Modeling Carbon and Water Budgets in the Lushi Basin with Biome-BGC

Abstract

In this article, annual evapotranspiration (ET) and net primary productivity (NPP) of four types of vegetation were estimated for the Lushi basin, a subbasin of the Yellow River in China. These four vegetation types include: deciduous broadleaf forest, evergreen needle leaf forest, dwarf shrub and grass. Biome-BGC—a biogeochemical process model was used to calculate annual ET and NPP for each vegetation type in the study area from 1954 to 2000. Daily microclimate data of 47 years monitored by Lushi meteorological station was extrapolated to cover the basin using MT-CLIM, a mountain microclimate simulator. The output files of MT-CLIM were used to feed Biome-BGC. We used average ecophysiological values of each type of vegetation supplied by Numerical Terradynamic Simulation Group (NTSG) in the University of Montana as input ecophysiological constants file. The estimates of daily NPP in early July and annual ET on these four biome groups were compared respectively with field measurements and other studies. Daily gross primary production (GPP) of evergreen needle leaf forest measurements were very close to the output of Biome-BGC, but measurements of broadleaf forest and dwarf shrub were much smaller than the simulation result. Simulated annual ET and NPP had a significant correlation with precipitation, indicating precipitation is the major environmental factor affecting ET and NPP in the study area. Precipitation also is the key climatic factor for the interannual ET and NPP variations.     

基于遥感的2000~2009年鄱阳湖流域蒸散特征及影响因子研究

蒸散是水循环过程重要的分量,分析鄱阳湖流域蒸散的时空格局及影响因子作用对流域水资源合理利用和提升流域生态服务功能具有重要意义。以MODIS产品数据为主要数据源,应用地面温度 植被指数三角关系法反演了鄱阳湖流域2000~2009年的实际蒸散量,分析了流域蒸散的时空分布特征及主要气象因子对流域蒸散的影响。结果表明：（1）鄱阳湖流域蒸散具有很强的空间异质性,蒸散较大的区域位于湖区水域和流域森林分布区域,而湖区周围和流域中部的农田和草地蒸散相对较小。2000~2009年流域年均蒸散量为795 mm。2003、2004、2007和2009年的枯水年份,蒸散值较高,变化范围为802~890 mm;（2） 鄱阳湖流域各子流域年蒸散量为666~1 031 mm,其中饶河和修水流域蒸散量高于其他流域,这是由于这两个子流域林地所占比例较高（大于70%）。流域蒸散占降水的比例为04~07,从年尺度上整个流域仍表现为水分盈余,但年内分配不均;（3） 流域蒸散与辐射和气温呈显著正相关关系（P＜001）,而蒸散年内分布格局则与降水格局有关,表现为月降水距平越小,月蒸散量越大。在枯水年份,降水格局对蒸散的影响尤为显著     

长江上游植被净初级生产力年际变化规律及其对气候的响应

在GIS系统支持下,利用遥感和气象资料,构建了基于光能利用率的植被净初级生产力（NPP）模型,估算了1981~2000年长江上游地区植被年NPP分布。分析了不同植被类型NPP的年际变化规律,基于像元空间尺度讨论了植被NPP对气候的响应关系。结果表明：除农作物外,各植被类型NPP均呈增长趋势,其中针叶林增幅最大。NPP出现较明显变化地区可能主要与人为因素作用有关。长江上游年降水量和年均温分布均与年NPP分布相似,从西北向东南逐步递增趋势。长江上游NPP与降水和均温的年际相关性整体不强。呈强正相关性（相关系数大于0.2）的区域,其面积均占据了总面积的近一半,其分布呈现互补关系。呈强负相关性（相关系数小于-0.2）的区域面积较小。随地理位置的不同,气候因子（降水、气温）对NPP的年际变化的驱动作用（强度、方向）不同.     

2000～2015年江汉平原区域植被NPP时空特征及其对气候变化的响应

植被NPP对气候变化的响应是全球变化与陆地生态系统碳循环研究的重要核心内容之一。利用CASA模型估算了2000~2015年江汉平原植被NPP,并利用线性回归与逐像元相关性分析方法定量研究了江汉平原植被NPP的时空变化特征及其与气候因素的相关性。结果表明：（1）16年来江汉平原植被NPP的年总量在25.43~29.76 TgC之间,呈波动增加趋势;（2）江汉平原NPP的空间分布格局具有明显的不均匀特征,形成一系列的高值中心和低值中心,符合“丘陵-平原-河流-城市”的衰减趋势;（3）江汉平原NPP与年降水量、年均温的相关系数分别为0.183 7和0.498 5;经显著性检验可知,江汉平原NPP的产量与年降水量相关性较弱,而与年均温则呈较强的正相关关系;（4）植被NPP与年降水量、年均温呈正相关的像元面积分别占总面积的69.19%和83.41%,主要分布在江汉平原腹部的农耕区域,说明江汉平原农耕区NPP的产量对年降水量与年均温的依赖性较强。     

Runoff variation affected by precipitation change and human activity in Hailiutu River basin,China

For recent years,runoff generation and hydrological processes in Hailiutu River basin have been greatly changed by climate change and human activity,especially water and soil conservation construction.In this study,the trends in precipitation,evapotranspiration(ET)and river runoff as well as the effects of precipitation change and human activity on runoff variation have been studied.The results showed that during 1960-2000,annual precipitation and river runoff,monthly precipitation and ET in September and October as well as monthly runoff in all months showed a significant decrease.In addition,peak flow and base flow had a large decrease.Under the joint influence of precipitation change and human activity,the mean annual runoff decreased by 35 million m3 from the baseline period(1960-1985)to the change period(1986-2000),which accounted for 60.9%and 39.1%of the total runoff decrease,respectively.Precipitation change played a primary role in the decrease of annual runoff whereas human activity,particularly water and soil conservation construction,also had remarkable impacts on runoff variation.     

Runoff variation affected by precipitation change and human activity in Hailiutu River basin,China

For recent years, runoff generation and hydrological processes in Hailiutu River basin have been greatly changed by climate change and human activity, especially water and soil conservation construction. In this study, the trends in precipitation, evapotranspiration (ET) and river runoff as well as the effects of precipitation change and human activity on runoff variation have been studied. The results showed that during 1960–2000, annual precipitation and river runoff, monthly precipitation and ET in September and October as well as monthly runoff in all months showed a significant decrease. In addition, peak flow and base flow had a large decrease. Under the joint influence of precipitation change and human activity, the mean annual runoff decreased by 35 million m³ from the baseline period (1960–1985) to the change period (1986–2000), which accounted for 60.9% and 39.1% of the total runoff decrease, respectively. Precipitation change played a primary role in the decrease of annual runoff whereas human activity, particularly water and soil conservation construction, also had remarkable impacts on runoff variation.     

Analyzing the carbon dynamics of central European forests: comparison of Biome-BGC simulations with measurements

Biogeochemical models are often used for making projections of future carbon dynamics under scenarios of global change. The aim of this study was to assess the accuracy of the process-based biogeochemical model Biome-BGC for application in central European forests from the lowlands to upper treeline as a pre-requisite for environmental impact assessments. We analyzed model behavior along an altitudinal gradient across the alpine treeline, which provided insights on the sensitivity of simulated average carbon pools to changes in environmental factors. A second set of tests included medium-term (30 years) simulations of carbon fluxes, and a third set of tests focused on daily carbon and water fluxes. Model results were compared to aboveground biomass measurements, leaf area index recordings as well as net ecosystem exchange (NEE) and actual evapotranspiration (AET) measurements. The simulated medium-term forest growth agreed well with measured data. Also daily NEE fluxes were simulated adequately in most cases. Problems were detected when simulating ecosystems close to the upper timberline (overestimation of measured growth and pool sizes), and when simulating daily AET fluxes (overestimation of measured fluxes). The results showed that future applications of Biome-BGC could benefit much from an improvement of model algorithms (e.g., the Q₁₀ model for respiration) as well as from a detailed analysis of the ecological significance of crucial parameters (e.g., the canopy water interception coefficient).     

Effect of fires on the functioning of phytocenoses of peat bogs in the Middle-Amur lowland

The dynamics and structure of the phytomass and production of an undisturbed mesotrophic dwarf shrub–sphagnum phytocenosis and one burned by fire have been compared. The net primary production (NPP) of both sites of phytocenoses in the postpyrogenic period is estimated by direct field determination of the productivity parameters, and C emission from the fire is assessed. The obtained data on emission (0.7 kg/m²) differ from the results obtained in the peatlands of western Canada (3.2 kg/m²).     

2000~2013年鄱阳湖流域蒸散量时空变化

蒸散是陆地表面水分循环的重要过程,是研究流域水资源、水循环等领域的重要参数。以鄱阳湖流域为研究对象,利用鄱阳湖流域5个主要子流域水文控制站监测流量资料和气象站监测降水资料,根据水量平衡原理计算各子流域年度蒸散,验证MODIS蒸散数据产品（ET_MOD）,并分析2000~2013年鄱阳湖流域蒸散时空变化状况和土地利用变化对蒸散量的影响。研究结果表明：（1）ET_MOD具有较高的精度,年蒸散量的平均误差为165.9 mm,平均相对误差为9.78%;（2）2000~2013年鄱阳湖流域的年蒸散变化范围875.4~912.2 mm;鄱阳湖流域总蒸散量呈先增加后减少的“几”字形季节变化特征;（3）从蒸散量与地形特征的关系看,鄱阳湖平原区蒸散量低,周边的山地丘陵区较高;各子流域的蒸散量表现为：赣江流域 > 抚河流域 > 信江流域 > 修水流域 > 饶河流域;（4）土地利用方式对蒸散量有显著的影响,各土地利用类型的平均蒸散量表现为：林地 > 农田 > 草地 > 未利用地。     

赤水河流域土地利用结构对氮素输出的影响

以赤水河流域为研究对象,根据Landsat8 OLI卫星影像获取流域土地利用现状,利用ArcGIS的水文、空间分析模块提取22个子流域,分析子流域不同形态氮(TN、NO_3~--N、NH_4~+-N)的输出特征及其与土地利用结构之间的关系。结果表明:赤水河各子流域TN、NO_3~--N、NH_4~+-N浓度范围分别为1. 27～4. 13、1. 14～3. 97、0. 01～0. 35 mg/L。TN和NO_3~--N与流域内耕地、灌草的相关系数分别为0. 663 (p 0. 01)、0. 538 (p 0. 05)和0. 631(p0. 01)、0. 530(p0. 05),TN、NO_3~--N、NH_4~+-N与流域内耕地、灌草浓度表现为显著正相关,流域内耕地、灌草对TN、NO_3~--N输出均表现为显著的"氮源"作用。NH_4~+-N的相关系数为-0. 558(p 0. 01),耕地对NH_4~+-N输出起显著"氮汇"作用。TN、 NO_3~--N与林地的相关系数为-0. 673 (p 0. 01)、-0. 652(p0. 01),林地对TN、NO_3~--N输出起到了显著的"氮汇"作用。NH_4~+-N与林地的相关系数为0. 435(p0. 05),林地对NH_4~+-N的输出起"氮源"作用。各子流域的分析结果表明,流域受土地利用结构带来的面源污染影响显著。     

流域植被水文效应的动态模拟

为了揭示森林植被水文效应的动态变化过程,将简化的简单生物圈模型与动态植被模型和流域地形指数水文模型相耦合进行长江上游梭磨河流域植被及其水文效应的动态模拟。结果表明：植被覆盖和叶面积指数的增加使植被蒸腾和冠层截留蒸发增加而使土壤蒸发减小,植被的水文效应取决于蒸发分量中这两个相反方向变化的净效应。流域主要由草地和灌木覆盖时流域总蒸发大于裸地和林地。与裸地相比较,当单位叶面积指数截留能力取值0.1 mm时,森林减小了流域总蒸发,但当单位叶面积指数截留能力取值0.2 mm时,森林增加了流域总蒸发。森林的水文效应对冠层截留能力敏感,冠层截留能力存在一个控制森林水文效应从减小总蒸发变为增加总蒸发的转折点。植被的水文效应是随时间变化的,对于给定的植被类型其叶面积指数是决定其水文效应的关键因子。     

鄱阳湖流域叶面积指数时空变化特征及其与气候因子的关系

利用1982~2001年NOAA/AVHRR NDVI数据,根据简单生物模型SiB2的方法计算鄱阳湖流域叶面积指数LAI,分析不同植被类型LAI年内和年际变化及其与降水、气温的关系。结果显示：在年内,LAI从1月开始减小,至3月降到最小,之后开始迅速增大,7月达到最大值,然后又开始减小;各植被覆盖类型LAI与前3月降水和前1月平均气温相关性较强,并且全部通过95％的显著性检验。在年际上,各植被覆盖类型LAI在20 a间无明显整体增大或减小趋势,但每隔2~3 a呈锯齿状增大减小交替变化,其中常绿针叶林LAI变幅较大,在23~35之间,而林地草原LAI变化较平缓,在05~09之间;植被LAI年际变化受流域内5~7月降水年际变化的影响较大。在空间上,植被LAI在春、冬季整体较小,空间分布差异也较小,仅在流域边缘山区林地覆盖区稍大,其余大片区域LAI值很低,且分布比较均一;夏、秋季LAI较大,空间分布差异也较大,其空间分布主要与流域内土地覆盖类型有关     

青藏高原NPP时空演变格局及其驱动机制分析

青藏高原植被生态系统对全球变化的响应较为敏感。该研究引入重心模型等方法分析和探讨了2000～2015年青藏高原NPP时空变化格局及其驱动机理,并定量区分了NPP变化过程中气候变化和人类活动的相对作用。结果发现:(1)2000～2015年,青藏高原NPP年均值总体上呈现从东南向西北递减的趋势。在年际变化方面,近16年青藏高原不同生态子区的NPP均呈现不同程度的增加趋势。(2)近16年青藏高原NPP重心总体向西南方向移动,表明西南部NPP在增量和增速上大于东北部。(3)NPP与降水显著相关的区域主要位于青藏高原中部、青藏高原东南部及雅鲁藏布江流域中下游,而NPP与气温显著相关的区域主要位于藏南地区、横断山区北部、青藏高原中部和北部。(4)气候变化和人类活动在青藏高原NPP变化过程中的相对作用存在显著的时空差异性,在空间上呈现"四线-五区"的格局。研究成果可为揭示青藏高原区域生态系统对全球变化的响应机制提供理论和方法支撑。     

Mechanisms Providing for Species Coexistence in the Herb-Dwarf Shrub Layer of a Southern Taiga Birch Forest

Individual species coexisting in the herb-dwarf shrub layer of a mature southern taiga birch forest were studied with respect to their limitation by different environmental resources and differences in the time or localization of the intensive utilization of deficient resources. The results made it possible to estimate the significance of different mechanisms of species coexistence in multispecific communities for herbaceous and dwarf shrub species of the forest phytocenosis studied.     

基于MODIS数据的安徽省植被水分利用效率时空变化及影响因素

水分利用效率是衡量生态系统碳水循环耦合程度的重要指标。基于MODIS数据、土地覆盖类型数据和气象数据,估算安徽省植被水分利用效率(WUE）,采用趋势分析法和相关分析法对安徽省2000~2014年植被WUE的时空格局、变化趋势及影响因素进行研究。研究表明:（1）不同植被类型的WUE年均值差异明显,常绿阔叶林和常绿针叶林的WUE均值较高,分别达到1.66和1.69 gC?mm-1?m-2,而耕地的年均WUE最低,各植被类型的年均WUE按照“常绿针叶林>常绿阔叶林>灌木>草地>落叶阔叶林>针阔混交林>耕地”的顺序递减。植被年均WUE具有较强的空间分异性规律,整体上呈现南北高中间低的趋势,植被WUE的高值区主要分布在大别山区和皖南山区,分布范围与常绿针叶林、常绿阔叶林的分布范围基本一致。（2）安徽省2000~2014年植被WUE年内变化呈现出“增加-减小-增加-减小”的M状“双峰型”趋势,具有明显的季节差异,呈现出春季＞秋季＞夏季＞冬季的特征,各季节植被WUE的均值分别占植被WUE的32.58%、24.91%、29.27%、13.24%。（3）安徽省植被WUE动态变化受到降水影响显著的区域占比3.88%;气温显著影响的区域占比2.19%;降水显著影响的地区主要分布在林地范围内,温度显著影响的地区则位于耕地范围内,降水和气温综合显著影响所占面积最小,为0.11%;而植被WUE受气温和降水影响均不显著占比为93.82%;整体上,安徽省大部分地区的植被WUE变化主要受非气候因素影响。     

长江流域不同类型降水量的非均匀性分布特征

基于长江流域1963~2016年131个气象站点逐日降水资料,计算了年降水、强降水（极端降水和暴雨）的集中度（PCD）、集中期（PCP）,并结合M-K非参数性趋势检验分析以及相关分析等方法对长江流域降水非均匀性分布特征及其趋势进行了分析,目的在于揭示不同类型降水量在流域内非均匀性分布的特征,加强对强降水在时空分布上的理解。结果表明：流域多年平均年内日降水量集中度（PCDDP）、集中期（PCPDP）均由下游向上游递增,PCDDP变化趋势不显著而PCPDP变化趋势在空间上差异明显,在流域中下游呈增长趋势、上游呈减小趋势;年降水量与PCDDP呈显著正相关的地区主要分布在四川盆地;流域年极端降水量PCDEP、PCPEP的多年平均分布及变化趋势与PCDDP、PCPDP相似。流域多年平均暴雨量（日降水≥50 mm）从下游向上游递减,在四川盆地较四周高,暴雨在流域东部呈增长趋势,在四川盆地呈减小趋势;年暴雨量集中度（PCDRP）、集中期（PCPRP）从流域东南向西北递减,在湖北、贵州以及四川东部PCDRP呈增加趋势,在流域东南部呈减小趋势;PCPRP在江浙、安徽、湖南及贵州地区呈不明显的增加趋势,在四川、云南等地呈减少趋势。     

1996～2015年云贵川草地生态系统生产力的时空格局

云贵川草地是中国草地的重要组成部分,在我国生态文明建设和响应全球气候变化中具有重要的地位,分析其净初级生产力（NPP）变化格局具有重要意义。利用研究区的AVHRR、MODIS遥感影像等数据及周边地区的气象资料,结合改进的CASA模型,对云贵川地区草地1996～2015年20 a间的NPP及草地植被相关生态特征进行估算,并对其时空特征及影响因素进行分析。结果表明：（1）20 a间云贵川草地NDVI值变化规律性明显,97.18%的草地面积年平均NDVImax呈现增加趋势。（2）20 a间云贵川草地NPP总体上呈现出“西北低、西南高、东部居中”的空间格局,年均NPP值为420.85 gC·m-2。 （3）时间格局上,20 a间整个云贵川区域逐年平均NPP值虽然有一定的波动性,但仍以7.2322 gC·m-2·a-1的速率在增加。20 a间夏季NPP平均值最高,为160.25 gC·m-2;春季次之,NPP平均值为 109.10 gC·m-2;秋季与春季相比,NPP值稍低,为106.10 gC·m-2;冬季最低,为54.03 gC·m-2。     

近40年气候变化对江西自然植被净第一性生产力的影响

根据全球气候变化的趋势,采用植被净第一性生产力模型,对江西省南昌、吉安、赣州3地近40年气候变化对自然植被净第一性生产力（NPP）的影响进行研究,并模拟了3地自然植被NPP在未来气候3种水热条件下的变化趋势。此外还以1980年江西全省自然植被NPP为例分析了自然植被NPP的区域分布特征,结果表明：3地近40年自然植被NPP平均值分别为1319 、1311和1320 t/hm2〖DK1〗·a,总体上都呈上升的趋势。 当年均气温增加2℃且降水量增加20%时,NPP值增加了149%~1585%;随着年均气温增加2℃且降水量减少20%,NPP减少了477%~516%;当年均气温增加2℃且降水量不变时,NPP增加了530%~569%。江西自然植被NPP区域分布特征由东、南、西3个方向向北呈放射状分布,随着地形由高山向丘陵、平原的方向变化而减小。     

淮河流域降水量年内分配变化规律分析

年降水的时间分配对水资源利用有很大影响,降水的分配不均匀更是季风气候区旱涝灾害的主要原因。利用河南省气候中心和国家气象信息中心提供的1961～2005年淮河流域84个气象站资料,对淮河流域降水的年内分配不均匀性、降水集中度和集中期及其变化幅度进行分析,揭示了该地区的降水变化规律,从而为研究这一区域的旱涝灾害规律和水资源利用提供帮助。研究结果表明：①淮河流域降水的年内分配具有明显的不均匀性,北部地区的降水不均匀性和集中度更明显,北部地区的降水相对较少,因而进一步加重了北部的干旱。②降水分配的不均匀性存在明显的年际变化,上游大于下游,南北表现的变化趋势不一致,变化幅度不同;③淮河流域年内降水集中期,从南向北逐步推后,从豫南到黄河以南需要20 d左右,降水集中期与主汛期时间一致;④降水集中期年际变化南部比北部大,表明淮北的汛雨期比较稳定,而淮河流域南部汛雨期出现时间变化比较大;⑤淮河流域大部地区的气候旱涝与降水集中度有明显相关.     

亚热带山地常绿落叶阔叶混交林物种幼苗功能性状差异研究

以湖南八大公山25 hm~2常绿落叶阔叶混交林动态监测样地中24个常见物种为研究对象,按照不同生长阶段(H_1:5≤H20 cm、H_2:20≤H40 cm、H_3:40≤H80 cm、H_4:80≤H130 cm、H_5:H≥130 cm且DBH1 cm)获取了826株幼苗并测量了叶片和茎干功能性状,分析了不同生长阶段、冠层和叶片习性幼苗功能性状变异,以及不同功能性状对幼苗存活的影响。结果表明:(1)幼苗功能性状在不同生长阶段差异显著,随着幼苗生长,比叶面积(SLA)、叶片碳氮比(C/N)呈现下降趋势,比茎密度(SSD)、叶柄长度(PL)、叶片氮磷比(N/P)和叶绿素含量(Chl)呈现升高趋势;(2)SLA在灌木层、亚乔木层和乔木层间无明显变化,叶片厚度(LT)、Chl和N/P在3个冠层间变化显著,SSD和PL均在灌木层和乔木层间无明显变化,C/N在灌木层和亚乔木层间无明显差异;(3)常绿树种幼苗具有较高的Chl和LT,落叶树种幼苗具有较高的SLA、叶片氮含量(LNC)、叶片磷含量(LPC)和PL;(4)个体大小对幼苗存活具有显著正效应,LPC促进落叶树种幼苗存活,抑制常绿树种幼苗存活。在植物生活史早期,不同功能群植物针对林下低光环境采取了不同生长适应策略,不同生长阶段幼苗也根据光环境的改变调整自身功能性状。另外,八大公山常绿落叶阔叶混交林中幼苗的生长主要受氮素限制,且这种限制作用随着幼苗生长逐渐减弱。