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.      

藏北草地地上生物量及遥感监测模型研究

草地退化已成为藏北地区面临的主要生态环境问题。为了定量监测草地生物量和退化草地的生物量动态变化,利用2004 年8—9 月藏北地区草地地上生物量最大时期的地面实测数据,分析了其地上生物量大小和空间分布特征,在此基础上,结合同期的Terra MODIS植被指数数据,建立了草地地上生物量的遥感监测和估算模型。主要结论如下:①由于受高寒气候、土壤、水分等环境因素的限制,8—9 月藏北地区平均草地地上生物量较小,为96.88g/m²,其中绿色鲜草的比重在80%以上;不同区域不同草地类型地上生物量差异很大,范围在37.10~589.12 g/m²,平均而言,高寒沼泽化草甸的地上生物量最大,达356.84 g/m²,其次是温性草原(64.48 g/m²)和高寒草甸(61.61 g/m²),高寒草原草地最低,为48.87 g/m²;②基于MODIS NDVI的合成、生长型、指数函数、逻辑斯谛等4 个模型是估算藏北草地地上生物量的最优模型;③生物量的空间分布呈东南向西北减少态势,东南部部分地段在100 g/m²以上,西北部则在20 g/m²以下。     

2001-2010年三江源区草地净生态系统生产力估算

三江源区位于青藏高原腹地,是我国长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地.为了准确估算该地区草地生态系统的净生态系统生产力,收集整理了2001—2010年青藏高原10个通量观测站点的观测数据,构建了三江源区草地生态系统NEP（net ecosystem production,净生态系统生产力）估算模型,并在站点尺度进行了模型参数化和精度验证;结合区域尺度气象和遥感数据,估算了三江源区草地生态系统NEP.结果表明:① 2001—2010年三江源区草地生态系统多年平均NEP空间分布具有明显的空间异质性,大部分地区表现为碳汇,NEP（以C计）平均值为41.8 g/（m2·a）.② 三江源区草地生态系统NEP呈波动增加趋势,从2001年的20.0 g/（m2·a）增至2010年的82.5 g/（m2·a）;除2002年表现为弱碳源外,其余年份均表现为碳汇,并以2010年碳汇能力为最强.③ 2001—2010年三江源区草地生态系统NEP平均年增长率为5.4 g/m2;NEP年际变化率空间分布显示,大部分地区NEP呈增加趋势,仅有东南部和中部部分区域NEP呈下降趋势.研究显示,2001—2010年三江源区草地生态系统表现为碳汇,并且由于气候的暖湿化趋势,碳汇强度总体表现为增强.      

基于RUE的不同草地类生态评价研究——以河西走廊为例

选择降水利用效率（RUE）作为评价指标,对河西走廊代表性草地类--温性荒漠、高寒草甸、温性草原进行生态评价研究。通过植被指数提取、降水Co-Kriging插值、图层叠加,得到河西走廊区域2006-2010年的RUE(NDVI)、RUE(PVI)、RUE(TSAVI)数据,并与地上生物量进行相关分析,筛选出适合不同草地类的RUE作为该区域生态评价的指标。结果表明：1）温性荒漠区RUE(PVI)与草地生物量风干重正相关性最高（R²=0.879）,高寒草甸区RUE(NDVI)与草地生物量风干重的正相关性最高（R²=0.876）,温性草原区RUE(TSAVI)与草地生物量风干重的正相关性最高（R²=0.895）。2）温性荒漠区、温性草原区生态均处于退化过程,高寒草甸区处于恢复过程。研究认为选择合适的RUE值可作为不同草地类生态评价指标,并具有理论的可行性和实践的可靠性。     

草地退化对三江源区高寒草甸生态系统CO2通量的影响及其原因

为了揭示草地退化对三江源地区高寒草甸生态系统碳通量的影响,利用涡度相关技术,于2006年12月1日~2007年11月30日对三江源地区的退化高寒草甸生态系统的碳通量及生物和环境因子进行观测.结果发现:草地退化对高寒草甸生态系统的碳通量产生了深刻影响,与未退化的高寒草甸生态系统相比,退化高寒草甸生态系统全年总初级生产力(GPP)下降了36.6%,全年生态系统呼吸(Reco)下降了7.9%,全年净生态系统CO2交换(NEE)也由退化前的负值(碳吸收)转变为正值(碳排放),二者相差132.5gC/(m2·a),生态系统由原来的碳汇转变为目前的碳源.这些变化与高寒草甸退化后,生态系统植物地上生物量锐减、植物生长期缩短(NEE<0的天数)、植物多样性下降、土壤含水量降低等因素密切相关.     

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.      

1981—2010年内蒙古草地土壤有机碳时空变化及其气候敏感性

草地土壤有机碳储量巨大,其较小幅度的波动即可能显著反馈于气候变化. 基于1981—2010年内蒙古自治区境内及其周边共计92个气象台站气候要素插值数据,采用空间化的生物地球化学模型——CENTURY 4.5,模拟分析近30年来内蒙古草地表层(0~20 cm)土壤有机碳的空间格局与动态变化特征,并通过构建气候变化情景探讨其对主要气候要素的敏感性. 结果表明:近30年内蒙古草地表层土壤有机碳密度平均值约为1.99 kg/m2(以C计),在空间上呈由东北向西南逐渐减少的分布特征. 近30年来内蒙古草地表层土壤有机碳密度略有增加,年均增幅约0.22%,其中草甸草原的增速〔14.25 g/(m2·a)〕最大,荒漠草原的增速〔1.36 g/(m2·a)〕最小. 草地表层土壤有机碳密度年际变化差异明显,1980s至1990s的增加较为缓慢,1990s至2000s的增幅约为前者的2倍,其中草甸草原和典型草原土壤有机碳增幅较大. 气候敏感性分析结果显示,区域降水量变化可能是近30年内蒙古草地表层土壤有机碳密度变化的主要影响因素,但不同草地类型表层土壤有机碳密度对气候变化的敏感性存在较大差异;典型草原与草甸草原表层土壤有机碳变化主要受控于降水量变化,荒漠草原则主要受控于温度变化.      

三江源区退化天然草地和人工草地生物量碳密度特征

生物量碳密度是生态系统表征碳截存能力的重要功能特征之一。为明晰三江源区高寒草地生物量碳密度特征,选取源区内3个县（玛沁县、甘德县、达日县）的退化天然草地（黑土滩）、退化人工草地、未退化天然草地为研究对象,通过野外调查取样和室内分析相结合的方法,对样区地上生物量、根系生物量及其碳密度进行测定与分析。结果表明：“黑土滩”地上生物量高于退化人工草地和天然草地;“黑土滩”活根和死根生物量都低于天然草地和退化人工草地。退化人工草地、“黑土滩”和天然草地的总生物量碳密度分别为719.47、706.57和2 233.09 g/m²。草地退化不仅改变了生态系统的生物量分配,而且改变了地上部分、活根和死根中的碳密度分配比例。退化人工草地和天然草地的活根和死根碳密度占总生物量碳密度的90%以上,“黑土滩”活根和死根碳密度占79.41%。活根碳密度与总生物量碳密度的比值在3种不同草地群落间的变化较地上植被和死根的大,因此,活根碳密度比例可以作为草地退化的敏感指标。     

InVEST模型对锡林郭勒草原碳储量研究的适用性分析

锡林郭勒草原是我国四大草原之一,也是内蒙古主要的天然草场。近年来,在各种因素影响下,锡林郭勒草原区生态系统发生重大变化,导致草原区碳储量也发生改变。本文尝试应用In VEST模型中的碳储量模块对2013年锡林郭勒草原碳储量进行研究,从而探究In VEST模型在碳储量研究中的适用性。结果表明:(1)锡林郭勒草原各草地类型的地下碳储量明显多于地上碳储量;(2)草甸草原碳储量典型草原碳储量荒漠草原碳储量;(3)应用In VEST模型计算不同草地类型地上和地下碳储量,草甸草原分别为196.7 g?m~(-2)和1385.2 g?m~(~(-2));典型草原的分别为133.4 g?m~(-2)和688.9 g?m~(-2);荒漠草原的分别为56.6 g?m~(-2)和301 g?m~(-2)。应用In VEST模型计算出来的碳储量值与前人采用实地采样得出的结果基本一致,所以In VEST模型对于草原区碳储量的研究具有一定的适用性。     

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.      

青藏高寒草地植被生产力与生物多样性的经度格局

沿昌都到噶尔县的经度梯度,对西藏典型高寒草地植被生产力与植物多样性开展了1 700 km的野外样带调查。实验结果表明：高寒草地的群落结构特征（地上生物量、地下生物量、盖度和密度）与生物多样性（物种丰富度、物种多样性和物种均匀度）均具有明显的经度分布格局。整体而言,这些特征参数均表现出自西向东沿荒漠草原—典型草原—草甸草原呈逐渐递增的趋势;其经度格局主要受降雨量和平均气温所趋动,但降雨量和平均温度的影响在不同指标间存在较大差异;地上生物量由二者共同决定,而物种丰富度受降雨量的影响更大。西藏高寒草地的物种丰富度与地上生物量间存在显著的幂指数关系（y=0.219 7 x 0.754 9, R²= 0.61, P< 0.01）。上述规律的发现,不仅有利于我们更好地理解高寒草地对未来气候变化的响应机制与适应途径,也将帮助我们合理制定放牧策略以实现该地区高寒草地的可持续发展。     

高寒草地土壤保持功能的风洞模拟及其定量评估

青藏高原高寒草地的土壤保持功能对于保护生态环境具有重要的作用。为了研究人类活动不同干扰方式对高寒草地土壤保持功能的影响,利用大型风洞,对不同干扰方式下高寒草甸、草原化草甸和高寒草原3个类型的土壤保持功能定量评估,以侵蚀率作为土壤保持功能的测度指标。实验结果表明,随着风速的增大,3个样品的土壤侵蚀率均呈现增大趋势,但不同处理下侵蚀率的增幅不同。当植被根系破坏后,土壤侵蚀率大小为高寒草甸<草原化草甸<高寒草原,说明,高寒草甸土壤的可蚀性低,高寒草原土壤的可蚀性高,极易遭到破坏。从总体来看,土壤保持功能的强弱依次为高寒草甸>草原化草甸>高寒草原。风蚀前后土壤中有机质和养分含量的变化分析表明,土壤有机质和养分含量显著下降,其中速效K2O的养分含量下降幅度最大。对3个草地类型单位面积土壤保持经济价值进行计算,计算主要包括保持有机碳、保持养分和减少土壤流失对河流湖泊淤积3个方面的价值。结果表明,高寒草原化草甸单位面积的土壤保持价值最高,其次为高寒草甸,高寒草原单位面积土壤保持价值最低。     

三江源典型高寒草地坡面土壤有机碳变化特征及其影响因素

以三江源地区高寒草地退化坡面为研究对象,从草地类型、鼠害和自然因素如水蚀、风蚀、冻融作用这一角度上探讨发生在不同退化程度上土壤有机碳的变化特征,对明晰高寒地区退化草地的碳变化机理和全球气候响应具有重要意义。结果表明:同一侵蚀环境条件和退化程度下,以小嵩草、矮嵩草为优势种高寒草甸比以紫花针茅为优势种的高寒草原土壤有机碳蓄存能力高。轻度退化程度受水蚀影响的高寒草甸曲麻河乡QMH1坡面土壤有机碳平均含量是相距3.5 km高寒草原曲麻河乡QMH2坡面的2.2倍(P<0.01);轻度退化程度受风蚀影响的高寒草甸五道梁WDL坡面土壤有机碳平均含量是高寒草原不冻泉BDQ坡面土壤有机碳含量的3.8倍(P<0.01)。水蚀作用显著影响了高寒退化草地土壤有机碳在坡面上的分布,表现为随坡面向下迁移富集的特征。轻度退化程度受水蚀影响的高寒草甸玛龙ML1号坡面下坡位(距坡顶580 m以下)土壤有机碳平均含量比上坡位(距坡顶580 m以上)高22%(P<0.01)。高寒草甸玛龙ML2坡面土壤有机碳分布特征,不仅具有土壤有机碳含量随退化程度加剧而降低的规律,还叠加有土壤有机碳随水土流失向下富集的迁移分布规律,具体表现为坡上位轻度退化>坡中下位中度退化>坡下位极度退化>坡中上位重度退化,因极度退化坡位处于重度退化的下坡位,表现出极度退化坡位土壤有机碳含量比重度退化坡位高49.3%(P<0.05)。风蚀作用使高寒退化草地表层土壤粗骨化和土壤有机碳加速矿化,表现为受湖陆风影响较弱的鄂陵湖ELH坡面土壤有机碳平均含量比受湖陆风影响较强的扎陵湖ZLH坡面高27.9%(P<0.05)。冻融垮塌降低了高寒退化草地土壤有机碳平均含量,但差异不显著。鼠害影响降低了高寒退化草地土壤有机碳的平均含量,并加速了高寒草地退化的进程。中度退化鼠洞周围SDⅠ-Ⅲ土壤有机碳平均含量是极度退化鼠洞周围SDⅣ-Ⅵ的2.1倍;而未受鼠害影响的中度退化ML2Ⅰ-Ⅱ土壤有机碳平均含量是极度退化ML2Ⅳ-Ⅵ的1.6倍。高寒坡面草地受水蚀、风蚀、冻融以及鼠害等因素作用加剧了土壤有机碳的损失。     

中国草地N2O通量日变化观测对比研究

研究分析了我国20世纪90年代以来科学工作者利用静态箱-气相色谱法对内蒙古呼伦贝尔草原和锡林郭勒草原、青藏高寒草原等不同草原类型所开展的日变化通量观测数据并进行了对比分析研究.结果表明:我国草地N2O通量的日变化规律明显,日变化形式呈多峰型,我国草地均表现为N2O排放源,日均通量的对比顺序是:贝加尔针茅草甸草原>羊草草甸草原>羊草典型草原>高寒草甸[(42.82±15.96)>(29.17±13.03)>(4.91±2.12)>(0.89±0.67)μg/(m2?h)];10:00~14:00和夜间0:00左右所观测的N2O通量均可代表当日平均通量;夜间N2O的排放对整个日通量有重要贡献,其排放量占到全日排放总量的46%以上,草地夜间N2O的排放通量应该受到重视.另外,本文讨论了水分和温度作为主要环境因子对N2O通量日变化的影响,以及不同植被类型和人类活动(放牧和刈割)对N2O通量的日变化的影响.     

藏北高原草地资源合理利用

藏北高原面积60万km₂,海拔4400m以上 ,气候寒冷干旱 ,是青藏高原内生态环境最酷劣的自然地域 ,大部分为无人区。境内55 %的土地为可利用的草地 ,是西藏最大的牧区 ,其绝大部分是由紫花针茅(Stipapurpurea)及青藏苔草(Carexmoorcroftii)等组成的高寒草原与高寒荒漠草原 ,虽然紫花针茅草原是当地藏绵羊的较适宜生态地域 ,但其鲜草产量不足800kg/hm₂,仅在6～9月能利用 ,加上草地土壤富含砂砾 ,抗侵蚀能力弱 ,所以草地生态较脆弱。目前已有1/3的草地受沙化和侵蚀的威协 ,4 %的草地处于过牧退化状况。所以保护草地 ,维持其生态稳定乃是开发藏北高原草地资源的重要原则 ,故对高寒荒漠草原与已沙化的高寒草原须禁牧 ;大部分高寒草原的放牧强度须控制和适度 ,以求永续地利用和获得良好的经济-生态效益。     

内蒙古草地生长季植被变化对气候因子的响应

基于MODIS NDVI数据,研究分析了2000-2010年内蒙古典型草原、草甸草原和荒漠草原生长季NDVI时空变化趋势,探讨不同类型草地生长季NDVI对温度、降水的响应。结果表明,内蒙古草地生长季NDVI整体年增长速率为0.735%,典型草原最为明显,年增长率达到1.063%;但是仍有31.807%的草地NDVI呈现下降趋势,其中典型草原、草甸草原和荒漠草原分别有8.664×10⁴、6.814×10⁴、2.841×10⁴ km²。除东北部草甸草原外,大部分草地生长季NDVI与降水量的相关性高于温度;草地生长季NDVI与温度和降水的相关系数均呈现出草甸草原>典型草原>荒漠草原的变化规律。内蒙古草地植被变化对温度和降水的响应具有滞后作用,且具有明显的经度地带性和纬度地带性特征,其滞后时间随着经度和纬度的增加逐渐减少。     

新疆巴音布鲁克草原不同退化程度对土壤特性影响

以高寒草原巴音布鲁克草原为研究对象,通过对不同类型草场的草地利用方式、土壤退化程度和植被类型差异的调查,分析不同类型草场退化程度对土壤理化特性的影响,揭示植被和地表特征及草地利用方式对土壤肥力的影响。结果表明:高寒沼泽草场、高寒草原草场的草地利用方式合理,草地未退化,土壤养分含量高,植被状态良好,高寒草甸草场随放牧压力增大,生境退化程度加重,土壤退化程度加大,表现为土壤容重增大,含水率减少,土壤全磷和有机质浓度减少,植被盖度降低;不同类型草场退化程度与土壤容重、pH和水溶性盐浓度呈显著正相关,与含水率、全磷浓度、有机质浓度和植被盖度呈极显著负相关,与植被盖度相关系数高达-0.907,草场退化过程中土壤肥力因子与植被状态呈极显著正相关。