其适应对于草地的可持续利用和草地荒漠化的防治具有重要意义。本研究选择内蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原及草原化荒漠4种主要草地类型的代表性站点-额尔古纳右旗、镶黄旗、乌审旗和苏尼特左旗,基于牧业气象试验站的长期围封草地生物量观测资料,对草地生态系统模型(CENTURY)进行了校正和验证。结果表明:CENTURY模型模拟的草甸草原、典型草原、荒漠草原和草原化荒漠生长季地上部分生物量的模拟值与实测值变化趋势比较一致,决定系数(R²)分别为0.60, 0.60, 0.65和0.59,均方根误差(RMSE)分别为29.65, 31.45, 25.51和7.90 g C·m^-2,CENTURY模型能够模拟草地地上部分生物量对气候因子的响应,适用于气候变化对内蒙古草地生态系统的影响研究。模型参数敏感性分析表明:草地地上部分生物量敏感的生理参数是草地生长最适温度、最高温度及潜在生产力系数。对过去50年草地地上部分生物量的变化模拟显示:额尔古纳右旗与乌审旗的草地年累积地上部分生物量在近50年间呈现波动增加,镶黄旗与苏尼特左旗呈现波动减少,但统计上均不显著。     

三江源区高寒草原土壤湿度变化特征及与气候因子的关系

利用青海省三江源区兴海县牧业气象站1999-2016年高寒草原土壤湿度、牧草生育期资料,分析了高寒草原土壤湿度的年、季变化特征以及牧草生长季不同生育期土壤湿度的变化特征及与气候因子的关系。结果表明:高寒草原0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm土壤湿度均随年际延长呈增加趋势,春季除40-50 cm土层外,其他各层土壤湿度均随年际延长呈显著增加趋势(P<0.05)。高寒草原牧草生长季的土壤相对湿度随年际延长呈显著上升趋势(P<0.05),且与生长季降水量之间呈极显著正相关关系(P<0.01)。随着气候变化,牧草抽穗、开花、成熟和枯黄期的土壤相对湿度随年际延长呈显著增加趋势(P<0.05)。牧草抽穗期、枯黄和全生育期的土壤湿度与气温呈显著负相关关系(P<0.05)。高寒草原牧草生长季土壤湿度的增加有利于草地植被生长。     

CENTURY模型在新疆天山山区的适用性分析

利用模型评价气候变化对草地生产力的影响,对草地的可持续利用及防灾减灾具有重要意义。本文选取新疆天山山区乌鲁木齐市牧业气象试验站、昭苏、巴里坤为代表站点,基于各站多年围封草地观测资料,对草地生态系统模型（CENTURY模型）进行适用性分析。结果表明：CENTURY模型模拟的乌鲁木齐市牧业气象试验站、昭苏和巴里坤地上生物量模拟值与实测值呈显著相关（P<0.05）,决定系数（R²）分别为0.39,0.51,0.38,均方根误差（RMSE）分别为34.09,37.15,14.29 g C·m^-2,CENTURY模型可以用于气候变化对新疆天山山区草地生产力的影响研究。基于验证后的模型对1961-2016年地上生物量模拟显示：巴里坤呈显著减少趋势、昭苏呈极显著增加趋势、乌鲁木齐市牧业气象试验站呈波动减少趋势,但差异不显著。     

高寒草甸土壤异养呼吸对气候变化和氮沉降响应的模拟

利用研究区植被、土壤和气候观测资料,借助CENTURY模型研究了高寒草甸土壤异养呼吸CO₂通量动态变化。结果表明,1)CENTURY模型较好地反映了高寒草甸土壤异养呼吸季节变化。模拟结果与试验点观测结果相吻合,风匣口和干柴滩2个试验点观测值与模拟值的线性回归方程分别为y=0.7776x+23.796(R²=0.6885, n=31)和y=0.9487x-8.6994(R²=0.6062, n=30)。2)过去46年(1960-2005年)研究区年平均气温趋于暖化,平均线性增温率为 0.35℃/10 a。降水量变化不明显,呈振幅较为稳定的波动变化。同期CENTURY模型模拟的高寒草甸土壤异养呼吸CO₂通量呈波动性缓慢上升的趋势,通量变化范围在479.22~624.89 g C/(m²·a) 之间,平均值为(539.56±34.32) g C/(m²·a),通量增加率为16.5 g C/(m²·10 a)。对模拟结果与气温、降水量之间进行的相关性分析结果显示,土壤异养呼吸CO₂通量与气温呈显著正相关(r=0.70,P<0.05),与降水量相关性不显著。3)氮沉降增加显著促进了高寒草甸土壤异养呼吸CO₂通量。中氮(MN)和高氮(HN)与对照(CK)处理间差异极显著(P<0.01),但中氮(MN)与高氮(HN)处理间差异不显著。说明,长期受低温和土壤有效氮限制的高寒草甸对气候变化响应敏感,高原气候的暖化和氮沉降的增加均能引起土壤异养呼吸作用的小幅上升,但可能由于异养呼吸作用对氮沉降存在着一定的“氮饱和”现象,随着大气氮沉降的倍增,其促进效应降低。     

气象因子与羊草生长高度的关系研究——以内蒙古草甸草原区为例

为研究1990—2017年内蒙古草甸草原羊草生长高度与主要气象因子之间的关系,根据内蒙古草甸草原气候特点,选取呼伦贝尔市牧业气象试验站1990—2017年历年5月1日—8月31日各旬降水、温度、日照时数及其相应累加值等6个水热环境参数变量,以及同期同地区羊草生长高度监测数据,建立羊草生长高度与主要气象因子关系模型,对羊草高度与气象因子之间的关系进行相关与回归分析。结果表明,羊草生长高度与返青日期呈负相关,与5月中旬降水量、6月中旬日照时数、5月1日—6月20日降水总量呈正相关;5月1日—6月20日降水总量可以影响到7月中旬羊草高度,是影响羊草高度年内最高值的重要气象因子;以旬为单位通过逐步回归的方法建立了各旬羊草生长高度与气象因子的关系模型。研究结果为该地区草地植物生长动态变化研究提供了基础数据。     

内蒙古荒漠草原南缘春季消融期土壤水热变化特征及其对气象因子的响应

基于内蒙古荒漠草原南缘2009-2018年的土壤温湿度与气温降水实测数据,利用统计学、相关性分析及回归分析相结合的方法研究了春季消融期内蒙古荒漠草原土壤温湿度的动态变化及相互关系.通过研究荒漠草原在消融过程中土壤水热的变化规律及相互影响,揭示气象因子对土壤温湿度的影响,并为调整牧业发展模式及恢复生态环境提供科学依据.结...     

三江源草地ANPP变化特征及其与气候因子和载畜量的关系

在野外调查数据检验的基础上,采用CASA模型计算了2000~2014年三江源草地的地上净初级生产力(ANPP),进而分析了ANPP与气候因子和载畜量之间的关系。结果表明:2000~2014年三江源地区草地ANPP平均值为27.53gC/m2,其中75.81%的区域呈增加趋势,24.19%的区域呈减少趋势;整个三江源地区草地ANPP变化与年均温具有显著(P0.01)的正相关关系,且在不同降水区域内ANPP随年均温的升高表现为先增加后减少;不同区域草地ANPP对年降水量的响应受温度的制约,在年均温-2℃的区域ANPP随年降水量的增加而增加,年均温在-2~-6℃之间的区域表现为先增加后下降,而在年均温-6℃的区域则无响应;三江源草地ANPP对载畜量的影响存在时间滞后性,与当年载畜量的相关性不明显,而与次年载畜量存在极显著的相关关系。     

内蒙古典型草原黄囊苔草生长动态对气象因子的滞后响应分析

在全球变化与陆地生态系统关系的研究中,气候和植被相关关系的研究具有非常重要的意义。本文以2014年内蒙古草原生态系统定位站提供的气象数据资料为基础,运用灰色相对关联度以及含有时滞参数的灰色系统模型,分析了内蒙古典型草原区域尺度黄囊苔草(Carex korshinskyi)地上生物量对6种气象因子的响应。结果表明:黄囊苔草对6种气象因子的响应均有滞后效应。黄囊苔草地上生物量对降水量、气温、地温、蒸发量、相对湿度、日照时数的响应分别滞后10,16,16,10,15,5d。此结果将有助于更加深入理解气象因子对植物群落的影响机制,并为草地植被生产力建模与定量预测提供信息基础,以期在实践应用中发挥更高的价值。     

内蒙古草地生态系统近10年NPP时空变化及其与气候的关系

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。通过改进的光能利用率模型(CASA模型),利用MODIS NDVI数据、土地覆盖分类数据、气象数据等,逐像元模拟2001-2010 年内蒙古草地生态系统NPP的时空变化,分析其对气候因子变化的响应关系。结果表明,1)2001-2010年内蒙古草地多年平均NPP为281.3 g C/(m²·a),空间分布呈由西南向东北递增的趋势,草甸草原、典型草原和荒漠草原平均NPP分别为431.8,288.7和123.5 g C/(m²·a);2) 2001-2010年间内蒙古草地NPP总体上呈上升趋势。NPP上升趋势最明显的草地主要分布在毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔盟和大兴安岭南麓地区,而下降趋势最明显的草地主要分布在阴山山脉和锡林郭勒盟中部的典型草原区;3) 总体而言,降水量是内蒙古草地净初级生产力的主要影响因素。草甸草原NPP与降水量、温度的关系均很密切,而且与温度的相关性更强;典型草原和荒漠草原NPP则主要受降水量控制,其中荒漠草原NPP与降水量的关系更密切。     

内蒙古天然草场牧草产量的气象估算模型

以内蒙古天然草场为研究区域,利用2004～2008年生长季牧草产量观测资料和能够综合反映光、温、水对牧草生长影响的气象条件指数,分析了内蒙古主要天然草场牧草产量与气象因子之间的关系,并分别建立了适用于不同草地类型(温性草原类、温性草甸草原类、低地草甸类、温性草原化荒漠类、温性荒漠草原类)的牧草产量气象估算模型.经过验证,所建产草量估算模型具有良好的估测能力,准确率较高,可以满足应用需要.     

内蒙古草地地下生物量空间格局分析

本文以内蒙古地区198个草地样地地下生物量调查测定数据为基础,结合遥感及气象数据,进行草地地下生物量与海拔、年均气温、年均降雨、≥10℃年积温、湿润度和NDVI等6个生态因子间的回归分析。根据回归拟合方程,借助ArcGIS平台进行单因素插值,并通过插值预测结果与实测数据的拟合程度赋予各因素不同的权重,加权叠加估算,并综合插值出内蒙古草地地下生物量1 km×1 km栅格的空间分布图。结果表明:内蒙古地区草地地下生物量平均值为1364.06 g/m²,其中温性草原类草地的地下生物量最大,为1916.64 g/m²,温性荒漠类最小,为80.39 g/m²;草地地下生物量与年均气温、年均降雨、≥10℃年积温、湿润度和NDVI均有着极显著的相关性;空间格局上,自东北向西南方向草地地下生物量呈现由高向低过渡的趋势,呼伦贝尔盟和锡林郭勒盟东部地区的地下生物量最高,阿拉善盟大部分地区地下生物量较低;内蒙古草地植被地下生物量空间插值数据通过了检验,预测精度为66.62%。     

不同放牧率对草原牧草再生性能和地上净初级生产力的影响

在生长季研究不同放牧率对草原牧草再生性能和地上净初级生产力的影响。结果表明,随着放牧率的增大,地上现存量呈线性下降,但地上净初级生产力(地上现存量＋家畜采食量)以2.67只羊/hm²处理最大,即存在超补偿性生长。地上最大现存量和最大净初级生产力出现的日期随着放牧率的增大有提前的趋势,二者随着放牧年限的延长均有较大幅度的下降。但降水可以缓和或加剧此变化的趋势。在冷蒿小禾草退化草原上,1.33和2.67只羊/hm²始牧时期为5月中下旬为宜,而重度放牧宜在6月上、中旬;重牧或过度放牧可降低牧草早期的再生能力,但可加快后期的再生速度,即后期牧草补偿性生长较明显。     

内蒙古地区草地表层土壤容重空间格局分析

本文以内蒙古地区草地表层土壤容重调查测定数据为基础,结合遥感和气候多重数据,进行草地土壤容重与海拔、年均气温、年均降雨、≥10℃积温、湿润度和NDVI等6个生态要素之间的回归分析。根据回归拟合方程,借助ArcGIS平台进行单因素插值,并通过插值预测结果与实测数据的拟合程度进行各因素对土壤容重影响的权重分析,加权叠加并综合插值出内蒙古草地土壤容重1 km×1 km栅格的空间分布图。结果表明：内蒙古地区草地土壤容重平均值为1.45 g·cm^-3,其中温性荒漠类草地的土壤容重最大,为1.58 g·cm^-3,温性草甸草原类土壤容重最小,为1.27 g·cm^-3;空间格局上,草地表层土壤容重自东向西方向呈现由低到高逐渐递增的趋势。综合插值得到的内蒙古草地表层土壤容重空间格局图,通过预测值与实测值之间的复相关性检验,其复相关系数R²=0.6739,均方根误差（RMSE）为0.1424 g·cm^-3,总体偏差为9.77%,平均预测精度达90.23%。综合空间插值结果较好地反映了内蒙古地区土壤容重空间分布情况,与土壤类型和草地类型的分布基本吻合。