全球典型流域地表覆盖变化与净生态系统碳交换量时空相关性分析

随着社会经济的发展,流域管理目标已从早期的防洪、供水、航运等转变为注重资源利用和生态保护的综合管理,并在全球生态系统碳平衡中扮演着重要角色。作为量化生态系统固碳能力的重要指标,净生态系统碳交换量(NEE)在不同地表覆盖类型中的碳源/汇能力存在显著差异。探究全球典型流域地表覆盖类型与NEE的时空相关性对流域生态管理等具有重要意义。本文以全球30 m地表覆盖数据(GlobeLand30)和全球陆地净生态系统碳交换量数据为基础,分析2000—2020年全球8个典型流域的地表覆盖及NEE时空变化特征,研究地表覆盖类型变化与NEE的时空相关性。结果表明:①2000—2020年,流域内耕地、裸地、人造地表、湿地、水体及苔原面积增加,草地面积先增加后减少,整体为增加状态;②2000—2020年,流域整体NEE先减小后增加,整体为减小趋势,碳汇能力增强;③2000—2020年,草地与NEE呈显著负相关,耕地、裸地、人造地表、湿地及水体面积与NEE在2010—2020年呈正相关,地表覆盖类型变化对NEE有显著影响。本文可为流域碳中和管制和土地利用空间优化调控提供理论参考,推动流域协同减排和高质量发展。

不同刈割强度对晋北赖草草地生态系统CO_(2)交换的影响

刈割是草地的主要利用方式,合理的刈割强度对维持草地生态系统碳平衡具有重要意义。本研究以山西省右玉县赖草(Leymus secalinus)草地生态系统为研究对象,动态监测2021年生长季不刈割、轻度刈割、中度刈割和重度刈割对草地生态系统净碳交换(Net ecosystem carbon exchange,NEE)、生态系统呼吸(Ecosystem respiration,ER)和生态系统总初级生产力(Gross ecosystem productivity,GEP)的影响,探究草地生态系统CO_(2)交换对不同刈割强度的响应。实验结果显示,刈割显著影响GEP,主要是由于GEP在中度刈割处理下较不刈割和重度刈割分别提高了21.4%和21.5%,NEE在中度刈割处理下较轻度刈割和重度刈割分别显著降低了54.4%和53.6%,但刈割对ER影响不显著。在不同刈割强度下,土壤温度和土壤无机氮含量是影响生态系统CO_(2)交换的重要因子。本研究结果表明中度刈割可以促进碳吸收而重度刈割会导致生态系统由碳汇转变为碳源,因此中度刈割为晋北赖草草地最适刈割强度。

江苏盐城滨海湿地净生态系统碳交换量模拟参数选择

滨海湿地净生态系统碳交换量受到多种环境因素的影响,在进行滨海湿地净碳交换量估算建模时,参数的选择至关重要,如何合理地选择输入参数不仅对于估算结果的精度有影响,同时也会影响预测模型的适用性。本研究使用了Pearson、Spearman、距离相关系数、最大互信息相关系数4种相关系数来计算各个环境因素与净碳交换量之间的相关性,基于相关系数来选择最佳的输入参数组合。利用实际测得的江苏盐城盐沼湿地数据,依次选择各个相关性中最高的8个参数组合,基于卷积神经网络对江苏盐城滨海湿地NEE进行建模,得到了4个预测模型,并使用均方根误差和平均绝对值误差来进行模型精度的验证。研究表明,使用基于最大互信息系数得到的参数组合进行滨海湿地NEE建模时模型的精度最好,误差最小;净光合有效辐射,净辐射,地表辐射与NEE在4个相关系数中都属于强相关,表明这一类辐射类参数对滨海湿地NEE的影响要大于其他参数;各参数与NEE之间的关系既包含线性关系也包含非线性关系,传统的单一线性分析手段无法完整准确地反应各个环境参数与NEE之间的响应关系;基于卷积神经网络的滨海湿地NEE预测模型在精度上要优于其它同类型模型,这表明使用该模型在进行NEE预测建模时具有很好的适用性。

我国净生态系统碳交换量(NEE)的时空变化特征研究

利用LPJ（Lund-Potsdam-Jena）全球动态植被模型,对1971~1998年我国陆地净生态系统碳交换量（NEE）的年总量变化、空间分布格局及变化特征进行了分析。结果表明,近30年来我国的碳汇强度在波动中呈增强趋势,多年平均总碳汇强度为-0.25 Gt.C/a。全国不同区域年均净碳交换量差别显著,整体表现为东部碳汇强而西部弱,除西北部分荒漠草原地区外,全国大部分地区为碳汇区。1985~1998年平均相对于1971~1984年平均,我国不同地区NEE的变化存在较大的空间差异,其中内蒙的中部地区则由原来的弱碳汇区转为弱碳源区,大部分地区碳汇增强。

华北低丘山地人工林生态系统净碳交换与气象因子的关系

植树造林使我国森林碳储量显著增加,人工林潜在的碳汇功能不容忽视。基于涡度相关技术,对华北低丘山地30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工混交林生态系统进行了连续2a的碳通量观测,以探讨净碳交换(NEE)与气象因子的关系。结果表明:在主要生长季(4～9月份),夜间日平均NEE(生态系统呼吸)随气温升高呈指数增长(P<0.01)。2006年和2007年生态系统呼吸的温度敏感系数(Q10)分别为1.92和1.86。气温在10℃以下时,NEE日总量较小。气温超过10℃后,人工林以净吸收大气CO2为主,且日吸收量随温度升高迅速增加。白天净碳吸收量随光合有效辐射(PAR)增加而增大(P<0.01),可由直角双曲线方程描述;不过,当饱和差(VPD)小于1.0kPa时,二者呈线性相关(P<0.01)。2006年和2007年主要生长季(4～9月份)的平均表观初始光能利用率(α)分别为0.032和0.019,平均最大光合速率(Pmax)分别为0.96mg·m-·2s-1和1.10mg·m-·2s-1。α和Pmax都存在季节变化。在月尺度,Pmax与VPD和PAR呈明显的负相关关系(分别为P<0.01和P<0.05),但与气温相关性不显著;α与对应的PAR、气温和VPD均无明显相关关系。

湖南岳阳地区杨树人工林生态系统净碳交换季节动态研究

利用涡度相关法对长江流域杨树人工林CO2通量季节变化进行了研究。结果表明：CO2通量的日变化特征与杨树所处生长阶段以及光合有效辐射（PAR）有关,夜间生态系统净碳交换（NEE）与5 cm土壤温度呈指数相关,全年的生态系统净碳交换（NEE）数值波动在-2~2 mg.m-2.s-1之间。生长季NEE的变化特点为：早上7点开始生态系统整体表现为吸收CO2,到午时（11：00—13：00）NEE的值较为稳定,日落（18：30—19：00）开始生态系统呼吸作用占主导,而晚上NEE的值变化不大。CO2的最大吸收出现在早上10点左右。NEE同时表现为较为明显的季节变化,在生长季节（4-9月）NEE多为负值,生态系统整体表现为对CO2的吸收,而在非生长季表现为一定强度的碳释放,值得注意的是在2006年的6月碳固定能力弱于生长季的其他月份,原因是长期降雨导致土壤呼吸加剧和水淹的生理胁迫导致杨树呼吸作用加剧。2006年全年NEE为-579 g.m-2,说明该生态系统具有明显的碳汇功能。

华北低丘山地人工混交林净生态系统碳交换的变化特征

采用涡度相关技术对华北低丘山地30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工混交林生态系统进行连续2年的碳通量观测。结果表明:人工混交林净生态系统碳交换(NEE)的年际和季节变化都很明显,但日变化只在生长季(4—10月)才变得显著。2006和2007年人工混交林NEE的变化范围分别在-27.1～8.1和-24.4～9.8gCO2·m-2d-1,最大月平均CO2吸收量分别出现在5月和7月。生长季净碳吸收约占全年的96%。人工混交林是较强的碳汇,2006和2007年净碳吸收量分别为549.1和445.4gC·m-2a-1。春季干旱是2007年人工混交林净碳吸收显著下降的主要原因。

长三角地区稻麦轮作生态系统净碳交换及其环境影响因子

采用涡度相关技术对我国长三角地区典型稻麦轮作农田生态系统（2011年11月—2012年10月）的CO2通量进行连续观测,分析了农田生态系统净碳交换（NEE）的变化特征及其环境影响因子。结果表明：长三角地区稻麦轮作生态系统NEE具有明显的日变化和季节变化特征,具有很强的固碳能力。NEE月平均日变化总体呈＂U＂型曲线,不同月份＂U＂型高度不同;NEE季节变化则呈显著的＂W＂型双峰特征,分别对应两季作物（小麦、水稻）的生长季节。小麦/水稻月平均最大碳吸收峰出现在4月/8月,分别达到-1.12 mg·m^-2·s^-1、-1.45 mg·m^-2·s^-1;日最大累积碳吸收量分别为-12.88 g（C）·m^-2·d^-1、-10.63 g（C）·m^-2·d^-1,长三角地区稻麦轮作生态系统年固碳量达到-769.61 g（C）·m-2·a-1。光合有效辐射是影响白天NEE的主要环境影响因子,Michaelis-Menten方程可以很好地表示作物生长季节两者之间的关系（R2=0.37~0.83）;在同一光合有效辐射条件下,长三角地区稻麦轮作生态系统白天NEE随着气温的升高而增加,而当光合有效辐射大于1 800μmol·m^-2·s^-1在着一定程度的光抑制。温度是影响夜间农田生态系统呼吸特征的主要环境影响因子,长三角地区稻麦轮作生态系统夜间NEE与不同层次温度之间均存在显著的指数相关关系,但是不同作物夜间NEE的最适温度略有差异,小麦夜间NEE与土壤温度（10 cm）相关性最好（0.60）,而水稻夜间NEE与气温相关系数最高（0.49）。

不同封育年限高寒草甸植被/土壤碳密度及净生态系统CO2交换量的比较

封育是推广范围最广的草地恢复措施之一.为研究不同封育年限高寒草甸植被、土壤碳密度变化,对1a、6a和16a不同封育年限样地监测结果进行分析.结果表明:不同封育年限高寒草甸植被现存碳密度表现出封育16a>封育1a>封育6a,分别为1 522.57gC·m-2、1 323.12gC·m-2和1 148.17gC·m-2,但不同封育年限之间植被现存碳密度差异不显著(P>0.05).土壤碳密度垂直分布明显,0～5cm和5～10cm土层有机碳密度较高,随土层深度增加土壤有机碳密度明显下降,土壤容重上升;不同封育年限之间0～40cm层次土壤碳密度和土壤容重差异性均不显著,但仍可表现出土壤碳密度封育1a>封育6a>封育16a,分别为28 636.32gC·m-2、26 570.92gC·m-2和26 060.71gC·m-2;同时,土壤容重随封育时间延长而下降.对7月下旬到10月上旬净生态系统CO2交换率(NEE)监测来看,封育1a植被土壤碳吸收速率显著高于封育16a(P<0.05);而排放率与封育16a样地接近,差异不显著(P>0.05).

安吉毛竹林净生态系统碳交换量及叶绿素荧光参数的变化

利用涡度相关法,对安吉毛竹林生态系统的碳通量进行实时观测,同时用叶绿素荧光仪PAM-2500测定通量框架下毛竹的叶绿素荧光参数。分析了毛竹林净生态系统碳交换量(NEE)的日变化和月平均变化及荧光参数变化。结果表明,NEE值在6:00—7:00开始转为负值,至17:00—18:00转为正值;白天表现为碳汇,并且在数值上,NEE值的负值最高点表现为秋季(9月,10月,11月)>春季(3月,4月,5月)>冬季(12月,1月,2月),说明毛竹CO2通量具有明显的季节变化。逐月NEE值变化范围为-25.563 3~85.531 2 g C·m^(-2)·月-1,12和1月份NEE值较低,1月份达到最低点。叶绿素荧光参数中PSⅡ的最大光合量子产量(F_v/F_m)先降后升,12月,1月和3月份F_v/F_m低于正常水平,与其他月份差异显著(P<0.05),说明毛竹在这3个月份受到了胁迫,光化学效率降低;F_v/F_o与F_v/F_m趋势相同,12月,1月和3月份潜在活性最低,并且与其他月份差异显著(P<0.05);PSⅡ的实际光合量子产量(ФPSⅡ)变化趋势与F_v/F_m、光化学猝灭系数(q P)大致相同;在10月至翌年3月份,q P逐渐下降之后开始升高,同时伴随非光化学猝灭系数(q N)值的上升和下降。研究表明,毛竹在受到低温胁迫时,会导致其吸收的光能用于光化学电子传递的部分减少,光合碳同化率下降。

黑河中游植被生长季土壤呼吸和净生态系统碳交换量的季节变化

基于涡度相关法和静态箱―气相色谱法的净生态系统碳交换量（net ecosystem exchange,NEE）与土壤呼吸（soil respiration,Rs）速率观测数据,探讨了黑河中游不同土地利用方式下净生态系统碳交换量和土壤呼吸的季节变化,以及土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率。结果表明,净生态系统碳交换量和土壤呼吸速率在时间尺度上呈现多峰变化趋势,7月底至8月初达到峰值;在空间尺度上受植被覆盖度的影响,植被稀疏的荒漠、戈壁和沙漠呈现较为一致的变化趋势,土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率达20%～68%;而植被密集的玉米地、果园和湿地则呈现较高的季节变异性,土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率为10%～21%。土壤呼吸的微小变动可能引起净生态系统碳交换量明显变化。

基于深度学习的草地生态系统净碳交换模拟

为应用深度学习理论及技术对高寒地区草原生态系统净碳交换(NEE)进行模型模拟,基于全球通量观测网络(FLUXNET)中内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县草原2007—2008年间的CO2通量数据,采用深度学习中基于注意力机制的编码器-解码器框架对NEE进行模拟,使用随机森林模型计算光量子通量密度(PPFD)、土壤温度(Ts)、空气温度(Ta)、降水量(P)、土壤含水率(SWC)和饱和水汽压差(VPD)与NEE关系的重要性得分,并分析该关系的季节性差异。结果表明,深度学习模型的均方根误差为0.28μmol/(m2·s),决定系数为0.93,相比传统的人工神经网络与支持向量机模型,分别减小0.14、0.08μmol/(m2·s)和增加0.29、0.34,说明深度学习模型具有更高预测准确度;在深度学习模型中引入注意力机制后,10次训练预测的标准差为0.002μmol/(m2·s),相比普通深度学习编码器解码器网络模型和长短期记忆网络分别减小0.005μmol/(m2·s)和0.036μmol/(m2·s),验证了注意力机制在预测稳定性上的优势。由随机森林模型计算的环境因子重要性得分显示,由非生长季向生长季过渡的3—4月间,PPFD(33.5)与VPD(30.0)对NEE的变化起主导作用;进入生长季后的5—6月间,SWC(50.5)是NEE变化的主要影响因素;7月P(3.8)较少,PPFD(26.8)与SWC(60.1)协同作用NEE的变化;8月PPFD(2.8)与SWC(6.9)相对充足,VPD(41.5)与P(42.7)成为影响NEE的主要因素;9月后PPFD与P均急剧减小,并维持稳定,温度系数Q10较生长季略增大,并在1月达到最大值5.96,因此,在非生长季1—3月Ts(44.6)与10—12月Ts(54.2)通过影响植物呼吸成为影响NEE的决定性因子。高寒地区草地生态系统生长季的NEE变化主要受辐射、温度和水分的影响,非生长季主要受温度影响,且辐射、温度、水分的影响程度存在明显季节性差异。与支持向量机等传统机器学习算法相比,深度学习理论及技术在生态模型模拟领域具有更好的应用前景。

晋北赖草草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应

草地生态系统是最主要的陆地生态系统之一,其碳循环过程在全球碳平衡中具有重要作用。为探讨草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应,本研究以晋北赖草草地为研究对象,动态监测不放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧下生态系统净碳交换、生态系统呼吸和生态系统总初级生产力。结果显示,2017年不同放牧强度对生态系统碳通量影响不显著;2018年中度和重度放牧通过改变土壤温度和净初级生产力,一定程度上提高生态系统呼吸和生态系统总初级生产力,但对生态系统净碳交换影响不显著。因此,晋北赖草草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应与放牧年限相关。

广西红树林净生态系统碳交换变化特征及影响因子研究

为了研究广西红树林CO_(2)通量变化特征及其调控机制,利用2019年北海红树林生态观测试验站涡度相关系统观测的红树林碳通量和气象观测数据,分析红树林净生态系统碳交换变化特征及其与气象因子的响应关系。结果表明,广西红树林净生态系统碳交换的平均日变化曲线呈“U”型分布;在月尺度上,碳汇峰值出现在2月,最小值出现在6月;在季尺度上,不同季节碳汇峰值呈秋季>春季>冬季>夏季的趋势;净生态系统碳交换月累积最大值为11月(-45.23 g·m^(-2)·月^(-1)),最小值为7月(-16.95 g·m^(-2)·月^(-1));广西红树林净生态系统碳交换、总呼吸和总初级生产力年累积量分别为-386.68、862.49和-1249.18 g·m^(-2)·a^(-1),3者均低于福建和广东红树林;光合有效辐射是对净生态系统碳交换产生直接影响的主导因子,饱和水气压差是对净生态系统碳交换产生间接影响的主导因子,降水量是净生态系统碳交换的限制因子。

不同区域典型植被类型的净生态系统碳交换特征

利用全球通量网数据集,详细分析了北美、欧洲、亚洲3个主要区域不同植被类型下净生态系统碳交换的变化特征.结果表明:净生态系统碳交换的区域变化特征与植被类型的分布特征密切相关.3个地区CO_2的总体收支为-0.010 93 kg/a,其中,农田和常绿针叶林的碳吸收能力最强,草地的最弱;虽然各地区不同植被类型下净生态系统碳交换的日变化幅度存在明显差异,但均呈"U"型曲线,净生态系统碳交换白天为负值,夜间则相反.碳吸收速率峰值出现在上午10:00-12:00;不同纬度带净生态系统碳交换均表现出明显的季节变化,随纬度升高,植被的碳吸收能力逐渐减弱,中高纬度受降水、土壤湿度等气候因子的影响波动性较大.

欧美杨人工林生态系统净碳交换对环境因子响应的时滞

【目的】定量研究欧美杨人工林生态系统净碳交换(NEE)对环境因子响应的时滞现象,为提高生态系统碳源/汇量的估算准确性提供科学依据。【方法】应用涡度相关技术,结合微气象观测系统,对北京市顺义区欧美杨人工林NEE和环境因子进行连续动态观测,获取2014年生长季(4—10月)NEE、空气温度(Ta)、5 cm深处土壤温度(T5)、光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)和25 cm深处土壤体积含水量(VWC25)观测数据,采用回归分析与小波互相关分析相结合的方法定量研究NEE与环境因子的时滞关系;以决定系数(R^2)、林氏调和系数(LCCC)和均方根误差(RMSE)作为评价指标,利用偏相关分析和主成分分析方法分析时滞现象对NEE与环境影响因子之间关系的影响。【结果】PAR是影响NEE变化的主导因子;由于该生态系统地下水位高,水分供给充足,VWC25对NEE没有显著影响(P=0.1515);白天NEE与PAR同步变化,比Ta、T5和VPD分别提前2.5、2和2.5 h达到峰值(时滞),夜间NEE与环境因子没有确定的时滞关系;消除时滞现象后,NEE与T5的线性关系由不显著(P=0.2248)变为极显著(P=0.0051);主成分分析表明,对数回归模型可以更准确地描述NEE与环境因子间关系,消除时滞后模型的R^2和LCCC分别提高8.1%和2.0%,RMSE降低0.417μmol·m^-2s^-1。【结论】欧美杨人工林生态系统NEE日动态变化受Ta、T5、PAR和VPD控制,白天时滞现象明显,消除时滞现象可以有效提高NEE模型拟合精度。

台风过程对广西红树林净生态系统碳交换的影响研究

为研究台风过程对广西红树林净生态系统碳交换的影响,利用北海红树林生态观测试验站涡度相关系统观测的红树林碳通量和气象观测数据,分析台风“韦帕”登陆前后红树林净生态系统碳交换变化特征及其与气象因子的响应关系。结果表明:(1)红树林净生态系统碳交换碳汇峰值在台风登陆前递增并达到极值,台风登陆时碳汇峰值迅速降低,而在台风登陆后期逐渐恢复;(2)饱和水汽压差是小时尺度上红树林净生态系统碳交换的主要影响因子,最大风速和降雨量是日尺度上红树林净生态系统碳交换的限制因子。

全球陆地生态系统与大气之间碳交换的模拟研究

利用陆面物理过程和植被生理生态过程完全动态耦合的大气植被相互作用模式 (AVIM) ,对全球陆地生态系统的净初级生产力进行模拟。全球陆地生态系统植被分为 1 3类 ,土壤质地分为 7类 ,确定了各种植被和土壤的模式参数。采用全球陆地 0 .5× 0 .5网格点气候平均资料 ;以 30分钟为步长进行积分。并用全球不同地区各种植被类型的 1 9个 NPP观测样点数据校准模型。AVIM模拟全球陆地生态系统 NPP的主要模拟结果如下 :全球陆地生态系统净初级生产力 (NPP)总量约为 60 .72 Gt Cyr- 1。分析了不同植被类型的 NPP分布 ,模式较好地模拟了全球陆地生态系统净初级生产力的纬向分布和区域分布的差异 ,模拟出中国植被生产力的分布特征。陆地生态系统净初级生产力与温度、降水和辐射等气候因素在不同地区有不同程度相关性 ,北方针叶林地区气候因子与 NPP的相关性明显 ,反映出植被对环境因子的不同响应及其物候特征。赤道热带雨林地区NPP与气候因子的相关性不明显。

增温对青藏高原高寒草原生态系统碳交换的影响

碳交换是影响草地生态系统碳汇功能的关键过程,对气候变暖极为敏感。青藏高原分布着大面积的高寒草原,其碳汇功能对气候变暖的响应对区域碳循环过程具有重要的影响。为探究高寒草原生态系统碳交换过程对增温的响应,2012—2014年,在青藏高原班戈县进行了模拟增温对高寒草原生态系统碳交换过程影响的研究。结果表明,增温对高寒草原碳交换各组分的影响存在年际差异,但总体上对碳交换存在负面影响。3年平均结果显示,增温显著降低了高寒草原地上生物量、总生态系统生产力(GEP)、生态系统呼吸(ER)和净生态系统碳交换量(NEE)(P<0.05),平均降幅分别为15.1%、36.8%、19.2%和51.5%。增温条件下3年平均土壤呼吸(SR)较对照无显著变化(P>0.05),但2013年增温显著降低了SR(P<0.05),降幅达18.1%。增温对SR与ER的比值具有一定的促进作用,最高增幅达到40.0%。GEP、ER、SR和NEE与土壤温度和土壤水分无显著相关(P>0.05),而GEP、ER和NEE与空气温度呈显著的负相关关系(P<0.05)。增温引起的干旱胁迫以及地上生物量降低是导致高寒草原NEE降低的主要原因。研究表明,全球变暖会一定程度降低青藏高原高寒草原的碳汇功能。

放牧对晋北农牧交错带赖草草地生态系统碳交换的影响

生态系统净碳交换(NEE)是评估碳循环及收支的重要指标,由生态系统总初级生产力(GEP)及生态系统呼吸(ER)共同决定。以晋北农牧交错带赖草草地为研究对象,利用LI-840a静态箱法,通过观测为期2年(2015-2016)围封和放牧管理下NEE、ER和GEP的日动态和季动态,分析其与气温、土壤温度(0~10 cm)、土壤含水量(0~10 cm),以及地上和地下生物量的相关性,旨在说明放牧对农牧交错带赖草草地生态系统碳交换的影响。结果表明:放牧显著降低了赖草草地地上、地下生物量;NEE、ER和GEP的日变化及季节变化特征明显,均呈现单峰型变化,在5、6、9月较低,在7-8月较高;生态系统碳交换的日变化主要受气温影响,而季节变化主要受表层土壤温度影响;同时NEE、ER和GEP与地上、地下生物量也存在极显著相关性;相比围封,放牧明显降低了该草地生物量和生态系统碳交换速率,但未改变日、季变化趋势。说明放牧通过破坏草地植被光合组织,降低了草地生态系统碳交换能力,减弱了草地生态系统碳汇功能。