CENTURY模型在川西北高原草原的适用性研究

利用草地生态模型评价气候变化对草地生产力的影响,对于草地的可持续利用有重要意义。本文选取川西北高原的石渠和若尔盖为代表站点,基于试验站多年牧草观测资料,对草地生态系统模型（CENTURY）在川西北高原草地的适用性进行研究。结果表明：CENTURY模型模拟的石渠和若尔盖牧草地上部生物量的模拟值与观测值比较吻合,决定系数分别为0.85和0.48,均通过了0.05的显著性检验,均方根误差分别为5.4 g·m^-2和122.4 g·m^-2,CENTURY模型能够较好的模拟牧草地上部生物量,适用于气候变化对川西北高原草地生产力的影响研究。基于验证后的CENTURY模型对1961-2017年牧草地上生物量的模拟结果显示,近57年来石渠和若尔盖牧草地上生物量均呈显著增加趋势,增加速率分别为5.4 g·m^-2·（10a）^-1和17.2 g·m^-2·（10a）^-1。     

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。     

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。     

草地早熟禾牧草生长的气象条件分析

根据新疆乌鲁木齐市牧业气象试验站牧草观测资料,对草地早熟禾牧草生长期、生长高度和产草量的气候条件进行了分析,以期为开展牧业气象服务提供依据.     

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。     

天山北坡中山带天然牧草对水分条件反应特性的分析

利用新疆乌鲁木齐市牧业气象试验站2004—2009年的气象和牧草资料,研究了降水、土壤水分等水分条件对天山北坡中山带乌鲁木齐南山草原5种优势天然牧草生长高度及产量形成的影响。结果表明：天山北坡中山带中老芒麦（Elymus sibiricus）、早熟禾（Poa annua）、黄芪（Astragalus hoantchy）、老鹳草（Gterantum pratense）、千叶蓍（Achillea millefoli-um）这5种天然牧草的生长高度和产量对水分条件表现出不同的反应,老芒麦最耐旱;早熟禾和千叶蓍的抗旱性相当;黄芪对水分条件的反应最为敏感。因此,大部分牧草产量形成需水临界期是6月。这对天山北坡中山带地区草地增水抗旱工作的时间安排具有指导作用。     

不同建植期混播草地群落特征的年际动态

针对新疆昭苏山前平地草甸草原严重退化的问题,采用耕翻混播种植6种豆科和禾本科牧草的方式,研究不同种植年限混播草地的物种消长、群落特征和产量变化。结果表明,混播草地植物组成、群落结构与对照(天然草地)相比均发生了明显变化,栽培牧草种占据绝对优势,牧草地上生物量均显著高于对照（P<0.05）;除2008年外,最高生物量均在7月中旬,比天然草地提前15 d以上,最高地上生物量平均为2 500 g·m-2,是天然草地的2.54倍。随着种植年限的延长,草地原有牧草先后出现,致使群落物种丰富度、多样性、均匀度总体呈增加趋势;栽培牧草重要值总体呈下降趋势,其中禾本科牧草呈增加而豆科牧草呈下降趋势,草地生产力虽呈下降趋势但仍保持较高生产力。     

基于STARFM的草地地上生物量遥感估测研究——以甘肃省夏河县桑科草原为例

遥感数据具有实时、动态、大范围等特点,在草地资源监测与管理研究中获得了广泛应用。然而,单一的遥感植被指数无法同时满足草地地上生物量观测中时空分辨率的需求。因此,本研究基于时间序列Landsat NDVI和MODIS NDVI数据,结合时空融合算法（spatial and temporal adaptive reflectance fusion model, STARFM）,生成了2000-2016年高时空分辨率的植被指数数据集（NDVI_STARFM,时间分辨率为16 d,空间分辨率为30 m）,并基于2013-2016年地面实测草地地上生物量数据,构建了夏河县桑科草原高寒草地地上生物量遥感反演模型,分析了2000-2016年研究区草地地上生物量生长状况和变化趋势。结果表明：1）基于NDVI_STARFM的最优估测模型为乘幂模型,其R²为0.58,均方根误差（root mean square error, RMSE）为795.62 kg·hm^-2,模型的表现能力次于Landsat NDVI最优估测模型（R²=0.76,RMSE=634.83 kg·hm^-2）,而优于MODIS NDVI最优估测模型（R²=0.24,RMSE=937.79 kg·hm^-2）;2）基于NDVI_STARFM最优估测模型对各样区草地地上生物量总产的估测精度优于MODIS NDVI而次于Landsat NDVI,总体精度达84.05%;3）2000-2016年来,夏河县研究区草地地上生物量总体呈现增加趋势,其中90%左右的区域年增量大于30 kg·hm^-2,草地地上生物量呈现减少趋势的区域仅占2.30%。     

新疆荒漠草地生物量估算及影响因素研究

为探究新疆荒漠草地生物量反演模型及其影响因子,基于Terra/MODIS,NOAA CDR NDVI,SPOT/VGT等遥感产品数据及草地地上生物量实测数据,构建研究区荒漠草地地上生物量植被指数反演模型,分析新疆荒漠草地地上生物量时空分布规律,运用趋势分析法和相关性等方法,揭示了生物量演变趋势与气温、降水的关系。结果表明：建立的不同遥感数据源生物量模型中,指数函数反演模型精度最高,决定系数和估算精度分别为0.66和70.93%;基于2000—2019年归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)变化趋势发现,新疆荒漠草地以稳定和改善为主;研究区2000—2019年间荒漠草地地上生物量空间分布格局整体表现为北高南低的趋势,20年间荒漠草地平均地上生物量为38.92 g·m^-2;2000—2019年气温与降水均上升,年平均升温率和降水率达到了0.32℃·(10 a)^-1和2.18 mm·(10 a)^-1,50%以上的地区荒漠草地与气温、降水呈正相关关系,生物量与降水的相关性优于气温。研究结果可为新疆草地保护和改善、生态环境建设提供科学依据和技术支持。     

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。     

封育对蒿类荒漠草地植被地上生物量时间稳定性的影响

为明确退化草地恢复过程中草地植被地上生物量时间稳定性变化及影响因素,以天山北坡中段蒿类荒漠草地为对象,采用野外取样和室内分析的方法,测算了封育年限间(2,4,6 a)群落地上生物量时间稳定性及物种异步性等,结果表明：封育2,4,6 a蒿类荒漠草地地上生物量较对照依次提高38.83%,136.26%,87.21%(P<0.05)。封育2 a蒿类荒漠草地群落地上生物量时间稳定性较对照增加38.36%(P<0.05),而封育4,6 a则变化不显著;封育4,6 a蒿类荒漠草地物种丰富度较对照分别降低46.15%,15.93%(P<0.05),物种异步性降低20.13%,17.52%(P<0.05)。物种丰富度与地上生物量时间稳定性无显著相关,但物种异步性及优势种时间稳定性对群落地上生物量时间稳定性有正向促进作用。因此,封育有利于退化蒿类荒漠草地植物地上生物量的恢复,物种异步性和优势物种时间稳定性是驱动群落地上生物量时间稳定性的重要因子。     

天山北坡草地生物量分布特征及影响因子

以天山北坡草地为研究对象, 通过调查采样对不同类型草地的生物量水平进行估算, 揭示其空间分布特征以及生物量在地上与地下的分配规律, 并对生物量与环境因子间的关系做了探究。结果表明, 研究区各类型草地总生物量由大到小依次为温性山地草甸、温性草甸草原、高寒草甸、低地盐化草甸、温性草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠、温性荒漠;同一类型草地, 地上和地下生物量空间变异程度不同;不同类型草地, 低地盐化草甸的地上生物量与其他草地差异显著(P0.05), 温性山地草甸与温性荒漠的地下生物量和总生物量差异均显著(P0.05);各类草地根冠比为3.2～20.0;草地地上生物量与年降水量和人类利用程度具有显著相关性, 地下生物量则与年降水量、年均温、地形具有极显著相关性(P0.01)。     

祁连山东段不同植物群落的特征及生物量分配

为明晰不同植物群落特征及生物量分配结构,以祁连山东段高山灌丛及草地群落为研究对象,采用样地法对6种不同植物群落进行野外调查以及室内分析研究。结果表明:研究区内共计有草本植物22科55属91种,灌丛植物3科4属6种;不同灌丛植物群落密度、盖度、物种数等特征有显著差异(P <0.05),不同草地植物群落的密度、盖度、物种数等特征差异不显著(P> 0.05)。草地植物群落地上生物量间无显著差异(P> 0.05),地下生物量表现为阳坡柳(Salix)灌丛草地<阴坡杜鹃(Rhododendron capitatum)灌丛草地,且二者间有显著差异(P <0.05);灌丛地上生物量阳坡柳灌丛>阴坡杜鹃灌丛,地下生物量阳坡柳灌丛<阴坡杜鹃灌丛,且不同灌丛群落之间地上、地下生物量均有显著差异(P <0.05)。不同植物群落灌丛地上生物量均随着灌丛高度的增加而增加,表现为线性关系。可见,研究区不同植物群落受气候、环境的以及物种分布的共同影响,从而形成差异显著的植物群落特征及生物量分配结构。该结果为祁连山东段高寒灌丛草地群落生产力估测以及植被资源的合理开发利用...     

基于MODIS-NDVI的天山北坡中段草地动态估产模型研究

利用EOS/MODIS卫星遥感数据,以天山北坡中段山地草原带为典型研究区,进行草地生物量变化动态监测。运用植被指数最大合成法,分析了研究区草地植被指数的时空变化特征,以及植被指数NDVI与地上生物量的相关关系,建立了MODIS NDVI在山地草甸草原、山地草原和山地荒漠草原上不同季节的生物量动态估测模型。结果表明：3种草地类型的最优动态估产模型分别是一元线性回归模型、二次曲线回归模型、幂函数曲线模型,估产精度分别达到83.06%、90.85%、88.06%。     

围栏封育对昭苏马场春秋草地地上植物量的影响

通过对昭苏马场春秋草地不同围栏封育年限草地地上植物量的研究,结果表明：草地地上植物量随着围栏封育年限的延长呈增加趋势,围栏封育5和6年草地地上植物量随季节的变化呈“S”型增长曲线,未围栏封育草地地上植物量累积变化呈双峰曲线;围栏封育5和6年与围栏封育1年和未围栏封育草地的禾草类和豆科草类间差异极显著（P〈0.01）,随着围栏封育年限的延长,杂类草所占比例下降,而优良禾草类比例明显升高,在群落中占据优势地位,不同围栏封育年限草地地上植物量的绝对生长率和相对生长率的季节变化相似,在植物营养生长初期率都较大,此后都呈下降趋势。     

放牧强度对草地牧草现存量及养分动态的影响

于2011-2012年在新疆昭苏军马场进行了新疆褐牛放牧试验, 研究了不放牧和轻度、中度及重度放牧强度下的草地群落现存量及牧草营养物质含量。结果显示, 年际间各放牧强度下牧草地上现存量均呈现逐年降低趋势, 同一年内随放牧时间的延长, 各放牧处理与不放牧间差异显著(P0.05);5种主要优势牧草亚洲百里香(Thymus asiaticus)、黄花苜蓿(Medicago falcata)、草原苔草(Carex liparocarpos)、针茅(Stipa capillata)和羊茅(Festuca ovina)及杂类草的粗蛋白含量随放牧时间的延长均呈现降低趋势, 但不同放牧强度间降低的幅度差别不大;干物质含量随放牧时间呈先降低后升高再降低的趋势, 波动幅度介于0.01%～2.00%;中性洗涤纤维与酸性洗涤纤维含量均随放牧时间的延长呈先升高后降低再升高的趋势。中度放牧条件下牧草地上现存量下降幅度及牧草养分变化波动较小, 有利于草地的可持续利用;不同放牧强度对草地地上现存量及牧草营养物质的影响, 远不及年度间气候变化的影响大。     

Long-Term Increasing Productivity of High-Elevation Grassland Caused by Elevated Precipitation and Temperature

It is important to understand how climate change and increased atmospheric nitrogen (N) deposition over the past decades have affected the productivity of different grassland types. High-elevation grasslands are sensitive to human activities and climate change, however little is reported about the effect of temperature, precipitation, and N deposition on productivity. For monitoring long-term changes in productivity, four ungrazed sites were established in 1984 in a high-elevation grassland of the Tianshan mountains in central Asia and grassland productivity was measured over ≈2−3 decades. In addition, a site with four N addition treatments was established in 2009. We conducted an 8-yr experiment in which nitrogen was added in the high-elevation grassland. These results show an aboveground net primary production (ANPP) increase in both spring and the peak growing season at ungrazed sites with increasing temperature and precipitation in the past 30 yr. ANPP of grasses and total grasses and forbs were strengthened by increased N deposition, especially when heavy snowfall was accompanied by higher spring and growing season temperatures. ANPP of total grasses and forbs was significantly correlated with snowfall. High-elevation grasslands are clearly susceptible to climate change and N deposition.     

祁连山北坡天然草地地上生物量及其与土壤水分关系的比较研究

祁连山北坡天然草地植被以高寒草原、山地草甸、山地草甸草原、山地草原和山地荒漠草原等类型为主,对这5种天然草地地上生物量观测结果显示,地上生物量在5类草地植物群落间差异显著(P＜0.05),其季节动态规律均表现为单峰型,在8月下旬达生物量峰值。5种草地类型地上生物量以山地草甸(100.24 g/m²)最高,其他依次为山地草甸草原(71.24 g/m²)、山地草原(70.20 g/m²)、高寒草原(52.40 g/m²)和山地荒漠草原(20.44 g/m²);用Logistic方程模拟的地上生物量增长曲线表明5类草地群落地上生物量均未达到其环境最大容纳量。不同草地类型地上生物量与降水量、土壤平均含水量的累加值均呈正相关关系。在各种类型草地中,不同土层含水量对地上生物量的影响均不同,根系主要分布层内的含水量与地上生物量显著相关(P＜0.05)。     

昭苏马场山前平地、丘陵草地类型地上生物量动态变化研究

通过对昭苏马场丘陵山地草原冬草场、春秋草场、河滩阶地草原春秋牧场、沟谷平地人工草地、前山带低山丘陵草甸草原冬草场进行定位观测研究,结果表明:草地年度内地上生物量变化随年度的季态变化而变化,而草地产量的增减变化幅度与草地的草群组合、利用状况及所处的位置有关。     

昭苏马场不同垂直带草地类型生物量的研究

以昭苏马场的不同草地类型为研究对象,分析了不同草地类型地下和地上生物量的变化。结果表明：地下生物量表现为总的“T”字形趋势下的锯齿状分布,主要分布在010 cm的草皮层中,而且不同的草地类型,其地下生物量也不同;各草地类型的地上生物量的变化不大,而地下生物量变化明显,但其总体变化趋势一致,均表现为亚高山草甸＞山前冲积扇草甸＞中山草甸＞丘陵草甸＞丘陵草原＞丘陵草甸草原＞河滩阶地草原。