区域及全球尺度的NPP过程模型和NPP对全球变化的响应

植被净第一性生产力（NPP）不仅是表征植被活动和生态过程的关键参数,而且是判定生态系统碳汇和反映生态系统对全球变化响应的主要因子。当前,模型模拟成为大尺度NPP研究的主要手段,而在众多NPP估算模型中,过程模型逐渐趋于主导地位。虽然目前有关NPP的研究有很多,但还没有关注于大尺度上应用的过程模型及其模拟的NPP对全球变化的响应。因此本文主要侧重于 NPP 过程模型在区域及全球尺度上的应用,具体包含以下内容,①进一步将区域及全球尺度的NPP过程模型分为静态植被模型和动态植被模型。②阐明这些模型间存在的区别与联系。③归纳出NPP过程模型在区域及全球尺度上应用的3大挑战：时空尺度转换、多源数据的获取与融合以及模型模拟结果的验证与评价,并根据其解决方案总结出通用的模型应用框架。④从气候变化、大气成分变化和土地利用/土地覆盖变化3个方面探讨NPP对全球变化的响应机制,以期找到NPP变化的规律与模式。最后根据NPP模型的发展对未来区域及全球尺度的NPP过程模型进行展望,认为未来模型的综合性将更高,机理性也将更强,同时与全球变化研究结合得更加紧密,且基于多个已有模型的混合模型也是未来NPP模型发展的一个重要方向。此外,本文认为对NPP模拟结果的尺度效应研究也是未来NPP研究的热点之一。     

NPP列入生态统计指标体系的潜力分析——以北京地区NPP测算与空间分析为例

通过梳理目前自然资源和生态环境统计指标(简称生态统计指标)定义和使用情况,发现同内统计指标体系的内容框架有待扩展,指标体系哌待标准化.NPP是衡量生态系统对环境气候响应的重要研究指标,可以考虑作为国内生态统计指标体系的有益补充,因而在列入指标体系之前需要在数据来源和模型方面进行统一和验证.以目前最常使用的NPP光能利用率模型进行适用于研究地区的参数改进,利用RS、GIS技术手段,综合MODIS遥感数据、气象数据(每日降水量、每日气温、日照时间)、一些辅助矢量数据等多源信息,计算出北京地区2008年NPP的月度值和全年累计值,目标是为其进入生态指标体系建立一个系统的数据处理规范,以保证NPP统计的一致性、可行性和有效性.结论:从区位统计结果来看,城市核心区和城市功能拓展区NPP的季节性特征变化不明显,而生态涵养发展区的NPP随着时间变化比较大;从地貌统计结果来看,远山区的NPP值大于平原区,也大于半山区.以上结果与温度、降水的季节性变化和耕地的收种时间具有一致性,证明该处理流程可以作为北京地区NPP量化及空间评估的有效手段.表明,NPP的数据来源稳定,测量模型具有可行性和有效性,可以考虑将该指标纳入自然资源和生态环境统计体系.     

南方草地NPP的水热估算模型及其应用

草地NPP对气候变化的响应是全球变化研究的重要内容之一。为了明确草地NPP与水热的关系及实现南方草地NPP的大面积估算,本文以气候数据为基础,以南方草山草坡为研究对象,结合野外实测数据,分析南方草地NPP与月平均温度及平均降水量之间的关系,结果表明:南方草地NPP与月平均温度之间呈对数相关,相关系数r=0.462 9**(n=66);与月平均降水量之间呈线性正相关,相关系数r=0.783 6**(n=66),结果均达到了极显著水平(P<0.01)。在此基础上构建以温度和降水为自变量的南方草地NPP估算模型:NPP=Ln(T/16.7+2.5)×Sqrt(W/84.5+0.5)×(T+W),其中T为全年月平均温度(℃),W为全年月平均降水量(mm)。通过不同年份的实测数据对模型进行验证,草地NPP的模拟值和实测值之间有很好的相关性,R2为0.787,也达到极显著水平,RMSE和RRMSE均较小,分别为60.272和0.387,表明模型的模拟结果比较可靠。利用上述模型对2011年的南方草地NPP进行估算,模拟结果呈现一定的地带性,总体分布由西北向东南逐渐增加,其中四川西北部及其与云南交界等地区草地NPP值较小,基本在200 g·m-2以下,而海南、广西、江西以及广东等地草地NPP值较高,相当一部分地区达到700 g·m-2以上。通过分析可知,整个南方草地NPP平均值约为321.8 g·m-2左右,和实测结果比较接近。结果为南方草山草坡NPP估算提供了新的方法。     

中国南部样带植被NPP与气候的关系

以全球变暖为背景,以中国南部区域18.00°～7.50°N,108.50°～112.50°E样带为研究对象,以纬度为梯度,应用CRU(Climate Research Unit)全球观测数据集和CO2体积分数倍增后的2050年模拟气候状况作为平衡态陆地生物圈模型BIOME4的气候驱动,对中国南部样带历史100 a和未来50 a间的潜在植被净初级生产力(net primary production,NPP)和叶面积指数(leaf area index,LAI)变化进行模拟和统计分析.结果显示样带内影响NPP的主要因素为年最低温度和年均降雨量,影响LAI的主要因素为年均温度和年均降雨量.植被类型变化与气候变化所造成的NPP、LAI变化略有不同.样带较高纬度地区,植被类型变化与气候变化造成的NPP均值差异较小而LAI则差异较大.未来气候状况下NPP、LAI都有大幅度的增加,但不同纬度增幅不同.     

内蒙古草地NPP变化及其对气候的响应

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)是衡量植物群落在自然环境条件下生产能力的重要指标,NPP的变化直接反映了生态系统对环境气候条件的响应,因此可以作为生态系统功能对气候变化响应的研究指标.本文利用卫星遥感资料和地面气象观测资料,利用光能利用率模型估算了内蒙古地区1982-2003年4-10月草地NPP,并计算了与NPP密切相关的几个气候因子,分析了1982-2003年内蒙古地区草地NPP年际性变化规律、气候因子的年际变化规律,以及草地NPP对主要气候因子的响应关系.结果表明:1982-2003年内蒙古草地生长季的NPP呈波动中增加趋势,NPP的年平均递增率为C0.0036 g·m-2·Gr-1;草地NPP的空间分布与生物温度(BT)及可能蒸散率(PER)呈显著负相关,与降雨量(RAIN)、湿润度(K)及实际蒸散(AE)呈极显著正相关.内蒙古地区,草地NPP受降雨量(RAIN)及生物温度(BT)的影响较大.但NPP的变化受RAIN的影响更为明显;内蒙古地区不同草地类型的NPP变化对气候因子的响应略有不同.     

基于地理探测器的喀斯特植被NPP定量归因

植被净第一性生产力(NPP)作为生态系统功能的重要指标,既可以反映植被的生长状况,又是生物圈内碳循环的重要分量。喀斯特地区植被NPP的研究是植被建设和生态系统恢复的重要基础,其影响因素的定量识别对喀斯特地区的生态恢复与区域可持续发展具有重要意义。在高精度NDVI数据反演的基础上,运用CASA模型模拟贵州省典型峰丛洼地区三岔河流域2015年区域尺度的植被NPP,分析喀斯特地区植被NPP的空间变化特征,综合海拔、坡度、降水、温度、植被覆盖度和土地利用类型等影响因子,应用地理探测器方法在不同地貌形态类型区内进行喀斯特植被NPP空间异质性的定量归因研究。结果表明:植被覆盖度与温度是植被NPP的显著控制因子,其交互作用对NPP的解释力为77.8%;地貌形态类型对植被NPP的空间分布具有宏观控制作用,土地利用类型在相对平缓的平原、台地地区对NPP的解释力是山地丘陵等地势起伏较大地区解释力的近两倍;海拔因子在小起伏中山和中起伏中山等山地地区对NPP的解释力强于较平缓地区;各个地貌形态类型区内因子的层间差异均随地貌特征的变化而显现出不同程度的差异性。双因子的交互作用均能增强对植被NPP空间分布的解释力,且在各个地貌形态类型区中,解释力排在前三位的主导交互作用方式均为植被覆盖度因子与另一影响因子的叠加。因此,在喀斯特地区未来的发展过程中,应考虑多种环境因子之间的交互作用,从多视角、多维度探究环境因子对植被NPP的影响,为喀斯特石漠化的治理工作提供参考依据。     

江苏省植被NPP时空特征及气候因素的影响

利用2000—2006年的EOS/MODIS卫星遥感资料,对江苏省植被净初级生产力（NPP）时空特征及气候变化对其影响进行分析。在ArcGIS软件中,建立线性回归方程获得NPP的变化斜率,分析7 a间各像元NPP的空间变化趋势。计算各像元的NPP数值与气候要素的线性相关系数,为定量阐述气候变化对植被生长的影响提供依据。结果表明,江苏省植被NPP 7 a平均值为506.6 g.m-2.a-1（以C计）,比全国同期NPP数值高出约40%。NPP表现出明显的年际变化,2004年植被年均NPP最大为530.6 g.m-2.a-1（以C计）,2000年最小,为481.1 g.m-2.a-1（以C计）。空间分布上NPP表现为东南高于西北,沿海高于内陆。2000—2006年江苏省有76%的区域植被NPP表现为显著增加,仅江苏南部少数区域表现出减少的趋势。除苏南少数区域外,气候因素控制着NPP的时空变化规律。其中气温的升高和太阳辐射的增加促进NPP提高,而降水量的增加引起NPP的降低。     

扎龙湿地NPP时空格局及其对气候因子变化的响应

植被净初级生产力(NPP)是表征陆地生态系统对气候变化响应的重要指标,扎龙湿地是全球气候变化敏感区域湿地生态系统的典型代表,基于遥感资料和气候资料,借助GIS、RS技术和地理探测器方法,估算了2000-2017年扎龙湿地植被NPP时空分布特征,探索了植被NPP空间异质性及气候因素对其动态变化的影响,为研究气候变化背景下湿地碳循环的响应过程与驱动机制提供参考。结果表明,2000-2017年,扎龙湿地植被NPP年平均值为478.30 g·m~(-2)·a~(-1)(以C计,下同),其中有水草甸为483.33 g·m~(-2)·a~(-1),无水草甸为485.99 g·m~(-2)·a~(-1),农作物为448.70 g·m~(-2)·a~(-1),有水草甸和农作物的NPP年平均值均呈显著增加趋势。扎龙湿地核心区NPP年平均值最高,为513.75 g·m~(-2)·a~(-1);试验区NPP平均值最低,为422.80 g·m~(-2)·a~(-1)。水分因子对植被NPP的总体影响力大于温度因子,对水分的依赖程度由大到小排序依次为无水草甸、农作物、有水草甸,对温度的依赖程度由大到小排序依次为无水草甸、有水草甸、农作物。气候因子两两交互作用对自然植被NPP动态变化的总体影响显著大于农作物,其中4-10月EI和年平均气温的协同作用对无水草甸NPP动态变化的贡献率达37.85%,4-10月日较差和年平均气温的协同作用对有水草甸NPP动态变化的贡献率达31.14%,年平均气温和无霜期的协同作用对农作物NPP动态变化的贡献率达29.00%。     

天山植被NPP时空特征及其对气候要素的响应

为探讨近十几年来新疆天山地区植被净初级生产力时空格局及其对气候要素的响应机制,基于资源平衡的观点和光能利用率的概念,利用改进的光能利用率模型估算2001—2013年天山植被NPP,利用RS和GIS技术逐像元分析天山植被NPP时空分布特征及其与气候要素的相关关系,进而了解天山地区植被NPP对气候变化的响应机制,为天山地区生态环境保护和管理提供科学依据。具体方法包括:(1)将2001—2003年新疆地区MODIS-NDVI月产品数据、天山26个气象台站插值数据和2005年土地利用-覆盖数据进行预处理后作为参数输入到CASA模型中,估算出13 a天山地区植被NPP;(2)通过与其他研究NPP模拟结果进行对比,验证该文所采用的模型的模拟精度。研究结果表明,天山地区植被NPP总体呈西高东低,由北向南递减的空间分布特征;13 a平均植被NPP(以C计,下同)和NPP总量分别为156.63 g·m-2·a~(-1)、93.2 Tg·a~(-1)(1Tg=1012 g);2001—2013年天山植被NPP总体呈缓慢增长趋势,NPP快速增长区零星分布在天山北坡的林地和耕地区,增长速率为25~55 g·m~(-2)·a~(-1),草地NPP总量波动较为明显,林地和耕地NPP总量呈缓慢上升趋势,而荒漠NPP总量波动趋于平缓;植被NPP与年降雨量、年均温的平均相关系数分别为0.383和-0.189,天山地区植被NPP与年降雨量的相关性更强,降雨量是影响天山植被NPP的重要因子;不同类型植被NPP对气候要素的响应情况存在明显差异:天山林地、草地和荒漠植被NPP主要受降雨量影响,而耕地植被NPP同时受到降雨量和气温的限制。     

基于MOD17A3的中国陆地植被NPP变化特征分析

净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)作为生态系统物质与能量循环的基础,是区域和全球尺度碳循环和碳收支研究的重要组成部分。基于MOD17A3的NPP数据、地表覆盖类型MCD12Q1数据,采用趋势线分析法对中国2000—2015年陆地植被NPP时空格局、变化规律进行研究。结果表明,(1)2000—2015年,全国陆地植被平均NPP为273.5 g·m~(-2)·a~(-1),变化速率为1.415 g·m~(-2)·a~(-1),变化百分率为8.8%,全国植被NPP线性增长趋势达到显著水平(P0.05)。中国陆地植被NPP年总量在2.406~2.811 Pg·a~(-1)之间波动,平均值为2.635 Pg·a~(-1)。(2)中国平均植被NPP分布呈现西北低东南高、北方低南方高的基本格局。全国大部分区域,植被NPP水平较低,61.0%的区域植被NPP低于300 g·m~(-2)·a~(-1)。森林、草原、农田平均植被NPP分别为575.5、204.2和388.40 g·m~(-2)·a~(-1)。(3)中国大部分地区年NPP变化趋势不明显,占79.9%的陆地区域植被NPP变化趋势不明显,18.4%的陆地区域植被NPP呈显著增加趋势,仅1.7%的陆地区域植被NPP呈显著减少趋势。(4)占中国陆地总面积59.1%的区域植被NPP增减速率在2 g·m~(-2)·a~(-1)以内,33.4%的区域植被NPP增加速率在2 g·m~(-2)·a~(-1)以上,仅7.4%的区域植被NPP下降速率超过2 g·m~(-2)·a~(-1)。(5)中国大部分地区陆地植被NPP的增长百分率在5%以上,占陆地总面积48.1%,变化不大(变化百分率率在-5%~5%之间)的区域占41.0%,陆地植被NPP的降低率在5%以上的面积占10.8%。该研究对中国各区域生态资源管理,以及生态系统的建设具有一定的指导和借鉴意义。     

基于HASM的中国植被NPP时空变化特征及其与气候的关系

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,直接反映植被的生产力和地表质量状况,对于研究全球气候变化具有重要意义。为更好地了解近年来中国陆地植被NPP时空分布格局,探讨其对气候因子响应的空间分异规律,利用高精度曲面建模方法(HASM),结合LPJ-GUESS动态植被过程模型和MOD17A3NPP遥感数据产品估算2001-2015年中国陆地生态系统植被NPP的时空分布特征,并根据气候要素和土壤质地特点分区探讨其与气候因子的关系。结果表明,(1)近15年全国植被平均NPP空间分布地域性明显,总体上沿水热梯度由西北向东南呈逐渐增加的趋势。其中西北沙漠和青藏高原腹地的植被NPP值最小,在100 g·m~(-2)(以C计,下同)以下,西北内陆向东南沿海过渡带植被NPP值在300-600 g·m~(-2)之间,四川盆地大部分地区以及海南省和东北平原局部植被NPP值在700g·m~(-2)以上。(2)近15年全国植被NPP均值为376 g·m~(-2)·a~(-1),变化范围为1.9~(-1) 131 g·m~(-2)·a~(-1)。青藏区面积和植被NPP总量占全国的比例最大,均为23%,甘新区面积占全国的23%,年均NPP总量只占全国的10%;西南区、东北区和长江中下游区植被丰富,年均NPP总量占比大于面积占比。其他地区面积和年均NPP总量占全国的比例相当。(3)近15年全国有65.29%的区域植被NPP呈增加趋势,最大增速为72.64 g·m~(-2)·a~(-1),平均增速为2.29 g·m~(-2)·a~(-1),以青藏部分地区、黄土高原区、海南大部和台湾北部地区增幅最大。(4)近15年来全国有79.26%的地区年平均NPP与年平均降水之间呈显著正相关,而年平均NPP与年平均温度这一比例仅为8.71%,分布在青藏高原部分地区。     

基于遥感和FORCCHN的中国森林生态系统NPP及生态服务功能评估

气候变化背景下定量评估中国森林生态系统净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)及生态服务功能,对于更好地理解全球变化背景下中国森林生态系统碳循环的演变规律以及正确评价森林在中国生态环境建设中的作用具有重要意义。以中国森林生态系统为研究对象,应用遥感数据和基于个体的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN,模拟了1981—2017年中国森林生态系统净初级生产力NPP,并对其固碳释氧生态服务功能进行了评估。结果表明,(1)1981—2017年期间,中国森林生态系统单位面积NPP量和NPP总量年际变化呈现较为明显的增长趋势。其中,NPP总量在2.02~2.53 Pg·a~(-1)之间波动,平均为2.36 Pg·a~(-1),最大值出现在2004年,最小值出现在2010年。(2)NPP年代际增长十分明显,其中,21世纪00年代和21世纪10年代之间的增加幅度最大。(3)NPP空间分布的基本特点是南高北低,且近36年各地森林生态系统单位面积NPP增加量差异显著,其中,西南林区单位面积NPP量增幅最为明显,最大增幅超过666.7 g·m~(-2)·a~(-1);东南林区单位面积NPP量增幅也很明显,最大增幅超过444.4 g·m~(-2)·a~(-1)。(4)近36年来,中国森林生态系统固碳价值和释放氧气价值均呈波动增加趋势,固碳释氧总价值140 883.3×10~9 yuan,且释放氧气价值为固碳价值的2.82倍。     

伏牛山阻隔作用下水热因子、土地覆被与NPP的时空特征

作为秦岭山脉的东延余脉,伏牛山山地效应研究意义重大。文章基于ArcGIS9.3空间分析功能,对伏牛山南北两侧的水热因子、土地覆被和净初级生产力时空格局变化进行了对比分析,结果表明：北坡极端低温和均温明显低于南坡（-2.88℃和-1.7℃）、极端高温明显高于南坡（+1.35℃）,而年降水量北坡则比南坡低14.41%;伏牛山北坡部分常绿针叶林转换为落叶阔叶林,2001—2004年间的落叶阔叶林面积比重分别为：52.4%、55.2%、63.0%和70.9%;2001—2004年间的净初级生产力有增大趋势,尤其是东部区域。研究结论丰富了秦岭-伏牛山作为主要气候区和生态区分界线的理论依据,同时也丰富了山地生态学理论。     

CO_2倍增和气候变化对北京山区栓皮栎林NPP影响研究

应用生物地球化学过程模型BIOME-BGC估算了1977—1992年北京妙峰山栓皮栎（Quercus variabilis）林的净第一性生产力（NPP）,并分析气候对NPP年际变化的影响以及未来气候变化情景下对NPP的影响。结果表明：1977—1992年15年间栓皮栎的NPP（以C计）平均值为340.17g·m-2·a-1,NPP（以C计）变化在143.56～431.56g·m-2·a-1之间,并无明显的整体变化趋势,但表现出明显的年际变化,年际变动率达18%。在这段时间内降水量成为控制栓皮栎林NPP年际变化的主要气候因子。通过设置18种不同未来气候方案进行栓皮栎林NPP模拟表明,CO2浓度加倍会降低栓皮栎林的NPP但降低幅度较小。在CO2浓度不变的情况下,温度升高2.0℃和降水的协同增加以及单个因子的增加都有利于NPP的积累,但协同增加不如单个因子的增加对NPP的积累效应明显;在CO2和气候同时改变的情况下,CO2浓度加倍、温度升高2.0℃和降水的协同增加有利于NPP的积累且协同增加比单个因子的增加对NPP的积累效应明显,但各因子之间交互作用较弱。     

全球采矿工业

据估计,世界上有１万多个采矿及金属企业,同时大约有２万个矿山、处理厂及冶炼厂,另外还有众多的相关组织,如学术团体、教育公司、服务企业及制造商．所有这些组织都直接或间接地操纵着采掘业公司的方针与成功,本文立足于那些工业部门所发生的变化．     

全球鱼类消费

尽管继续有科学不确定性，但表明当前捕捞实践不可持续的证据与日俱增，在国家层次和国际层次上，人们越来仿真地对等关于过度捕劳及对穷国食品保障的潜在威胁的告诺，所近来已经看到一波改善渔业管理的协议，然而，无论在当地社区和传统可能处于危急之中的富国，还是鱼类对于仪器代也具有根本重要性而且捕捞是沿海地区少数几种生活来源之一的穷国，对减少世界捕捞船队的的规模都有强大阻力。     

全球鱼类消费

尽管继续有科学不确定性,但表明当前捕捞实践不可持续的证据与日俱增.在国家层次和国际层次上,人们越来越认真地对待关于过度捕捞及其对穷国食品保障的潜在威胁的告诫.近年来已经看到了一波改善渔业管理的协议.然而,无论在当地社区和传统可能处于危急之中的富国,还是在鱼类对于食品供应也具有根本重要性而且捕捞是沿海地区少数几种生活来源之一的穷国,对减少世界捕捞船队的规模都有强大阻力.     

全球鱼类消费

尽管继续有科学不确定性，但表明当前捕捞实践不可持续的证据与日俱增.在国家层次和国际层次上，人们越来越认真地对待关于过度捕捞及其对穷国食品保障的潜在威胁的告诫.近年来已经看到了一波改善渔业管理的协议.然而，无论在当地社区和传统可能处于危急之中的富国，还是在鱼类对于食品供应也具有根本重要性而且捕捞是沿海地区少数几种生活来源之一的穷国，对减少世界捕捞船队的规模都有强大阻力.     

全球鱼类消费

尽管继续有科学不确定性 ,但表明当前捕捞实践不可持续的证据与日俱增 .在国家层次和国际层次上 ,人们越来越认真地对待关于过度捕捞及其对穷国食品保障的潜在威胁的告诫 .近年来已经看到了一波改善渔业管理的协议 .然而 ,无论在当地社区和传统可能处于危急之中的富国 ,还是在鱼类对于食品供应也具有根本重要性而且捕捞是沿海地区少数几种生活来源之一的穷国 ,对减少世界捕捞船队的规模都有强大阻力 .