陆地生态系统净初级生产力的时空动态模拟研究进展

陆地生态系统净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)研究是全球变化的核心内容之一,反映了植被每年通过光合作用所固定的碳总量。近年来将遥感数据引入到NPP的模型设计和估算中已成为了一种新的发展方向,它利用遥感获得的全覆盖数据,使区域及全球尺度的NPP估算成为可能。回顾了NPP研究历史,综合分析了气候相关统计模型、生态系统过程模型和光能利用率模型的优缺点;以CASA、C-FIX和BIOME-BGC这3种遥感参数模型为例,阐述和分析了该类模型的特点以及国内外的研究进展,提出了NPP模型存在的问题和未来的发展方向。     

草地地上生物量估算模型研究进展

草地地上生物量监测是合理利用草地资源,掌握草原生态演替过程的重要依据。但是,实时观测草地地上生物量信息需要耗费大量的人力物力,亟需借助遥感、数学等工具进行间接观测。本文系统阐述了国内外主流的草地地上生物量估算方法,包括遥感统计模型、草地生长模型、作物生长模型、光能利用率模型和生态过程模型等模型,以及遥感与机理模型耦合模型,概述了当前主流模型的特点及其适用条件,总结了相关的研究策略。结合草地估产的现实需求,梳理了现有的农业遥感数据同化研究进展,展望了基于遥感数据同化方法的草地地上生物量估算思路,为草地生长模拟的大区域、高精度研究提供了新的思路。     

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.     

气候变化下中国草地NPP的研究

通过全球气候变化下的中国草地NPP研究方法及估算模型的总结,分析中国草地NPP时空变化及其与影响因子间的相互关系,并提出中国草地NPP研究过程中存在的问题和未来发展方向。全球气候变化下,遥感估测和生态遥感耦合模型因适合大尺度的草地NPP估算,成为最主要的研究方法和研究模型。中国草地NPP在时间上表现为倒U字型和总体上升趋势的季节性、年际性变化,在空间上呈现出从东向西递减和阶梯式的水平、垂直地带性变化;这种时空上的变化主要与气候因子(温度和降水量)和人为因子等有密切的关系。全球气候变化下中国草地NPP的研究主要有基础数据不足、模型参数繁多和建模过程存在不确定性3个方面的问题。所以,解决问题并将其有机结合,是未来草地NPP研究的发展方向之一。     

基于CASA模型的甘肃省草地净初级生产力研究

利用基于遥感数据的光能利用模型-CASA模型估算了2005年甘肃草地生态系统NPP,分析了其空间格局,以及地形因素对草地NPP的影响。(1)实测数据与模拟结果对比表明,修正后的CA-SA模型的可操作性强,仅利用地面气象数据和遥感数据就可以对草地生产力进行模拟,模拟效果较好。(2)2005年甘肃省草地NPP总量为3.76×1013g/(m2.a),最高值达790.56g/(m2.a),年均值为139.15g/(m2.a),由西南向东北逐渐减少。(3)草地NPP季节变化非常明显,夏季NPP达到最大值;冬季植被基本停止生长,草地NPP值最低。4)在海拔3 000～3 500m区域、25°～30°坡度以及东坡草地NPP均达到较高水平。     

基于改进的CASA模型模拟草原综合顺序分类体系各类的最大光能利用率

植被最大光能利用率是净初级生产力(NPP)估算的一个重要参数,对它的大小一直存在争议。利用遥感数据、气象数据和中国区域NPP实测资料,依据基于草原综合顺序分类(CSCS)改进的CASA模型,采用改进的最小二乘法对中国41类草地的最大光能利用率(εmax)进行了模拟,并通过与他人估算的光能利用率(ε)进行比较来验证εmax的可靠性和准确性。结果表明:此次研究的ε值略高于其他的研究结果。其主要原因有:ε最大值和最小值之间的跨度较大,从而使得平均值较高;由于缺乏实测数据,个别草地类型的ε估算值较高,导致了本研究ε值偏高;各研究采用的分类体系不同,模型和数据来源不同,从而导致结果存在差异。本研究中的εmax根据实测数据模拟得到,今后需进一步收集实测数据,对参数εmax的合理取值进行调整。     

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.     

植被光合有效辐射吸收分量及最大光能利用率算法的改进

植被冠层对入射光有效辐射的吸收系数 (FPAR) 和最大光能利用率是NPP模拟的重要参数。利用光量子仪实测了典型草原植被类型关键生育期光合有效辐射值,根据NDVI与FPAR之间的良好相关性,建立了2个FAPR估算模型。结果表明,实测的FPAR值与模型估算的FPAR之间的相关性均达到极显著水平,2个模型的估测值之间没有显著性差异。因此,本研究中采取求均值后计算了我国草原的FPAR,并与NASA-FPAR产品进行了嵌套和互补,形成全国完整的草原FPAR空间分布图。同时,基于归一化植被指数和叶面积指数,以中国草原18大类分类结果为基础单元,对中国草原18大类的最大光能利用率进行调整,调整后的最大光能利用率输入NPP模型后,改善了NPP估算精度,在大类尺度上,总体预测精度为85.71%。     

近10年来山东区域NPP时空变化分析

净初级生产力(NPP)可以反映植被的固碳能力,估算区域的NPP对研究区域碳循环和气候变化有重要意义。本研究利用光能利用率模型(CASA)估算了山东省2001-2010年NPP的时空变化,在CASA模型中引入陆面水分指数(LSWI)来替换水分估算模块,并分析了该区域NPP与环境因子之间的关系。研究表明,山东省每年植被固碳量约为3.46×1013 g,其中农田的NPP占了山东省总NPP的75%以上;2001-2010年间,山东省NPP以每年0.7×1012 g的速度增加,主要归因于该区域温度和降水的增加。     

基于草地综合顺序分类法的CASA模型改进

将任继周等提出的草原综合顺序分类法的草原分类气候指标＞0℃年积温(Σθ)和湿润度指标(K)引入CASA模型,对水分胁迫因子的计算进行改进,避免了复杂的土壤参数,仅用＞0℃年积温和K值就可计算水分胁迫因子,极大地简化了模型.同时调整了CASA模型最大光能利用率的固定取值,使之成为适合中国草地净第一性生产力(NPP)估算的模型.改进的CASA模型实现了草地NPP模拟与草地综合顺序分类系统的耦合,能更好地反映草地类型与草地NPP的关系,为研究草地NPP的区域分布和全球分布提供了理论依据.     

草地土壤有机碳储量模拟技术研究

探知全球草地生态系统的土壤有机碳储量是调控全球陆地碳循环过程的必要环节和最大难题之一。本文回顾了草地生态系统土壤有机碳储量的研究进展, 分析了现有的草地土壤有机碳模拟技术——草地土壤有机碳模型的主要技术特征,就模型的基础数据、模型的结构和模型内的函数参数等三方面,讨论了现存草地土壤有机碳模拟技术的缺陷,提出样地清查、遥感分析和模型模拟方法的综合运用将是解决这一问题的根本途径。最后,提出了一种基于草地综合顺序分类系统(comprehensive sequential classification system of grassland, CSCS)的草地土壤有机碳储量分类指数模型的构架。将样地清查、基于CSCS的草地土壤有机碳分类指数模型与遥感的高时空分辨率特征三者耦合起来,分析不同草地类型、气候区划等生态条件下的草地土壤有机碳特征,以求提高草地土壤有机碳估算结果的准确性。此外,草地生态系统土壤的碳汇效应等生态功能与放牧利用不存在绝对对立关系,实现放牧的现代化转型是以对草地土壤有机碳储量精准估算为前提的。     

生长盛期温带典型草原光能利用率变化

光能利用率(Light utilization efficiency,LUE或ε)是表征植物光合生产效率的一个重要指标,也是基于遥感的生产效率模型(Production efficiency model,PEM)的概念基础和核心参数。LUE的模拟是影响PEM不确定性的主要原因之一,为了探索LUE的季节波动规律及其控制因素,在内蒙古草原生态定位站对温带典型草原羊草(Leymus chinensis)群落和大针茅(Stipa grandis)群落进行了地面观测。结果表明:在生长盛期,内蒙古温带典型草原的LUE在时间上波动性非常明显,在LUE的各个相关因子中,降水量是决定因子,温度在低于或高于最适温度时,均会影响植被光能利用效率,羊草和大针茅群落最适温度为16℃,高于20℃时,也会限制羊草和大针茅光合作用。水分对植被光能利用率的影响需要进一步进行土壤含水量同步测定研究。本研究结果对于模型参数本地化和参数敏感性分析提供了非常有益的借鉴,为提高基于光能利用率的遥感模型的精度提供了具有重要参考价值的解决途径。     

西藏草地净初级生产力的时空格局演变及其驱动机制分析

本研究基于遥感和气象数据,采用净初级生产力(Net primary productivity,NPP)作为草地指标,辅以模型模拟和野外观测等方法探究西藏草地N PP的格局演化特征,并探究其潜在驱动因素.结果表明:研究期内西藏草地NPP年均值为136.46 gC·m-2·a-1,并以1.57 gC·m-2·a-1的变化率...     

利用CASA模型估算呼伦贝尔净第一性生产力

基于2000~2013年遥感与气象数据,通过对CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)中的最大光能利用率的改进并模拟分析呼伦贝尔地区草地净第一生产力(NPP)及其时空变化特征,结果表明:NPP主要是受水热条件影响,呈现出地带性分布;年均NPP出现在2013年,呈现出逐年上升趋势。     

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.     

我国北方草地净初级生产力时空动态特征及其与水热因子的关系

为探讨我国北方草地净初级生产力（Net primary productivity,NPP）的变化及其影响因子,本研究利用光能利用率模型（Carnegie-ames-stanford approach,CASA）和遥感数据,模拟了2000—2015年我国北方地区的草地NPP时空动态格局,并对其动态变化的稳定性、持续性及其与气象因子的相关关系进行分析。结果表明：2000—2015年间我国北方草地NPP呈显著增长趋势,空间上表现为由东北向西北逐渐降低;草地NPP高值区主要集中在青藏高原东部、新疆北部,低值集中在青海省西南部及内蒙古中部等地;青海东部、甘肃南部和陕北地区的草地NPP呈显著增加,而新疆北部草地NPP显著减少;不同类型草地NPP在研究期限内均呈波动增加的趋势,其中坡面草地增长率最高;我国北方大部分地区草地NPP处于中等波动状态,青藏高原东北部的草地NPP较为稳定;未来青海省南部及东部,黄土高原中部和新疆北部地区的草地NPP将持续显著增加。总体而言,我国北方草地NPP与气温呈负相关关系,与降水呈显著正相关性关系。