基于遥感技术的植被净初级生产力研究进展

植被净初级生产力(NPP)的研究是全球变化与陆地生态系统的核心内容之一.本文回顾了植被NPP研究的历史、基于遥感技术的植被NPP和草地植被NPP研究进展,并对近期陆地植被NPP研究的特点及发展趋势作了总结,对NPP模型的研究提出了一些建议.     

甘南藏族自治州植被净初级生产力时空变化及驱动力

自2003年开始甘南藏族自治州推行了“退耕还草”等一系列生态保护政策,对区域植被状态产生了一定的影响。目前针对甘南州不同植被类型下植被净初级生产力(NPP)与归一化植被指数(NDVI)、太阳辐射、气温、降水间响应机制的研究尚不明晰,且关于该区域植被NPP时空特征变化及重心迁移的探讨尚少。本研究基于MODIS遥感数据、气象数据、植被类型数据,利用Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA)模型估算了甘南州2000-2019年植被NPP,分析了NPP时空变化特征,探讨了不同植被类型下植被NPP与NDVI、气温、降水以及太阳辐射之间的响应关系。结果表明：1) 2000-2019年植被NPP年均值为621.79 g·m^-2,96.63%区域呈现为增长趋势。2) 2000-2019年植被NPP重心整体呈现西北向东南迁移,东南部植被NPP增速高于西北部。3)植被NPP与气温、降水、太阳辐射间整体上呈明显的正相关关系,北部边缘及东部中心地带呈负相关关系。4)林地、灌丛、草地的NPP均呈稳定增长,湿地类型下除NPP外气温亦呈明显增长。本研究可为评价...     

祁连山国家公园植被净初级生产力时空演变及驱动因素分析

祁连山国家公园具有涵养水源、维持生态平衡等重要作用,是河西乃至西北地区重要的生态安全屏障。本研究利用2000–2018年的MODIS NDVI遥感数据、气象数据及人类活动数据,采用NPP估算模型–CASA模型计算了植被净初级生产力(net primary productivity,NPP),并借助一元线性回归法与相关分析法,分析了研究区植被NPP的时空变化特征以及与地形、气候和人类活动等驱动因素的耦合关系。结果表明:1)祁连山国家公园植被NPP整体呈现波动上升的趋势,多年均值为167.35 g·(m2·a)–1;各月植被NPP的变化也呈增加趋势,增长速率存在明显的差异。2)空间上2000–2018年祁连山国家公园的植被NPP呈现出自东向西递减的趋势;月尺度上,植被NPP具有明显的季相变化特征,植被NPP累积量夏季最高,秋季次之,冬季最少。3)整体上祁连山国家公园植被NPP随海拔、坡度增加呈现出“先增加后减少”的变化趋势;植被NPP与降水的相关性较高,其相关性系数为0.632(P<0.01);当人类活动强度达到一定程度时(>20%),二者之间呈现明显的负相关关系。总体上,地形与气候因素对研究区植被NPP变化起主要作用。本研究可为科学评价祁连山国家公园生态治理成效以及生态政策的制定与生态环境的管护提供相应的参考,并可以为进一步实现区域自然–经济–社会的协调与可持续发展提供相关理论依据。     

典型草原净初级生产力对气候变化响应的模拟

本研究利用1953-2014年气象数据和1998-2013年实测数据驱动CENTURY模型模拟内蒙古典型草原生态系统地上净初级生产力(ANPP)的动态变化,并分析影响其动态变化的气象因素。结果表明,1)研究地点1998-2013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0.79,均方根误差为25.92 g/m²,CENTURY模型适用于模拟气候变化对内蒙古典型草原影响的研究。2)模型参数敏感性分析得出模型中的主要参数分别是研究地点土壤理化性质、草地植物生长的潜在生长力系数、植物生长最适和最高温度,这些参数的确定决定着模型模拟结果的准确度。3)1953-2014年,内蒙古锡林浩特的气温呈现极显著增加的趋势(P<0.01),主要是年平均最低气温明显上升;降水呈明显的年际波动,变异系数为30.2%。4)1953-2014年模拟的ANPP呈减少的趋势,但是变化趋势不显著(P>0.05)。通过相关性分析得到,降水是影响ANPP变化的主要因素,年降水量与ANPP的相关系数r值达到0.959(P<0.01),温度与ANPP呈弱相关性。     

昆明市城市化及城市热岛效应对植被净初级生产力的影响

城市化极大地影响了城市区域植被净初级生产力(NPP),但城市化对城市植被NPP的时空驱动机制尚不明确。本研究将城市化对NPP的影响分离为直接影响(NPP_dir)和间接影响(NPP_ind),基于地理探测器和地理加权回归分别分析了城市化对NPP_dir与城市热岛效应对NPP_ind的影响和驱动机制。结果表明：1)城市化是NPP时空分异性的主导因素,城市化与城市热岛效应的交互作用对NPP的解释力均大于单因子对NPP分布影响的解释力。2)不透水面丰度(IS)对城市化区域NPP有着强烈的负面影响,而城市热岛效应在城市中心城区对NPP有着正面促进作用,城市热岛效应在一定程度上补偿了城市化对NPP的负面影响。3)相对于普通最小二乘法回归(OLS)模型,地理加权回归模型(GWR)在城市化对NPP_dir和城市热岛效应对NPP_ind的相关性分析中都具有更高的拟合度。本研究对于可持续化城市发展和城市化对NPP的影响以及碳循环等研究具有一定的参考价值。     

草地净初级生产力模型研究进展

回顾了草地净初级生产力(NPP)模型,包括气候生产力模型、过程模型、光能利用率模型,指出利用归一化差值植被指数(NDVI)等参数估算草地NPP具有方便快捷的优点,可以实现对各种植被的快速监测.在我国草地生产力测定精度与地区密度提高的情况下,利用NDVI测定草地NPP将会显示出更大的优势.     

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。     

气候变化对新疆天山山区自然植被净第一性生产力的影响

在利用天山山区10个有代表性的气象台站1961-2006年的历史气候资料对年平均气温和年降水量变化规律进行统计分析的基础上,采用周广胜、张新时的自然植被净第一性生产力模型,计算了近46年天山山区自然植被净第一性生产力的变化特征,并据此建立了自然植被净第一性生产力与年平均气温和年降水量的统计关系,在此基础上,估算了未来气候变化对自然植被净第一性生产力的可能影响。结果表明,46年来,年平均气温以0.029 ℃/a的速率升高,年降水量以1.38 mm/a的速率增多,受其影响,自然植被净第一性生产力平均以0.013 t/（hm2·a）的速率增长。20世纪70年代初是天山山区气候暖湿化变化和自然植被净第一性生产力开始明显增长的“突变点”。未来气候的“暖湿化”变化对提高天山山区自然植被净第一性生产力将产生积极影响,平均而言,在其他条件不变的前提下,年平均气温每升高1 ℃或年降水量每增多10%,自然植被净第一性生产力将增加4%~5%。     

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。     

基于Miami模型分析青海省果洛州天然草地植被净初级生产力

利用青海省果洛州多年气象资料和Miami模型,计算和分析了果洛州天然草地植被净初级生产力。结果表明,班玛县天然草地植被净初级生产力最高。     

怎样在放牧生态系统中测定净初级生产力

测定放牧生态系统的净初级生产力时,全季或全年扣笼法无法测定放牧动物对植物生产力和植物补偿性再生的影响,同时无法估测放牧强度对植物消耗量的影响。针对这一问题,通过综述了动物密度法,可移动扣笼法,临时扣笼内刈割牧草模拟放牧强度法,转移动物法等４种测定放牧生态系统净级生产力的优缺点。得出结论：４种方法的测定结果是否比全季或全年扣笼法更准确,主要取决于这种方法能否准确测定植物补偿性再生及能否准确反映植物产     

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。     

不同放牧率对内蒙古典型草原牧草地上现存量和净初级生产力及品质的影响

通过不同放牧率（１．３３,２．６７,４．００,５．３３和６．６７羊／ｈｍ＾２）对内蒙古典型草原牧草地上现存量和净初级生产力及牧草品质的影响研究,结果表明,牧草地下现存量随放牧率的增大而线性下降,但地上净初级生产力并非线性下降,因而存在补偿生长的现象,牧草中粗蛋白含量在放牧的中后期随放牧率增大而增加,而较轻放牧率下粗蛋白含量随放牧季节的后称明显下降;粗纤维和粗灰分含量则表现出较强的规律性,随放牧时期     

科尔沁沙地降水量波动对草场植被组成和初级生产力影响的研究

科尔沁地区降水量变化对沙地草场植被组成和生产力影响的研究表明，在湿润年份（大于平均降水量）沙地草场的植物种丰富度较高（１８～２３个种）。降水量的变化对不同生活型植被重要值的影响比较大，其中降水量变化对一年生植物影响最大，多年生草本次之，灌木类最小。降水量变化对沙地生产力的影响与降水的分布格局有关，总体来看，生长期降水量对草场生产力影响最大，两者的关联度为０．９２７；年降水量次之，为０．８９３；关键     

不同禁牧时间对典型草原净初级生产力的影响

为了研究禁牧对典型草原生产能力的影响,对在不同时间采取禁牧措施的典型草原的生物量和净初级生产力进行了研究.结果表明,禁牧有利于生物量的提高,而且禁牧时间越长,生物量越高,禁牧17年、7年、2年以及放牧草原的生物量分别为3771.69g/m2、3248.33g/m2、2711.06g/m2和2348.50g/m2.草原生态系统地下生物量明显高于地上.3种禁牧草原的净初级力普遍高于放牧草原,分别为后者的1.23(禁牧2年)、1.20(禁牧7年)和1.08倍(禁牧17年),但是净初级生产力并不随禁牧时间的增加而增加.典型草原物质价值由高到低的顺序为:禁牧17年(1011.68元/hm2·a)＞禁牧7年(600.32元/hm2·a)＞禁牧2年(521.52元/hm2·a)＞放牧草原(301.28元/hm2·a).以上结果表明,禁牧对典型草原的净初级生产力及生物量有明显影响,采取禁牧措施有利于典型草原生产能力的恢复.     

怎样在放牧生态系统中测定净初级生产力

测定放牧生态系统的净初级生产力时,全季或全年扣笼法无法测定放牧动物对植物生产力和植物补偿性再生的影响,同时无法估测放牧强度对植物消耗量的影响。针对这一问题,通过综述了动物密度法、可移动扣笼法、临时扣笼内刈割牧草模拟放牧强度法、转移动物法等4种测定放牧生态系统净初级生产力的方法的优缺点。得出结论:4种方法的测定结果是否比全季或全年扣笼法更准确,主要取决于这种方法能否准确测定植物补偿性再生及能否准确反映植物产量估测值的偏差大小。     

基于MODIS数据的草地净初级生产力模型探讨

在光能利用率模型的基础上,考虑了温度和地面水气压差的影响,建立了基于MODIS数据的草地净初级生产力遥感估算模型.模型所需参数,除月平均日照百分率外,均由MODIS数据反演获得.利用2003年的1km分辨率的MODIS1B数据和全国586个气象站点的累年月平均日照百分率数据,计算了我国草地逐月净初级生产力(NPP),然后累加得到全年NPP,计算得我国草地年平均NPP为239.02gcm-2a-1,与实测数据较为接近.     

基于光能利用率模型的内蒙古天然草原植被净初级生产力动态监测与气候因子的响应

利用光能利用率模型和MODIS数据对内蒙古天然草原2000-2018年植被生长期草原净初级生产力进行连续动态监测,并在像元尺度利用最小二乘法分析了近20年植被净初级生产力(NPP)时空变化规律。结果表明:近20年中,内蒙古天然草原NPP在空间上呈由西向东递增分布规律,年均NPP为198.04 g C·m-2·a-1,潜在草地退化面积16.22万km 2,其中重度、较重度面积分别为0.20万和1.11万km 2,主要分布于人类活动密集区域,如矿区、建设用地及周边;在草地类型上,温性草原、温性草甸草原、温性荒漠以及温性荒漠草原潜在退化面积分别为5.22万、1.40万、4.04万和2.21万km 2。通过分析NPP与气候因子的相关性表明:近20年,内蒙古草原NPP与降水具有显著相关性,与温度无相关性;温性草甸草原NPP对降水的响应最敏感,温性荒漠草原其次,温性草原对降水响应最低。研究还根据上述结果,围绕草地生态保护提出了建议。     

塔里木河流域草地净初级生产力时空分异特征研究

采用MODIS数据和改进的光能利用率模型(CASA模型)对2006-2016年塔里木河流域植被生长季草地净初级生产力(NPP)进行估算,通过一元线性回归趋势分析、变异系数、Hurst指数等方法,分别从时间特征、空间特征、空间稳定性和未来变化趋势4个方面对其时空变化过程进行分析,阐述了2006-2016年塔里木河流域草地NPP的时空格局与变化特征。结论如下:1)时间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP总体呈波动上升趋势,其中增长区域占64.1%,负增长区域占35.9%,NPP总量平均增长速度为1.31×10¹¹ g C·m^-2·yr^-1;6-8月为流域内草地的主要生长期,NPP总量占生长季总量的47.3%。2)空间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP分布呈现明显空间分异特征,总体分布特征为西北向东南呈递减趋势,草地NPP多年平均值为13.62 g C·m^-2·yr^-1。在垂直变化(海拔)上,呈现出随海拔升高NPP呈“降低-升高-降低”的特点;在水平变化上(经、纬度),草地NPP变化没有明显特征。3)空间稳定性上,塔里木河流域草地NPP变异系数介于0.19~3.17。草地NPP存在明显的空间差异性,草地NPP变异系数大部分地区均属于低值区,其中变异系数在0.5以下的占总面积的94.6%。高波动区域主要集中在“四源一干”和车尔臣诸小河流域。4)未来变化趋势上,塔里木河流域草地NPP Hurst指数介于0.10~0.97,均值为0.57。未来变化趋势呈持续性特征面积占71.6%,反持续性特征面积占28.4%,除开孔河流域北部及车尔臣诸小河西南大部呈反持续性特征,其余草地均呈现出持续性特征,预示着流域草地NPP未来处于持续增加趋势。草地NPP时空分布特征显示,塔里木河流域草地生态系统健康状况总体好转,局部恶化。