基于神经网络的三江源区草地地上生物量估算

三江源区位于青藏高原腹地,作为长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地,是我国重要的水源涵养和生态功能保护区.为了及时准确地获取该区域草地生物量信息,根据三江源区高寒草甸、高寒草原采样点的地上生物量实测值,结合遥感植被指数、海拔、气象观测数据（光合有效辐射、年均气温、年降水量）构建BP神经网络模型,估算2001—2010年三江源区的草地地上生物量,并对其进行分县统计和年际变化分析.结果表明:① 通过多次反复的训练与测验得到的BP神经网络模型,对高寒草甸、高寒草原的地上生物量模拟值与实测值的R2分别为0.73、0.79,表明BP神经网络模型具有较好的模拟效果.② 2001—2010年三江源区草地地上生物量多年平均值为172.34 g/m2,其中高寒草甸为214.81 g/m2,高寒草原为130.07 g/m2.③ 三江源区草地地上生物量的空间分布具有明显的空间异质性,呈从东南向西北递减的趋势.其中,位于东部的河南县草地地上生物量最高,为413.46 g/m2;而北部的曲麻莱最低,仅为69.04 g/m2.④ 2001—2010年三江源区草地地上生物量呈缓慢波动上升趋势,平均升幅为0.93 g/（m2·a）.研究显示,利用站点地上生物量实测数据构建BP神经网络模型并对地上生物量进行模拟,对于分析区域尺度的草地地上生物量分布格局和变化趋势行之有效.      

三江源区草地生态系统质量及其动态变化

为探讨三江源区2000—2010年草地植被的时空演变特征,定量评价三江源区草地生态系统质量及其动态变化,采用植被覆盖度和NPP 2个生态参数,分析三江源区草地生态系统的时间变化特征和空间分布规律.结果表明:2000—2010年三江源区草地年均植被覆盖度为26.89%,年均NPP（以C计）为34.35 g/m2,11 a间二者均呈增加趋势.三江源区草地质量具有明显的季节性变化特征,呈南高北低、东高西低的空间分布格局.从11 a的平均结果来看,三江源区草地植被覆盖度在8月达到最大值,约为59.19%;而草地NPP在7月达到最大值,为98.53 g/m2.气温是三江源区草地植被覆盖度变化的主要影响因子,而雨热不同期则造成三江源区草地NPP的年际波动变化.植被覆盖变化是气候变化和人类活动共同作用的结果.研究显示,2000—2010年三江源区草地生态系统质量有所改善,特别是生态工程实施后,草地生态系统质量明显好转.三江源区需在促进农牧业产业升级和资源优化配置的基础上,继续采取积极的减压增效措施,真正实现草畜平衡,达到生态保护的目的.      

三江源区高寒草地地上生物量遥感反演模型研究

为了发展适用于三江源区高寒草地（包括高寒草甸和高寒草原）地上生物量（aboveground biomass,AGB）模拟的遥感反演模型,基于2006—2014年逐年7—8月三江源区高寒草地70个采样点地上生物量数据与同期MODIS-NDVI和MODIS-EVI数据,通过回归分析方法建立高寒草地地上生物量遥感反演模型,并利用长时间序列MODIS数据对2005—2014年三江源区高寒草地地上生物量的时空格局进行模拟分析.结果表明:基于EVI建立的乘幂模型对三江源区高寒草地地上生物量的拟合效果最好,其判定系数（R2）最大,达到0.654;均方根误差（RMSE_P）最小,仅为27.86 g/m2.根据三江源区70个采样点的地上生物量数据最终确立的估算模型为y=348.769x0.783（R2=0.655,P < 0.001）.估算模型模拟结果显示,2005—2014年三江源区高寒草地地上生物量空间特征基本一致,总体表现为从东南到西北逐渐减少的变化趋势,这与该区域的降水量、气温、海拔和植被类型等因素有关;2005—2014年三江源区高寒草地地上生物量平均值为169.25 t/a,最高值为2010年的178.36 t/a,最低值为2008年的162.80 t/a,年际变化趋势表现为2005—2008年逐年下降、2008—2014年则在波动中逐年有所上升.研究显示,三江源区高寒草地地上生物量遥感反演模型及其确定的模型参数可对该区域草地地上生物量进行有效评估.      

不同气候情景下甘肃草地碳收支时空模拟与预测

在碳达峰、碳中和的背景下,草地碳汇是实现碳中和的关键路径.基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）气候情景数据,运用Daycent模型对甘肃草地2015~2100年碳收支进行模拟,并利用趋势分析法研究未来78 a草地碳收支的时空变化规律.结果表明,SSP245未来气候情景下,净生态系统生产力（NEP）呈不显著波动下降趋势,速率（以C计,下同）达-0.20 g ·（m² ·a）^-1,且该情景下草地碳汇处于下降状态;SSP585未来气候情景下,草地NEP以1.36 g ·（m² ·a）^-1的速率呈显著波动上升趋势,草地碳汇逐渐增加;草地碳收支的空间分布由西北向东南递增;SSP585气候情景下的温度和降水的增幅高于SSP245的气候情景,且草地碳收支与降水量的变动具有一致性,与温度的变化呈反向关系.研究明确了在不同气候情景下甘肃草地的碳汇强度,对有效固碳有参考和促进作用.     

2000~2021年黄土高原生态分区NEP时空变化及其驱动因子

净生态系统生产力（NEP）是陆地生态系统碳源/汇定量评价的重要指标.以黄土高原地区及6个生态分区（黄土高塬沟壑区A1、A2副区,黄土丘陵沟壑区B1、B2副区、沙地和农灌区（C区）和土石山区及河谷平原区（D区））为研究对象,结合遥感、气象、地形和人类活动数据,采用相关性分析、多元回归残差分析和地理探测器等方法,估算区域NEP并分析其时空变化特征及气候、地形、人为因子对NEP时空变化的影响.结果表明,在时间尺度上,2000~2021年,黄土高原NEP多年平均值（以C计）为104.62 g·（m²·a）^-1.黄土高原及各生态分区NEP均呈增长趋势,其中,黄土高塬沟壑区A2副区NEP年均增长率最大,为9.04 g·（m²·a）^-1;沙地和农灌区NEP年均增长率最小,为2.74 g·（m²·a）^-1.除沙地和农灌区为弱碳源外,其余各生态分区均表现为碳汇.在空间尺度上,黄土高原年均NEP呈现东南高西北低的分布格局,碳汇高值主要分布在黄土高塬沟壑区南部,碳源区主要分布在黄土高塬沟壑区北部、沙地和农灌区的大部;NEP的空间变化有显著差异,高增幅主要分布在A2副区中南部以及B2副区的西南部.黄土高原及各生态分区NEP时间变化受人为因素影响最大,人类活动数据与NEP的相关系数均大于0.80,且人为因素对NEP的贡献率均在50%以上;NEP的空间变化受气象因子的影响较大,降水、太阳辐射是影响空间变化的主导因子.总之,黄土高原NEP的时空变化受自然因素和人类社会因素共同影响.研究结果可为黄土高原陆地生态系统减排增汇及实现双碳目标提供参考.     

三江源区生态系统状况变化及其成因

三江源区是黄河、长江和澜沧江的发源地.为研究三江源区生态系统状况变化及其可能成因,利用InVEST（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）、CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）、RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）和RWSQ（Revised Wind Erosion Equation）模型模拟,结合实地观测数据,系统全面地评估2000年以来三江源区生态系统构成、质量和服务功能变化,并揭示其成因.结果表明:① 2000—2010年三江源区生态系统结构基本稳定.草地退化状况轻微好转,产草量和生产力微弱增加.植被生长季水热条件的改善是促使产草量增加和草地退化态势趋缓的重要原因,同时生态工程的实施也发挥了积极作用.② 2005—2010年局部重点生态工程区的水土流失状况轻微好转,但区域整体好转趋势不明显.土壤中w（有机质）明显增加,但对于土壤保持功能起到关键作用的植被根系层的恢复却比较缓慢,降雨侵蚀力的增强加速了土壤侵蚀过程,生态系统的土壤保持功能基本上没有提高.③ 2000—2013年地表水、地下水资源量和土壤湿度均呈明显增加趋势,水质稳定在GB 3838—2002《地表水环境质量标准》划定的Ⅰ~Ⅱ类.降水量和冰川/积雪融水量增加导致径流量增大,气候变暖引起的冻土退化导致地下水库枯水季径流调节作用增强.④ 生态工程实施后,生物栖息地的生境退化状况轻微改善,野生动物的分布范围和种群数量都有了较为明显的增加.      

2000—2020年我国西南地区植被NEP时空变化及其驱动因素的相对贡献

西南地区作为我国重要的生态安全屏障,探究其植被净生态系统生产力(net ecosystem productivity,NEP)的时空演变规律对该地区乃至我国的可持续发展都具有重要意义.基于MODIS数据、气象数据、DEM数据和土地利用数据等,首先,利用改进的Carnegie Ames Stanford Approach (CASA)模型和土壤微生物呼吸方程,估算2000—2020年我国西南地区植被NEP;其次,结合Theil-Sen Median趋势分析、偏相关分析和复相关分析等方法,研究西南地区植被NEP时空变化及其对气候变化和土地利用变化的响应机制;最后,利用基于情境分析的相对贡献分析法,定量评估气候变化和土地利用变化对西南地区植被NEP变化的相对贡献.结果表明：时间上,2000—2020年我国西南地区及其五省份(云南省、贵州省、四川省、重庆市和西藏自治区)生态系统植被NEP均表现为上升趋势,其中,西南地区植被NEP上升速率为4.74 g/(m2·a).空间上,西南地区及其五省份植被NEP呈上升趋势的面积均大于呈下降趋势的面积,其中,西南地区植被NEP呈极显著上升的面积占45.41...     

散射辐射对青藏高原高寒草地总初级生产力模拟的影响

太阳辐射的散射组分能够增强植被冠层LUE（light use efficiency,光能利用率）,因此需要在生产力模型中显式地加入散射辐射的影响,从而更准确地模拟植被冠层光合作用.以青藏高原高寒草地为研究对象,改进光能利用率模型,增加散射辐射模块,利用站点通量观测数据估计模型关键参数;结合区域尺度气象数据和遥感数据,模拟了2003—2008年青藏高原高寒草地区域尺度GPP（gross primary production,总初级生产力）,并量化了GPP模拟的不确定性,进而通过分析模型改进前后GPP空间分布及其不确定性的差异量化了散射辐射的作用.结果表明:考虑散射辐射对LUE的影响后,模型参数优化效果明显提升,青藏高原高寒草地GPP的模拟效果得到提升;2003—2008年青藏高原高寒草地GPP模拟值呈现东南部较大,西北部较小的空间格局,与不考虑散射辐射的结果一致,但GPP平均值由312.3 g/（m2·a）增至341.7 g/（m2·a）,增幅约9.4%,说明不考虑散射辐射会低估青藏高原高寒草地GPP;GPP模拟值不确定性的空间分布与不考虑散射辐射的结果一致,但是平均不确定性大小有所降低,从9.15%降至8.66%.研究显示,若在青藏高原高寒草地的GPP模拟中不考虑散射辐射,虽不会影响其空间格局,但会低估GPP模拟值的大小,同时增加其不确定性.      

基于生态保护成本的三江源区生态补偿资金估算

为了量化生态保护成本作为生态补偿的理论最低标准,以三江源区为例,将生态保护成本作为生态补偿标准下限,从实际需求角度分析基于生态保护成本的生态补偿标准核算范围与指标体系,结合相关政策和调研资料,采用费用分析法对生态保护成本进行动态核算,以2010年为基准年,确定与量化2011—2030年三江源区16县1乡的生态补偿标准.结果表明:① 2011—2030年三江源区生态补偿标准下限为4 095.4×108元,其中,2010年为177.7×108元,2011—2020年为2 069.5×108元,2021—2030年为2 025.9×108元.② 按补偿资金的不同投入类别,生态保护与建设投入的补偿下限为1 728.6×108元,居民生产生活改善投入的补偿下限为1 250.4×108元,基本公共服务能力投入的补偿下限为1 116.4×108元.③ 2011—2030年,三江源区土地生态保护投入由12元/（hm2·a）增至180元/（hm2·a）,农牧民生产生活改善的投入由4 500元/人增至8 000元/人.生态补偿资金的差异主要源于草地退化严重程度、人口分布相对集中程度等方面,这将有助于缓解三江源区“人-草-畜”这一核心矛盾,同时有助于推进三江源区生态补偿机制的建立.      

山西南部中条山生态系统碳储量时空分布及驱动因素

为探究陆地生态系统碳储量特征对促进区域低碳建设、实现区域“碳达峰、碳中和”的作用.本文运用InVEST模型的碳储量模块估算了2000～2020年中条山生态系统碳储量,并通过净生态系统生产力(NEP)对其结果进行修正,最后利用地理探测器分析碳储量空间分异的驱动因素.结果表明:2000～2020年中条山修正后碳储量总体呈增加趋势,累计增加了2.296×10⁶t,碳储量高值区主要分布于东部、中部和西北部,低值区分布于西南部及中部小部分区域.2000～2020年中条山陆地生态系统碳汇总量呈增加趋势,区域年均单位NEP为0.060kgC/(m²·a),碳汇区主要分布在东部,碳源区分布在中部及西北部.碳储量空间分异主要受年均NDVI、人类活动强度和年均潜在蒸散发的影响,其次是年均气温、年均人口和高程.不同因子的交互作用对碳储量的影响呈双因子增强和非线性增强,表明碳储量空间分异是由自然因素和人为因素共同作用的结果.中条山在生态环境保护和区域低碳建设中,应综合考虑不同影响因素的特点,采取差异化的生态调控模式和策略,提高生态系统的稳定性,增强碳储存能力.     

西辽河流域不同土地利用结构硝酸盐氮输出通量模拟

采用土槽模型渗流试验方法,结合土地利用结构现场调查资料研究了西辽河流域不同土地利用结构耕层土壤NO3--N淋溶输出通量的时空变化规律.结果表明,不同土地利用结构NO3--N淋溶输出通量的空间分布规律为农田〔50.23kg/(hm2.a)〕>沙荒地〔12.77kg/(hm2.a)〕>林地〔8.68 kg/(hm2.a)〕>草地〔4.17 kg/(hm2.a)〕,农田和沙荒地对NO3--N输出起源作用,林地和草地起汇作用;西辽河流域沙土区耕层土壤NO3--N输出总量为13.86×104 t/a,不同土地利用结构的NO3--N输出比例为农田(95.31%)>沙荒地(4.69%),农田是西辽河流域氮素营养管理的重点结构;NO3--N输出量夏季(65%)>秋季(25%)>春季(8%)>冬季(2%),夏季是流域氮素营养管理的重点时段;NO3--N淋溶输出通量与土壤硝态氮含量呈极显著正相关.      

基于草地畜牧业生产的三江源地区承载力多情景模拟分析

三江源地区是我国生态安全的重要屏障,同时也是我国最主要的畜牧业生产基地之一,在保证草地资源可持续利用前提下,探究合理的人口容量对该区的生态保护建设和可持续发展具有重要意义。通过模型模拟草地理论载畜量以估算畜牧业产值,设定三种居民生活水平情景,模拟不同情景不同时期下的适度人口容量,分析人口承载力的空间差异性。结果表明：“十五”期间,三种情景下全区人口承载力呈富余状态;“十一五”和“十二五”期间在当前居民和小康水平情景的人口容量尚有结余;到“十三五”期间,三种情景下人口承载力总体均超载,但空间分布不同,在当前居民、小康和富裕生活水平情景下,分别有11个、8个和2个县的人口容量尚有结余,人口承载力超载地区主要分布于三江源地区东部。应根据现有资源分布和符合主体功能要求的方向进行调整和优化人口结构,将对该地区可持续发展战略具有重要意义。     

藏北高原自然资源的利用与保护

藏北高原面积约60万km²,海拔在4500m以上,为青藏高原的主体。其气候寒冷干燥,人迹稀少,以高寒草原为主的生态系统基本保存完好,其天然草地辽阔,各类可利用草地面积占土地总面积53％,为西藏最大牧区,适宜发展地毯毛羊--藏绵羊。这里栖居着许多青藏高原特有的国家一、二类保护动物及有一定经济价值动物资源。高原上湖泊众多,湖泊面积占全国湖泊总面积的1/4以上。其中许多盐湖盛产有工业开采价值的食盐、天然碱及硼、锂、钾等重要稀有元素,为我国主要矿盐产地和远景开发区。目前因草地生态脆弱和利用不当,已有4％草地退化,沙地面积扩大,野生动物栖居范围也趋缩小;少数盐矿产地环境有所污染,盐湖资源浪费较大。所以适度利用天然草地、保护野生动物和综合开发盐湖资源,防止自然生态环境的恶化乃是开发藏北高原生物矿产资源的重要战略措施。     

南京典型水体春季温室气体排放特征研究

利用静态箱-气相色谱法对南京4条河流(内秦淮河、外秦淮河、金川河、团结河)和1座水库(丁解水库)的春季水-气界面CO2、CH4、N2O 3种温室气体通量进行包括昼夜变化的持续观测,对其变化趋势及影响因素加以分析.结果表明,春季团结河CO2和CH4的排放量最大,分别为1023.34,89.45mg/(m2·h),金川河两种气体排放量次之,内、外秦淮河CO2排放量相当,而内秦淮CH4的排放量比外秦淮小1个量级.丁解水库该2种温室气体排放量最小.金川河N2O的排放量最高,为151.31μg/(m2·h),团结河N2O排放量次之[111.74μg/(m2·h)],其他2条河流和丁解水库N2O的排放量均在一个量级上(101).水-气界面温室气体的排放受温度、压力、风速等环境因子影响.温室气体的昼夜变化分析结果表明,除了金川河N2O的排放趋势为昼间排放、夜间吸收外,其余河流及丁解水库均为温室气体的排放源.内秦淮和丁解水库的排放趋势受人为因素影响较大,外秦淮河的排放趋势主要受水位的高低变化影响,团结河的排放量受风速和温度的共同影响.金川河主要受微生物活性影响3种温室气体均呈明显的昼夜变化.5种水体在春季是大气3种温室气体的主要排放源.     

三江源植被保持土壤能力的时空变化

为深入了解三江源区植被保持土壤的能力,以RS和GIS为技术支撑,在对三江源区植被覆盖度动态变化特征分析的基础上,利用SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》推荐的中国土壤侵蚀模型CSLE(Chinese soil loss equation)估算了2000—2010年三江源区植被的土壤保持能力,并分析其时空动态变化特征. 结果表明:①2000—2010年三江源区年均植被覆盖度为43%~50%;植被平均土壤保持量为849~955 t/km2,并且空间差异很大,总体上呈自西北向东南增加的空间分布格局. ②2000—2010年植被的土壤保持能力呈逐渐增加趋势,其中2000—2005年各流域的土壤保持能力平均增加了约29 t/km2,并以大夏河与洮河流域土壤保持能力的增幅(约700 t/km2)最大,其次为玛曲至龙羊峡(约300 t/km2),羌塘高原区植被的土壤保持能力增幅(仅2.08 t/km2)最小;2005—2010年各流域的土壤保持能力呈现轻微增长,平均增加了约9 t/km2,其中增幅较大的是柴达木盆地东和直门达至石鼓流域(约16 t/km2),增幅最小的是羌塘高原区(仅3.90 t/km2). ③三江源植被土壤保持能力随植被覆盖度的增加呈非线性增长,可通过指数或幂函数形式表达. 研究显示,增加植被覆盖度有助于提高三江源区的土壤保持能力、控制区域土壤侵蚀.