中国季节性昼夜增温的不对称性及其对植被活动的影响

基于1982—2015年气象数据,采用线性趋势分析和GIS空间分析方法对我国近34年季节性昼夜增温的时空格局进行分析;并结合GIMMS-NDVI 3g遥感数据和植被区划数据,采用偏相关分析方法探讨不同植被分区植被对季节性不对称性增温的响应。结果表明:(1)近34年来中国昼夜气温普遍存在极为显著的上升趋势;昼夜增温在各季节均表现出不对称特征,且该不对称特征存在明显的季节性差异,春季、夏季、秋冬和冬季白天增温速率分别为夜间增温速率的1.49倍、0.98倍、0.73倍和1.69倍;(2)不同分区植被对季节性昼夜不对称增温的响应各异:相对于夜间增温,白天增温对植被活动影响程度更大,影响区域更为广泛;春季和冬季昼夜增温对植被活动的影响范围更广,且春、秋季昼夜增温对植被NDVI的上升普遍起到促进作用;(3)季节非对称性昼夜增温对不同分区的植被活动有不同的影响,这种影响程度随季节的变化存在明显差异。通过分析中国昼夜增温的季节性变化趋势及其对不同类型植被的影响,有助于加深我们对全球气候变化背景下季节性昼夜不对称增温对中国陆地植被动态影响的认识。

昼夜增温条件下水分亏缺对不同生态型小麦幼苗生长发育的影响

以半冬性小麦品种西农2000和冬性品种兰天26号为材料,利用智能型程序型人工气候箱设置昼夜恒定温度梯度14℃(T1)、16℃(T2)、18℃(T3)和20℃(T4)4个,土壤含水量分别为饱和含水量的75%~80%(CK)、60%~65%(LW)和50%~55%(MW)3个梯度,研究温度和水分互作对不同生态型品种小麦幼苗生长发育的影响。结果表明,水分和温度对小麦幼苗生长发育均有显著影响(P<0.05)。幼穗分化进程以T4CK处理缩短最明显,较最慢的T1CK处理平均缩短7d,温度对幼穗分化的影响效应高于水分;温度处理中,最高温度的T4(20℃)处理较T1(14℃)处理幼穗分化进程平均显著提前4.7 d,而适当水分胁迫尽管加快幼穗分化进程,但较充分灌溉CK无显著差异;在生长指标上,轻度水分胁迫LW有利于增加次生根数目、单株叶面积和干物质量,分别较充分供水CK平均增加22%、7%和14%,而次生根长和株高均表现降低,较CK平均降低7%、3%;随着昼夜温度升高,小麦株高、单株叶面积、次生根数目、次生根长度及单株干物质均相应增加,二者平均最大相差2.31、2.94 cm、2.0个、3.74 cm2、1.86 g,但水分、温度及品种互作对小麦株高、单株叶面积、次生根数目、次生根长及干物质均无显著影响。

新疆自然植被对非对称性昼夜增温的时滞响应

为探究新疆地区植被活动与昼夜增温之间的复杂关系,本文利用2000~2015年归一化植被指数(NDVI)及气象数据,定量研究了新疆北疆、南疆及伊犁地区生长季日间最高气温(Tmax)、夜间最低气温(Tmin)变化趋势及植被对非对称性累积昼夜增温的时滞响应,通过二阶偏相关分析了Tmax、Tmin对新疆地区植被的影响.结果表明:北疆、南疆及伊犁地区昼夜增温均呈非对称性,昼夜增温空间异质性显著,北疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.67倍,南疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.59倍,伊犁地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的2.67倍,伊犁地区昼夜温差缩小趋势显著.植被对非对称性昼夜累积增温时滞性呈现明显的空间差异,Tmax、Tmin对新疆地区植被平均滞后时间为(0.97±0.93)个月和(0.91±0.95)个月.南疆、北疆及伊犁地区针叶林、阔叶林及草甸草原植被受日间增温的影响,荒漠草原、典型草原受夜间增温影响显著,夜间增温影响范围更广.

西北地区昼夜增温的不对称性对植被动态的影响

全球变暖有很大的差异性,表现在昼夜增温速度和各个季节的温度增加的速率具有不一致性,夜间增温的速度要快于白天增温的速度,夜间气温的增温对植被变化的影响更为明显。文章利用34年逐月最高温、最低温以及降水量数据,用一元线性回归分析法、反距离权重插值以及二阶偏相关分析法,分析了西北地区白天和夜间气温的非对称时空变化和非对称增温趋势对植被动态的影响,结果表明:西北地区昼夜温度都呈现出上升的趋势,且上升趋势比较明显,白天增温的速度和夜间增温的速度呈现出不对称性,夜间温度升高的速率是白天温度升高速率的1.2倍,昼夜的温差呈现出减小的趋势;西北地区昼夜增温趋势存在不一致性,白天气温的增温速率在-0.02-0.11℃?a-1,夜间气温的增温速率在-0.06-0.2℃?a-1。tmax和tmin在绝大部分地区都呈现上升趋势,但在空间变化的区域上具有不对称性;西北地区植被生长对昼夜增温的响应具有明显的空间差异性,大部分地区的植被对昼夜增温表现为积极的响应,夜间增温对植被的影响要比白天增温对植被的影响是比较明显的;白天和夜间增温的不对称性影响着不同类型的植被,白天气温的升高有利于针叶林植被、草地和阔叶林植被的生长,而夜间气温的升高对灌丛和荒漠植被的生长有积极的影响。

高寒气候区生长季NDVI与昼夜不对称增温的Copula分析

利用1982—2016年的青海地区归一化植被指数和气象数据,基于马尔科夫链蒙特卡罗的Copula函数方法,深入探索昼夜增温不对称性与植被活动之间的复杂关系,揭示了昼夜增温和NDVI之间的联合概率分布及其季节性差异。研究结果表明,昼夜增温与NDVI之间的关系在不同季节呈现显著差异。尤其在秋季,昼夜增温对NDVI的影响最为显著,其次是夏季和春季。通过Copula函数模型,发现昼夜增温与NDVI在特定温度区间内呈现正相关,表明适宜的温度条件下昼夜增温对植被生长具有促进作用。然而,当昼夜增温超过某一阈值时,其对NDVI的促进作用转变为抑制作用,从而限制了植被的生长。同时,还揭示了重现期与昼夜增温及NDVI之间的关系。在较低的重现期下,昼夜增温与NDVI的联合概率较高,表明在这些条件下,植被生长良好的情况出现的频率较高。反之,较高的重现期对应于昼夜增温与NDVI较低的联合概率,表明植被生长受到抑制。本研究通过Copula函数提供了一个全新的视角来理解昼夜增温与植被动态之间的相互作用,强调了气温变化对植被生长影响的复杂性。

开放式昼夜不同增温对单季稻影响的试验研究

全球变暖趋势日益明朗,且存在明显的季节性差异和昼夜不对称性。水稻是我国最重要的粮食作物,研究水稻生产力对昼夜不同增温的响应与适应对我国未来粮食安全战略决策至关重要。在江苏南京设计我国首个稻田开放式增温(FATI:FreeAir Temperature Increased)系统,在2007—2008年对水稻进行昼夜不同增温(全天增温、白天增温和夜间增温)的试验研究。结果表明,该增温系统可以形成4 m2均匀且稳定的增温范围,全天、白天和夜间增温处理平均分别可以使水稻全生育期冠层日均温升高2.0℃、0.6℃和0.9℃。白天增温使水稻全生育期冠层白天温度平均升高1.1℃,夜间增温使夜间温度平均升高1.8℃,与未来的升温幅度相似。全天、白天和夜间增温处理下,水稻冠层温度日较差变化分别为0.1℃、0.6℃和-0.9℃。同时,在该系统的3种增温情景下,水稻分蘖期、孕穗期和灌浆期的田间冠层温度日变化趋势基本与常规对照区一致,全生育期的日平均温度变化趋势也基本一致。两年的增温试验表明,不同增温情景均对水稻的生育进程、成熟期地上生物量和产量产生了明显的影响。其中全天、白天和夜间增温分别使水稻从移栽到始穗平均的日期缩短3.5、2 d和2.5 d,但对始穗至成熟期的影响不明显;全天、白天和夜间增温分别使水稻地上生物量降低7.7%、6.6%和2.8%,但差异均不显著;白天和夜间增温分别使水稻产量下降8.9%和4.5%,而全天增温下水稻产量略有上升,但均未达到显著水平。从产量构成来看,增温下有效穗数和结实率呈现递增趋势,每穗粒数和千粒重呈现下降趋势。增温对水稻株高的影响不明显。上述结果表明,该稻田开放式增温系统能满足水稻系统生产力对未来气候变暖响应与适应的试验研究要求,气候变暖对水稻生产力影响的相关模型分析结果也尚需进一步的田间实际增温试验验证,模型所需的相关参数也需要进一步完善。

中国温带昼夜增温的季节性变化及其对植被动态的影响

结合1982-2015年归一化植被指数(NDVI)、植被类型和气象数据,分别利用一元线性回归和二阶偏相关分析方法,揭示了中国温带地区的生长季不同季节昼夜增温的时空格局以及昼夜增温的不对称性对各类型植被活动的影响。结果表明:(1)近34年来中国温带大部分地区季节性昼夜气温都存在显著的上升趋势;生长季昼夜增温速率呈现出不对称性,春季、夏季白天气温上升速度略快于夜间,秋季夜间增温快于白天;(2)不同季节的昼夜增温对植被活动的影响呈现出明显的分异特征,相对于夜间增温,白天增温对植被活动影响程度更大,影响区域更为广泛;相比夏季和秋季,春季昼夜增温对植被活动的影响范围更广;(3)不同类型植被对昼夜增温速率的不对称性产生了不同的响应,并且在不同季节上的响应程度存在差异。

麦田开放式昼夜不同增温系统的设计及增温效果

【目的】设计旱地开放式增温系统,并从田间温度变化和冬小麦生育期改变等方面来监测系统的增温效果与可靠性。【方法】参考国际已有增温系统,于2007—2009年在江苏南京设计了中国首个麦田开放式增温系统(freeair temperature increase,FATI),进行冬小麦全天、白天和夜间3种增温试验。【结果】2年试验结果表明,该开放式主动增温系统的增温效果明显。3种情景下各增温小区的均匀有效增温面积在4m2以内,其中全天、白天和夜间增温分别使冬小麦全生育期地下5cm的土温平均增加2.2、1.5和1.8℃,地表温度增加2.2、0.9和1℃,冠层温度增加1.5、0.9和1.1℃。3种增温情景下,冬小麦各关键生育期田间温度的日变化及全生育期日平均温度的变化动态与未增温区的基本一致,增温设施能客观地模拟田间实际气温变化特征。尽管该增温系统略微降低了耕层土壤(0—20cm)水分含量,但降幅仅在0.5—2.2个百分点之间,与对照相比不显著。3种增温情景均对冬小麦生长发育产生了显著影响,全天、白天和夜间增温两年平均分别可以使冬小麦从播种至抽穗期缩短14、9.5和11.5d,灌浆成熟期延长3、3和2.5d。【结论】从增温效果及其对冬小麦的生长影响来看,该套系统基本适用于模拟气候变暖下小麦生产力和品质响应与适应的田间试验研究。

昼夜增温对大豆田土壤N2O排放的影响

通过田间试验,用静态箱-气相色谱法测定N2O排放通量,研究昼夜增温对大豆田土壤N2O排放的影响.结果表明,增温没有改变大豆田土壤N2O排放通量的季节性变化规律.整个生长季,与对照相比,增温土壤N2O平均排放通量增加了17.31%(P=0.019),累积排放量显著增加了20.27%(P=0.005).对照与增温处理土壤N2O排放通量与土壤温湿度均呈显著性相关关系,对照与增温土壤的N2O排放温度敏感系数分别为3.75和4.10.整个生育期,增温显著增加了植株地上和总生物量、叶片硝酸还原酶活性和全氮含量,显著降低了叶片NO3--N含量;显著增加了土壤NO3--N含量,但对土壤有机碳及全氮含量没有显著影响.本研究表明,昼夜增温显著增加了大豆田土壤N2O的排放.

昼夜不对称性增温对秦巴山地植被NDVI的影响研究

通过收集1982—2020年秦巴山地94个气象站点逐日观测资料、2000—2020年MODIS归一化植被指数(NDVI)以及中国1100万植被数据集,利用Mann-Kendall检验、趋势分析以及二阶偏相关分析等方法,综合分析秦巴山地昼夜增温时序变化及增速差异,探讨秦巴山地植被NDVI对昼夜不对称增温的响应特征,分析昼夜不对称增温对不同植被类型生长的影响。结果表明:(1)1982—2020年秦巴山地日最低气温和日最高气温存在明显上升趋势,夜间增温速率是白天增温速率的1.3倍,表明昼夜增温存在不对称性。(2)昼夜增温对秦巴山地植被生长促进作用更明显,显著性分析结果存在空间差异,但通过显著性检验的站点数量不多。(3)不同植被类型对昼夜增温响应特征有所差别,白天增温促进草丛、草甸、灌丛、阔叶林、农作物的生长,抑制了针叶林的生长,而夜间增温对植被生长的影响仅对草甸起积极影响,对其他植被类型均为消极影响。

昼夜不对称增温对冬小麦花后冠层反射光谱特性的影响

全球变暖具有明显的昼夜不对称性,温度升高影响冬小麦的生长发育,也改变了其冠层的光谱反射特性。为了研究昼夜不对称增温对冬小麦冠层反射光谱特性的影响,在南京采用开放式田间增温系统,开展昼夜不对称增温的人工控制试验,利用FieldSpec Pro FR光谱仪测定了2个冬小麦品种扬麦15和徐麦31的冠层反射光谱,分析了冬小麦开花后冠层光谱反射率和一阶导数光谱,比较了2种增温方式对冠层反射光谱特性的影响。结果表明,与CK相比,昼夜不对称增温处理(白天增温1℃,夜间增温3℃,T2)的冬小麦冠层反射率,在近红外波段的下降最为显著,且以开花期的冬小麦冠层近红外波段反射率降低幅度最大。昼夜对称增温处理(白天增温2℃,夜间增温2℃,T1)下的冬小麦冠层反射率变化与T2处理后的变化相似,但其反射率降低幅度小于T2处理。在开花期,扬麦15在CK、T1、T2处理下近红外波段反射率分别为0.70、0.61、0.55,而徐麦31在CK、T1、T2处理下近红外波段反射率分别为0.65、0.60、0.52。由一阶导数光谱可以发现,T1、T2处理下,扬麦15红边位置由738 nm变为花后20 d的731和730 nm,俆麦31表现相同的规律。T1和T2处理也使得红边峰值下降,在开花期红边峰值下降幅度最大,且T2处理下降幅度较T1处理更大。与光谱反射率变化相对应,T1和T2均使2品种的叶绿素质量分数和叶面积指数(leaf area index,LAI)显著降低,以T2处理降低幅度最大。因此,昼夜不对称增温影响了冬小麦LAI、叶绿素质量分数、细胞结构和衰老程度,进而表现出冬小麦冠层反射光谱反射率的下降。

非对称性增温对江淮粳稻植株源库特征的影响

气候变暖存在明显的昼夜非对称性,夜间增温幅度大于白天增温幅度,但关于非对称性增温对水稻源库特征影响的研究尚少。为此,于2006-2008年,借助稻田开放式主动增温系统,在江苏南京开展了昼夜不同增温对水稻源库特征影响的研究。结果表明:全天增温(AW)、白天增温(DW)和夜间增温(NW)处理下,水稻地上部干物质和籽粒产量均呈下降趋势。与常温对照相比,AW、DW和NW使干物质分别降低9.3%、16.3%和6.1%,产量分别降低4.6%、12.0%和7.7%。AW、DW和NW分别使花后干物质积累降低23.9%、30.5%和13.9%,但花前干物质无显著影响。不同增温处理对水稻成熟期叶干重所占比例有增加趋势,但对叶干重无显著影响,对茎干重及其所占比例有降低趋势。增温对强势粒的灌浆不利,而有利于弱势粒的灌浆。与对照相比,AW、DW和NW处理使每穗库容量分别平均降低9.9%、7.4%和7.4%,使粒叶比分别平均下降4.1%、9.5%和8.1%。由此表明,在未来气候变暖背景下,江淮水稻植株的源下降和库不足是影响产量形成的主要原因。

冬季增温对田间小麦光合作用及产量的影响

为从光合方面揭示暖冬现象对小麦产量形成的影响,以扬麦13为材料进行开放式增温试验。在冬季(11月13日-翌年3月14日)设置全天(DN)、白天(D)和夜间(N)3种增温处理,分析不同增温处理下小麦在越冬期和孕穗期的光合参数及产量的变化。结果表明,越冬期DN处理下小麦表观光量子效率、光饱和点和光系统Ⅱ实际光化学效率分别比不增温处理(CK)增加28.21%、16.32%和43.78%。越冬期N和D处理下小麦表观光量子效率、光饱和点、光系统Ⅱ实际光化学效率分别比CK高15.38%、13.67%、81.93%和7.69%、0.99%、1.61%。孕穗期N处理下小麦表观光量子效率、光饱和点和光系统Ⅱ实际光化学效率均达最小值,分别比CK降低3.3%、4.5%和9.7%。越冬期DN和N处理能明显增强小麦的光合作用。不同增温处理均导致小麦孕穗期光合作用减弱,但对千粒重穗粒数和影响不显著,而冬季增温可增加小麦穗数。D和DN处理均有增产作用,N处理则导致减产。

水热昼夜不对称下贵州高原植被动态响应

贵州高原为喀斯特高原,其生态环境十分脆弱,研究昼夜水热条件的不对称性及其对植被变化的影响,可为该地区生态保护和防灾减灾提供理论支撑。本研究基于31个气象站昼夜气温和昼夜降水量数据,结合SPOT NDVI数据,利用趋势分析和相关分析等方法,分析了1961-2017年贵州高原昼夜气温和昼夜降水的变化特征及其对植被活动的影响。结果表明,年、月夜降水量大于昼降水量。年昼夜降水量均呈减少趋势,夜降水量的减少率较大。年均昼、夜气温均呈上升趋势,夜气温增幅大于昼气温;各月昼夜气温均呈上升趋势。气温与NDVI的相关程度高于降水,夜气温升高对植被生长有促进作用,而夜降水增多抑制植被生长。当月气温对植被生长影响较大;初春的夜气温和初夏的昼气温对植被生长影响大。初夏和初秋的昼夜降水、初秋的夜气温与植被NDVI变化有2个月时滞。

黄土高原昼夜不对称性增温及其对植被NDVI的影响

本文选取1982—2015年黄土高原及周边地区102个气象站点的气象观测资料,结合归一化植被指数(NDVI)和植被类型数据,采用Mann-Kendall(M-K)非参数检验法和二阶偏相关分析法,分析了黄土高原植被生长季日最高气温(T_(max))和夜间最低气温(T_(min))的时间序列变化趋势和空间格局、并分植被类型探讨昼夜不对称性增温对植被的影响。研究表明:(1)1982—2015年间黄土高原植被生长季T_(max)及T_(min)都存在极为显著的上升趋势(P<0.01),植被生长季T_(min)的增温速率约为T_(max)增温速率的1.6倍,昼夜增温呈不对称性;(2)昼夜不对称性增温对植被动态的影响呈现明显的分异特征,植被生长季植被NDVI与T_(min)表现出比T_(max)更显著的相关性,即相对于白天增温,夜间增温的变化对黄土高原植被的影响程度更加显著;(3)不同植被类型的NDVI与昼夜增温的偏相关分析可知,除草原、农作物外其他植被类型均与T_(max)表现为显著偏正相关(P<0.05);不同植被类型与T_(min)的偏相关关系差异明显,农作物与T_(min)表现为显著偏负相关(P<0.01),其他植被类型与T_(min)均呈偏正相关性(P<0.05)。