中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

长江流域植被净初级生产力对未来气候变化的响应

研究基于气象观测和B2气候变化情景数据,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟了1981—2000年和2010—2050年两个时段内植被NPP的空间分布格局及其时间变化趋势并分析了其时空变化与气温和降水量的关系。研究表明1981—2000年流域内植被NPP的空间分布大致呈现自西向东、自北向南递增的趋势。未来长江流域气温将整体增加,但各地增温幅度不同。流域降水量有增有减,主要增加区域位于长江源头和上游及中游的江北地区。未来在气温增加幅度较小而降水量增加的区域,如长江源头和上游的青海、西藏、川西及云南的部分地区的植被NPP将增加。在气温增幅较大而降水量减少或者降水量增加不多的区域如长江中游和下游的广大地区植被NPP将减少。从植被类型来看,长江流域大部分森林、郁闭灌丛和农作物的NPP在B2气候变化情景下将减少,每年减少量分别在0~4.5 gC.m-2、0~2 gC.m-2和0~2.5 gC.m-2之间。高寒草甸、草地和稀疏灌丛的NPP将增加,每年增长量介于0~2 gC.m-2之间。     

稻麦作物净初级生产力模型研究:模型的建立

以植物生理学、农业气象学和土壤环境学的基本原理为基础 ,建立了稻麦作物净初级生产力模型 .该模型包括 2个主要功能模块 :光合作用和呼吸作用 ;土壤 作物系统氮素运移 .前者综合考虑了环境因子和作物氮含量的影响 ,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放的动态模拟 .     

近20年气候变化对西南地区植被净初级生产力的影响

论文利用大气-植被相互作用模型(AVIm²)模拟了西南地区植被净初级生产力的空间分布格局和多年变化,分析了1981-2000年西南地区气候变化对森林、灌丛和草地净初级生产力的影响。研究表明,西南地区植被净初级生产力的空间分布与降水量呈显著正相关,与海拔高度呈负相关。从年际变化来看,西南地区总植被净初级生产力近20年略有上升。近一步分析表明,由于近20年西南地区自然植被分布区域降水量变化具有明显差异,从而使得不同类型植被对气候变化有不同响应特征。在森林分布广泛的地区,气温升高速率为0.037℃/年,降水量变化趋势不明显,模拟的森林植被净初级生产力没有明显变化趋势。灌丛和草地集中区域气温升高速率分别为0.040℃/年和0.034℃/年,年降水量有明显增加趋势,植被净初级生产力有上升趋势。     

环杭州湾地区近36年自然植被净初级生产力的变化特征

利用LPJ模式,以1971—2006年常规气象站观测资料作为模式输入数据,模拟了环杭州湾地区植被NPP,并分析了近36年来研究区植被NPP的时空变化特征。结论表明:①环杭州湾地区NPP 36年平均为552.10 gC/(m2.a),逐年变化呈上升趋势,速率为1.52 gC/(m2.a2);②研究区植被NPP 36年平均在494.23～617.23 gC/(m2.a)之间;东部沿海及距海较远地区值较大,且基本上呈经向分布;而中部地区值较小,且基本呈纬向分布;NPP年代空间分布与NPP近36年平均空间分布情况基本一致;③随着气候条件的变化,NPP相对大值区在空间上增大,但是增幅有一定的地域性差异;随着降水或CO2浓度的增大(减小),NPP有增大(减小)的趋势;随着温度或云量的增大(减小),NPP有减小(增大)的趋势;在1971—2006年间,对环杭州湾地区植被NPP起主要影响的因子为CO2浓度,其次为云量。     

中国农业植被净初级生产力模拟(Ⅱ)——模型的验证与净初级生产力估算

利用我国若干代表性区域6种主要作物(水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、油菜)生产力的田间试验及统计数据,对中国农业植被净初级生产力模型Crop鄄C进行了验证。结果表明,该模型能利用常规的气象和土壤资料、化肥氮施用量等较好地模拟我国6种作物主产区的净初级生产力,模拟值与观测值的相关系数(R2)为0.80(n=786)。将Crop鄄C模型与GIS空间数据库耦合,估计了1980-2000年中国农业植被净初级生产力。模拟结果表明,自1980年以来,中国农业植被净初级生产力呈增加趋势,从1980年的472.9TgC增加到2000年的607.2TgC,秦岭淮河以北的华北地区和西北部分地区增加最为明显。     

气候变化背景下人类活动对承德接坝区植被净初级生产力的影响

承德接坝区位于农牧过渡区,对气候变化和人类活动极为敏感.以植被净初级生产力(NPP)作为评价指标,基于Thornthwaite Memorial模型计算潜在NPP和MODIS NPP遥感影像获取实际NPP数据,利用潜在NPP与实际NPP间的差值衡量人类活动作用下NPP的大小,运用Slope趋势和变异系数法分析实际NPP、潜在NPP和人类活动作用下NPP的变化趋势及稳定性分布,并采用相关系数法分析实际NPP与年降水量和年均气温间的相关性,最终量化气候变化和人类活动对该区域植被变化的影响.结果表明,潜在NPP自西北向东南递增,其变化趋势和稳定性均为自西向东递增.实际NPP与年降水量和年均气温呈正相关区域面积占比分别是99.87%和91.66%.该区域99.85%的植被得到改善且变化稳定,主要是由气候因素和人类活动共同主导(99.71%),而植被退化完全是由人为因素所导致(0.15%).     

2000～2010年贵州省植被净初级生产力时空变化研究

为了探明贵州省植被净初级生产力(NPP)在2000~2010年的变化状况,以2000~2010年植被NPP数据为基础,运用ArcG IS和SPSS进行综合分析。结果表明:近11年间,草地、城镇用地、阔叶林、针叶林和湿地等面积呈增加趋势,而灌木林和农田则持续减少,其中农田面积变化尤为明显;2000~2010年贵州省植被NPP变化较大,NPP变化范围为778~889 g/(m2·a),平均值为828.1 g/(m2·a),NPP缓慢上升趋势;全省NPP分布有明显地域性差异,铜仁和六盘水为显著增加(P0.05),其余地州市增加缓慢(P0.05)。黔东南年均NPP最高((927±111)g/(m 2·a)),毕节最低((725±107)g/(m2·a))。NPP变化趋势为东南向西北方向递减,而往西北方向NPP波动程度明显;阔叶林和灌木林缓慢下降,而针叶林和针阔混交林则上升。NPP表现为针阔混交林阔叶林针叶林灌木林。     

稻麦作物净初级生产力模型研究:模型检验与情景预测

利用我国若干代表性区域98组稻麦作物生产力的试验数据,对所建立的稻麦作物净初级生产力模型进行了检验.结果表明,该模型能根据常规的气象和土壤资料、化肥施用量等数据资料较好地模拟我国主要区域稻麦作物的净初级生产力.模拟值(y)与观测值(x)的线性关系为:y=1.05p-16.8(r²=0.771,p<0.001,n=98).对南京地区的情景预测结果表明:大气CO₂浓度升高促进稻麦作物的固碳能力;气温升高会降低水稻和小麦的碳固定,但对小麦的影响要小于水稻;在当前情景及未来情景(CO₂浓度为540μmol·mol^-1,温度增加1～4℃)下,氮肥施用对小麦碳固定的促进作用大于水稻,氮肥施用量高于150 kg·hm^-2时对2种作物的碳固定没有显著的促进作用,甚至降低水稻的净初级生产力.     

气候和土地利用变化对上海市农田生态系统净初级生产力的影响

以上海市主要植被类型农田为研究对象,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟的近50年上海市农田净初级生产力(NPP)以及1987、1997和2004年上海市的TM遥感影像数据,分别计算了气候变化和土地利用变化对上海市农田生态系统NPP总量变化的影响.研究结果表明,如果只考虑气候变化,1961～2006年上海农田年平均NPP值增加了64.37g·m-2(以C计),平均每年增长1.43g·m-2.年平均温度和降水量均与NPP显著正相关.另一方面,上海农田面积占总面积的比例由1987年的76%递减到2004年的43%.在土地利用变化和气候变化双重因素的驱动下,自20世纪80年代以来,上海农田NPP总量减少了42%;相对于气候变化影响,土地利用变化对农田NPP总量影响较大,其中,20世纪80年代到90年代,土地利用变化对NPP总量变化的贡献率占78%;20世纪90年代到21世纪初土地利用变化的贡献率达92%.     

基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型

建立基于MODIS数据的天然橡胶净初级生产力遥感估算模型,利用2009年生长季(4—12月)250 m分辨率的MODIS数据和气象数据估算海南阳江农场天然橡胶的生长季净初级生产力, 通过天然橡胶的干物质分配率估算阳江农场天然橡胶的产胶潜力。用以树位为单元的地面实际干胶产量与已得到的天然橡胶林产胶潜力进行回归分析,建立天然橡胶干胶产量的估测模型。利用估产模型对阳江农场2010年7月的干胶产量进行模拟,用同期实际干胶产量对估产模型进行精度验证与实用性评价,结果显示7月估产模型均方根误差RMSE为1.78 g·m^-2,相对均方根误差RMSE_r为18.25%。研究表明,基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型具有较好的产量估测效果。     

基于净初级生产力的中国生态足迹均衡因子测算

生态足迹作为一种非货币化的生态系统评估工具,是近年来国际上一种重要的判别可持续发展程度的生物物理量方法。均衡因子是生态足迹计算中的一个重要参数,它将6种生物生产性土地类型的面积转换为具有相同生物生产力的面积,从而实现了6种类型土地面积的加和,因此,均衡因子是否准确直接影响到计算结果的可靠性与可比性。随着生态足迹方法的广泛应用,其标准化和本地化研究成为迫切的需要。本文采用中国2001年1km MODIS数据,根据植被的净初级生产力,对中国的平均均衡因子进行了测算：耕地和建筑用地为1.71,林地和能源用地为1.41,草地为0.44,水域为0.35,并与国际通用的均衡因子进行了对比。     

极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应

利用作者建立的塔里木盆地北部盐化草甸植被净初级生产力模型 ,模拟了极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应。结果表明 ,在一定土壤质地条件下 ,盐化草甸植被净初级生产力随地下水埋深的增加而逐渐下降。地下水埋深越大 ,盐化草甸植被净初级生产力对地下水埋深变化的响应越敏感。全球变化造成的温度升高对盐化草甸植被净初级生产力的影响 ,也是依地下水埋深的不同而有所差异。地下水埋深较小时,盐化草甸植被净初级生产力对温度升高的反应较小 ;随着地下水埋深的加大,其响应程度明显增加。因而 ,地下水埋深越大 ,盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应就越明显。     

气候变化情景下湿地净初级生产力风险评价

采用BIOME-BGC模型,模拟了气候变化情景下(A1B, A2, B2)三江平原富锦地区小叶章(Calamagrostis angustifolia)湿地的净初级生产力(NPP)变化,并通过NPP变化情况评价小叶章湿地风险等级.结果表明:未来30年(2013~2042年)各气候情景下富锦小叶章湿地NPP均值均高于基准期均值(1961~1990), A1B和B2情景下未来30年间NPP波动范围变大,A2情景下NPP有降低趋势.风险评价结果表明,气候变化情景下小叶章湿地存在一定风险,尤其是在A1B情景下,未来30年中可能有6年以上的年份存在高风险,A2情景下湿地风险最低.湿地NPP变化与降水量呈显著正相关(R2=0.58,P<0.05),说明降水量是影响区域湿地的重要因素.尽管气候变化情景下假设了存在升温?CO2浓度升高等有利于植物生长的因素,但降水量的的剧烈变化以及极端气候事件的增加,可能会导致湿地在未来气候变化情景下面临较高风险,未来湿地保护与管理过程中应重点关注水的补给和调配.     

广东省土地覆盖变化对植被净初级生产力的影响分析

理解土地利用/覆盖变化对植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响对于全球碳循环和粮食安全具有重要意义。论文采用优化的CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型估算广东省2000、2005和2010年NPP,分析NPP的空间格局和土地覆盖的时空动态,研究土地覆盖变化对NPP的影响。结果表明：1）广东省NPP空间分布不均,形成一系列高值区和低值区;总体上是粤中区最高,珠三角区最低。2）2000—2010年广东省土地覆盖变化程度增强,城市用地和耕地变化最大,主要集中在珠三角区和粤中区。3）在气候变化条件下,以城市扩张为主导的广东省土地覆盖类型变化整体上造成NPP的损失,损失量主要来自林地和耕地向低生产力土地覆盖类型的转换,尤其是被城市用地占用;不同生态区NPP损失差异显著,珠三角区和粤中区NPP损失较为严重;2005—2010年珠三角区NPP损失量有所降低,其他生态区均有所增加,体现了城市扩张对NPP影响的复杂性。     

人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响研究

净初级生产力是草地生态系统生产能力的体现,同时也是草地生态系统固碳能力的重要指标。论文利用MOD17A3净初级生产力数据（NPP）与气象资料,分析了2001—2010年人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响。研究表明：1）锡林郭勒盟草原实际净初级生产力（NPP_A）介于41.32~362.27 g C·m^-2·a^-1,均值为150.78 g C·m^-2·a^-1,有较明显的水平地带性规律,由东向西逐渐减小,草甸草原最大,典型草原次之,荒漠草原最小;2）锡林郭勒盟草原人类活动影响的净初级生产力（NPP_H）介于-185.07~153.92 g C·m^-2·a^-1,均值为-34.80 g C·m^-2·a^-1,人类活动负作用占草原总面积的93.4%,人类活动正作用仅占6.6%;3）人类活动对锡林郭勒盟草原净初级生产力的影响主要是由负作用向正作用转变,且空间分布有明显的南北界线,南部表现为负作用增强,北部为正作用增强。研究可为锡林郭勒盟草地资源的管理和可持续利用提供参考依据。     

1981-2015年神农架林区森林生态系统净初级生产力估算

湖北省神农架林区是全国唯一以林区命名的行政单位,拥有全球中纬度地区唯一一块保存完好的原始森林,量化其森林生态系统NPP（net primary productivity,净初级生产力）对县域生态系统评估工作十分重要.基于CEVSA2（carbon exchange between vegetation,soil and atmosphere 2）模型模拟1981-2015年神农架林区森林生态系统NPP,并利用中国生态系统研究网络神农架站观测数据和野外调查数据进行验证,进而分析其NPP时空变化特征及其主要环境影响因子.结果表明:①1981-2015年神农架林区森林生态系统年均NPP为628.27 g/m2（以C计）,空间分布表现为中部较低、东部以及周边较高,具有明显的空间异质性.②1981-2015年神农架林区年均NPP的增长速率为2.58 g/（m2·a）（R2=0.65,P < 0.001）;运用Mann-Kendall突变检验法发现,1998年前后是NPP增长速率变化的突变点,虽然1998年前后两个时段NPP均呈上升趋势,但1999-2015年NPP增长率较1981-1998年下降了7.01%;从空间上来看,林区中部和北部NPP增长率[4~6 g/（m2·a）]相对较高,南部和东部部分地区NPP呈下降趋势,其变化速率在-3~0 g/（m2·a）之间.③神农架林区NPP年际变化与年均温、总辐射年际变化均呈正相关,与年降水量年际变化呈负相关,其中年均温年际变化对NPP年际变化的解释率最高,为43%（P < 0.01）;在空间尺度上,林区森林生态系统约67.83%区域的NPP年际变化由年均温年际变化控制,主要分布在林区中部和东南部,可见年均温是该地区森林生态系统NPP的主要影响因素.      

气候变化和人类活动对黄河三角洲植被动态变化的影响

黄河三角洲是我国暖温带最完整、面积最大的湿地生态系统,其植被变化对于黄河三角洲生态功能和生态安全具有重要意义.本研究基于植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)、叶面积指数(leaf area index,LAI)、净初级生产力(net primary productivity,NPP)3个生态参数,分析了2000-2017年黄河三角洲地区植被的动态变化,并以NPP为指标量化分析了气候变化和人类活动对植被生产力的贡献.研究发现,2000-2017年黄河三角洲FVC(Slope=0.004,p<0.05)、LAI(Slope=0.011,p<0.05)、NPP(Slope=3.54 g·m-2·a-1,p<0.01)呈显著增加趋势,说明2000-2017年黄河三角洲植被生长状况趋好、植被生产力提高.气温、降水和太阳总辐射对植被NPP变化的贡献分别为0.006、0.81、-0.03g·m-2·a-1,即降水对植被NPP变化的贡献最大,这主要是因为黄河三角洲的主要土地利用类型为耕地,受降水影响大,当地土壤具有盐碱化风险,降水可以补充淡水资...     

净初级生产力的人类占用:一种衡量区域可持续发展的新方法

可持续发展的生态评估是当前国际生态经济学与可持续发展研究的前沿问题之一,净初级生产力的人类占用从生态系统初级生产力的角度可以定量评估一个国家或地区发展的生态持续性程度,是近年来国际上一种重要的生物物理量衡量方法。论文简要介绍了净初级生产力人类占用的基本理论与核算方法,分析了该方法应用于区域可持续发展生态评估的基本原理。综合国外相关研究的最新进展,研究认为,定量表征区域可持续发展的生态上限是净初级生产力人类占用方法的最大优点,而该方法应用于区域可持续发展生态评估的不足之处则主要表现在关键参数的不确定性、可持续性的评价阈值、研究数据的缺乏和生物量进出口问题等4方面。     

喀斯特岩溶、非岩溶区植被总初级生产力与土壤呼吸的空间差异及其环境因子分析

选取中国两个典型喀斯特石漠化生态系统(研究区Ⅰ广西盘阳河流域峰丛洼地石漠化区、研究区Ⅱ云南荞麦地流域中山山地石漠化区),通过遥感影像反演和广泛的野外验证,开展喀斯特生态系统植被总初级生产力(GPP)和土壤呼吸(Rs)的差异分析及其在地形地貌、海拔坡度、土地利用以及岩性等环境因子上的空间分异分析。结果表明:1)两个研究区雨季和非雨季的GPP均值均要大于Rs均值,峰丛洼地的GPP和Rs均值都要高于中山山地,但中山山地的Rs均值两级分异更为明显; 2) GPP与海拔总体上呈现显著的负相关关系(在平均海拔较低的研究区Ⅰ更为明显),GPP均值在坡度大于25°左右时随着坡度的增加而减少;两个研究区的Rs均随着海拔的升高先降后增,坡度小于40°时呈负相关; 3)不同土地覆盖类型GPP均值总体上呈现林地灌丛草地、耕地的规律,而Rs均值呈现出居住建设用地耕地草地灌丛林地的规律,常绿针叶林有着区域内最高的GPP值,城镇建设用地有着最高的Rs均值; 4)研究区雨季与非雨季的GPP、Rs均值均呈现岩溶区小于非岩溶区的特点(p0.001)。本研究可为西南喀斯特生态系统碳循环特征研究提供参考,为分析喀斯特区域碳汇特点和机制提供应用支撑,为区域制定侧重不同的生态策略提供思路和应用参考。