2000-2020年中国陆地生态系统年总初级生产力数据集

陆地生态系统年总初级生产力(AGPP)是粮食生产和陆地生态系统固碳的基础。分析AGPP的时空变化可以为保障区域粮食安全和减缓气候变化趋势提供理论依据,但需以准确评估区域AGPP为基础。基于ChinaFLUX的长期联网观测数据和公开的数据集,本研究构建了中国陆地生态系统AGPP数据集,并结合生物、气候和土壤因素,利用随机森林回归树通过模拟单位叶面积的AGPP构建了中国AGPP评估模型,生成了2000–2020年中国陆地生态系统AGPP数据,空间分辨率为30arcsecond,数据格式为tiff。本数据可以为模型模拟提供验证数据,也可以为区域生产力、生态质量、陆地碳汇评估及管理提供数据支撑。

基于植被羰基硫通量估算陆地生态系统总初级生产力研究进展

羰基硫(COS)是大气中的长周期痕量气体,其分子结构、对流层大气混合比的昼夜和季节动态类似于二氧化碳(CO_(2))。植物光合作用及其水解过程中,受扩散通路导度和酶活性影响,气孔的COS与CO_(2)吸收紧密相关,同时,植物自养呼吸并不释放COS。最新研究中,采用植被COS通量直接指示生态系统总初级生产力(GPP)。综述了植被COS通量与光合作用中碳固定过程的关联机制,以及采用涡度相关观测、整合大气COS监测和生态系统过程模型等方法开展植被COS通量与GPP研究的最新进展,探讨了关键生态过程和参数,发现方法存在以下瓶颈:(1)生理过程、尺度效应和解析效应影响了COS与CO_(2)的叶片相对吸收率,(2)观测与模拟手段有待进一步耦合,(3)全球COS观测密度限制了方法验证,(4)硫循环过程影响了多区域模拟精度。方法发展的前沿领域包括:(1)开展重点地区植被COS通量观测,(2)提高COS卫星柱浓度的覆盖范围,(3)完善生态系统过程模型的COS吸收机理。展望未来研究关注的科学问题是:对于亚热带等尚待开展COS连续观测的区域,采用植被COS通量直接代理GPP的精度和不确定性。

三江源地区人工草地的生态系统CO_2净交换、总初级生产力及其影响因子

为了揭示三江源区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地生态系统(100°26′-100°41′E,34°17′-34°25′N,海拔3980m)的净生态系统CO2交换(NEE),该研究利用2006年涡度相关系统观测的数据分析了该人工草地的NEE,总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(Reco)以及Reco/GPP的变化特征及其影响因子。CO2日最大吸收值为6.56g CO2·m-2·d-1,最大排放值为4.87g CO2·m-2·d-1。GPP年总量为1761g CO2·m-2,其中约90%以上被生态系统呼吸所消耗,CO2的年吸收量为111g CO2·m-2。5月的Reco/GPP略高于生长季的其他月份,为90%;6月Reco/GPP比值最低,为79%。生态系统的呼吸商(Q10)为4.81,显著高于其他生态系统。该研究表明:生长季的NEE主要受光量子通量密度(PPFD)、温度和饱和水汽压差(VPD)的影响,生态系统呼吸则主要受土壤温度的控制。

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。

基于遥感总初级生产力的天山-塔里木绿洲地区生态系统脆弱性研究

生态系统的脆弱性是全球气候变化与可持续发展研究的核心问题,测定与评价脆弱性对认识生态系统的结构与功能至关重要。天山-塔里木绿洲地区包含着山地、荒漠和绿洲等多种类型的生态系统,存在着多个不同生态类型的交界过渡区。为定量评价该地区生态脆弱性,以植被总初级生产力这一生态系统重要的功能性指标为基础,对该地区生态系统脆弱性进行了计算和分级(不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱),并对研究区生态系统脆弱性的空间分布特征及其与环境因子的关系进行了分析与讨论。结果表明:(1)研究区生态系统脆弱性总体上表现出明显的空间分化格局,以中度和重度脆弱为主,极度脆弱的地区主要分布在南部的塔里木绿洲。(2)生态系统脆弱等级大体上随着区域内多年平均温度的升高而升高。受地表水灌溉的影响,生态系统脆弱性与降水量间并无明显趋势性规律。(3)研究区的生态系统脆弱等级随着区域内的平均海拔以及平均坡度的升高都呈现下降的趋势。受自然条件恶劣、过度放牧以及农田过度开垦的影响,目前该地区总体呈现脆弱性严重的状态。研究表明该地区应积极开展生态治理工作,合理规划生态功能关键区,保护好现有草原和湿地等易开垦地区,划定绿洲开发范围的"红线",限制农田的开垦,协调好塔里木河流域的水资源分配。研究为使用卫星遥感数据研究生态系统脆弱性提供了方法上的参考,为可持续发展和生态治理提供了科学依据。

中国森林生态系统总初级生产力估算及分析

森林生态系统是陆地生态系统的主体,量化森林生态系统总初级生产力(GrossPrimary Productivity,GPP)并分析其时空变化动态,有助于理解陆地碳动态发展及其对气候变化的响应机制,助力中国林业可持续发展。本研究采用敏感性分析法发现最大光能利用率--LUEmax是植被光合模型(VegetationPhotosynthesisMode;VPM)估算森林生态系统生产力的直接变量,敏感性高达100%。基于非线性最小二乘法,结合通量站点观测数据,优化VPM中最大光能利用率参数,并模拟了2000—2015年中国森林生态系统总初级生产力,进而分析了林区16年来GPP时空变化特征及其主要环境影响因子。结果表明:森林GPP年均值为1294.62 g C/m^(2)/year,以6.57 g C/m^(2)/year2(P<0.05)的速率显著上升,其环境因子光合有效辐射呈现增加趋势,而温度和降水量的年际变化不明显,森林GPP与光合有效辐射和温度呈显著正相关,与降水量呈负相关;在空间尺度上,在空间上超过80%区域的森林GPP年际变异由光合有效辐射和温度年际变异控制,光照和温度是我国森林生态系统GPP的主要影响因子。

人工灌丛总初级生产力和蒸散对气候变化的响应模拟——以宁夏盐池县荒漠草原区为例

荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力(GPP)和蒸散(ET)如何响应全球气候变化,不仅是全球变化生态学研究的核心问题,也关乎干旱半干旱风沙区生态建设的可持续性。利用参数优化后的生物群区生物地球化学循环(Biome⁃BGC)模型和气象环境驱动数据,考虑不同气候变化情景和未来趋势,模拟了盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET对气候变化的响应。结果表明:(1)增温会显著抑制生态系统的GPP,大幅度的增温(3℃)会导致GPP急剧下降,但增温对ET的抑制作用非常微弱;(2)降水是限制ET变化的重要因素,相对于增温诱发干旱胁迫所引起的ET小幅下降,降水多寡则更直接地控制着生态系统的ET大小;(3)中国西北地区未来气候的“暖湿化”趋势和大气CO_(2)浓度升高会对荒漠草原区人工灌丛生态系统产生综合驱动效应,增强陆地和大气间的碳水交换通量。研究成果可为干旱半干旱区应对全球变化及指导地方政府制定生态保护修复政策提供科学依据。

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。

基于涡动相关技术对生态系统生产力和呼吸作用的模拟研究

陆地生态系统和大气之间的净生态系统CO_2交换(NEE)反映了总的CO_2同化陆地和生态系统呼吸作用(R_(eco))之间的平衡。将这两部分通量区分开来对于理解环境变化生态过程引起的响应机制很重要。夜间(定义为太阳总辐射小于20 W/m^2)[1]总的CO_2同化(GPP)为0,测量得到的NEE与R_(eco)相等,本文使用基于夜间数据的估计方法,将夜间测量的呼吸作用外推到白天,再根据公式NEE=R_(eco)-GPP计算出GPP,并利用观测数据和计算数据分析了NEE、GPP和R_(eco)的日变化趋势以及NEE、GPP、R_(eco)与气象因子之间的关系。

干旱对鄱阳湖流域植被生态系统GEP的影响

总生态系统生产力GEP(gross ecosystem productivity),是生态系统固定的碳总量,作为碳循环研究的重要组成部分,有着不可估量的生态价值和极为重要的人文社会意义.在全球气候变暖背景下,干旱对陆地生态系统GEP造成了一定影响.该文以鄱阳湖流域为研究区,利用生态耦合模型估算2000—2016年间每月GEP,计算干旱指数SPI(standard precipitation index)探究干旱在时间和空间分布上对GEP的影响.通过对模型模拟的GEP与MODIS的GEP产品进行对比分析,发现两者具有较好的相关性,且在GEP低值区间两者表现几乎完全一致.研究结果表明,干旱对鄱阳湖流域植被生态系统GEP存在抑制效应,随着干旱程度的加剧,GEP显著减少;两者不仅在时间上存在一致协同变化趋势,在空间分布上也表现出强烈的一致性.通过该研究,有助于管理部门了解干旱对GEP产生影响的作用机制,为流域生态环境保护提供科学支撑.

草地退化对三江源区高寒草甸生态系统CO_2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.

放牧强度对不同草地类型生态系统气体交换影响的研究

为揭示不同放牧强度下不同草原类型气体交换的变化规律,在8月中旬采用Li-6400便携式光合仪和密闭式箱法,分别对内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原不同放牧强度下气体交换进行分析研究。结果表明:不同草原类型之间的生态系统净CO2交换(NEE)、生态系统总呼吸(ER)和生态系统总初级生产力(GEP)均存在显著差异(P<0.05)。草甸草原的NEE和GEP随放牧强度增加呈现降低趋势,ER则呈现上升趋势;典型草原的NEE和GEP随放牧强度增加呈现上升趋势,ER则呈现下降趋势;荒漠草原的NEE和GEP除对照区外,随放牧强度增加呈现上升趋势,而ER呈降低趋势。放牧通过对草原生态系统植物、土壤等产生影响,从而影响生态系统气体交换。

放牧强度对青藏高原高寒草甸净生态系统交换量的影响

放牧是青藏高原主要的土地利用方式之一。放牧强度不同,对青藏高原高寒草甸生态系统NEE的影响也不同。为揭示不同放牧强度下高寒草甸生态系统气体交换的变化规律,同时为生态系统碳收支核算提供基本数据,本研究于2012年5-10月采用Li-6400便携式光合仪和密闭式箱法,对青藏高原高寒草甸生态系统不同放牧强度下的气体交换进行分析测定。结果表明,1)净生态系统交换量(NEE)、生态系统呼吸量(Reco)和生态系统初级生产力(GPP)均表现出明显的季节变化,NEE在整个生长季的变化趋势呈"U"型,Reco和GPP为单峰型变化趋势;2)从5月中旬到9月中旬,NEE为负值,表明高寒草甸生态系统为CO2净吸收;3)在放牧率为50%的中度放牧强度下,高寒草甸的NEE和GPP具有最大值,表明中度放牧生态系统具有较高的碳汇水平。

叶绿素荧光遥感在陆地生态系统碳循环和陆气相互作用中的应用研究进展

陆地生态系统通过植被光合作用可以吸收约30%的人为碳排放,在全球碳循环、减缓大气二氧化碳浓度上升等方面具有重要作用。最近10年发展起来的日光诱导叶绿素荧光遥感技术,可以监测植被实际光合作用,为全球陆地生态系统碳循环的研究提供了新的思路和方法。本文回顾了叶绿素荧光遥感产品发展及其在陆地生态系统碳循环和陆气相互作用中的应用研究进展,特别是在全球植被总初级生产力估算和陆地生态系统碳循环模型发展方面的进展,并进一步讨论了该领域研究面临的挑战和未来的发展方向。

氮添加对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

生态系统碳交换(NEE)是评估碳循环及平衡的重要指标,由生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)共同决定。以往研究表明,N添加能显著促进草地生态系统植物的生长进而提高生态系统的生产力,但N添加如何影响生态系统碳交换的结论仍不明确。同时,对于不同剂量的N添加对生态系统碳交换影响有何差异也不清楚。于2012和2013年在内蒙古草原开展N添加控制实验,设置中等剂量(10 g N m^(-2)a^(-1),N10)和高等剂量(40 g N m^(-2)a^(-1),N40)两个N添加处理,并采用生态系统原位观测箱系统监测不同N处理条件下的NEE动态。结果表明:2年中等剂量N添加处理(N10)下GPP较对照分别增加了15.6%和20%,而ER的变化不显著,该处理下NEE较对照显著降低了230%和337%(即固碳能力增强)。与中等剂量N添加处理结果不同,高等剂量N添加处理下GPP和ER均有不显著的降低趋势,同时,尽管该处理下NEE有升高的趋势(即固碳能力降低),但并不显著。土壤水分改善、土壤温度下降以及叶片N浓度增加可能是中等剂量氮添加促进该生态系统固碳能力的重要机制,而土壤酸化和物种组成改变可能是导致高等剂量N添加下生态系统固碳能力低于中等剂量的重要原因。研究结果表明,不同剂量N添加对生态系统生产力与呼吸的作用机制存在差异,导致生态系统固碳能力有着明显区别。

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。

基于涡度相关的黑河玉米生态系统生长季碳通量和固碳能力变化特征研究

利用黑河计划数据管理中心提供的黑河大满灌区农田生态系统4套涡度相关仪和配套的气象观测站点的数据，在对通量和气象数据预处理前提下，得到完整可靠的CO2通量和配套的气象观测数据，计算4个站点的CO2通量（ Fc）、净生态系统交换量（ NEE）、总初级生产力（ GPP），分析它们的动态变化特征。结果表明，在研究区内，整个生长季Fc介于-2.78~0.60 mg/（m2·s），最小Fc出现在7月中下旬；整个生长期月平均Fc表现为“U”型曲线，在13：00达到峰值[-1.91 mg/（m2·s）]。夜间生态系统的碳通量与地表温度呈显著的指数关系，土壤温度是其主要影响因素；NEE最大碳吸收量出现在7月中旬，达到16.04 g/（m2·d），极个别与临近值变化趋势不同的数值，是由高温季节的强降雨天气导致；最终得到的生长季GPP在7月中旬日积累量达到最高[17.74 g/（m2·d）]。4个站点生长期的GPP总累积量分别是914.68 g/m2、937.03 g/m2、984.18 g/m2、1002.20 g/m2。

安吉毛竹林生态系统光合作用特征及其环境影响因子研究

以浙江省安吉县毛竹(Phyllostachy sedulis)林生态系统为研究对象,利用开路涡度相关系统测定了2014年毛竹林生态系统CO2通量特征,首次利用涡度相关法分析了毛竹林生态系统光合作用特征及其影响因子。结果表明:生态系统最大光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)和初始量子效率(α)均具有明显的月变化特征,各参数的变化范围分别为0.376 5~1.525 7 mg/(m2·s)、0.001 6~0.002 4 mg/(m^2·s)、0.078 5~0.269 5 mg/μmol,毛竹林总生态系统生产力GEP年总量为1 596.22 g C/(m^2·a)。影响毛竹林生态系统Pmax和GEP的主要环境因子是温度、光合有效辐射、叶面积指数和饱和水汽压差,Pmax和GEP均随着温度、光合有效辐射和一定范围内的叶面积指数的增加而增长,SWC50 cm也是影响Pmax和GEP的重要环境因子(P<0.05),SWC5 cm对二者的影响均不明显(P>0.05)。

祁连山东段4类草地生态系统CO_(2)通量与叶面积指数的关系研究

以祁连山东段嵩草草甸(矮嵩草草甸)、灌丛草甸(金露梅灌丛草甸)、沼泽草甸(帕米尔苔草沼泽草甸)和草甸草原(西北针茅草甸草原)4类重要草地为对象,基于2011年植被生长季(6~9月)涡度相关观测系统连续监测的CO_(2)通量和遥感反演的叶面积指数(LAI),比较研究CO_(2)通量及群落光合特征参数与LAI的关系。结果表明,生长季中嵩草草甸的LAI和碳汇强度分别为2.76m^(2)/m^(2)和694.13gCO_(2)/m^(2),显著高于其他3类草地类型。灌丛草甸碳汇强度居中(662.98gCO_(2)/m^(2)),但LAI最小(1.66m^(2)/m^(2)),草甸草原碳汇强度次之(524.40gCO_(2)/m^(2)),沼泽草甸碳汇强度最小(460.77gCO_(2)/m^(2))。4类草地的逐日生态系统CO_(2)净交换(Net ecosystem CO_(2)exchange,NEE)均主要受控于生态系统总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)。逐日NEE、GPP、生态系统总呼吸(Ecosystem respiration,RES)均与LAI呈显著线性相关(P<0.05)。沼泽草甸和灌丛草甸的逐日GPP及NEE对LAI的敏感度极显著高于嵩草草甸和草甸草原(P<0.001),但不同草地类型间逐日RES对LAI的敏感度无显著差异。嵩草草甸的饱和光合速率和生态系统暗呼吸速率相对最大,平均分别为0.89和0.22mgCO_(2)/(m^(2)·s),但与其他3类草地无显著差异。草地类型间群落光合特征参数的季节变异主要受控于LAI(P<0.01),与草地类型和生长阶段关系较小。因此,LAI和草地类型通过影响总初级生产力、呼吸强度和群落光合特征,共同调控着高寒草地的碳收支。研究结果可为祁连山东部区域碳汇功能评估提供理论依据和数据支撑。

高水平氮素添加促进内蒙古温带典型草原生态系统碳固持

净生态系统生产力(NEP)直接反映陆地生态系统碳固持能力,是衡量碳汇或碳源的重要指标.目前关于氮沉降对NEP影响的研究大多数都采用2个水平的氮处理,而关于不同水平氮沉降速率对NEP的影响及其机制还鲜有报道.利用中国科学院植物研究多伦站在内蒙古温带典型草原建立的一项模拟多水平氮沉降影响的控制实验平台,通过对生态系统碳通量及其相关因子连续两年的观测,探讨温带典型草原NEP对不同水平氮素添加的响应机制.混合效应模型(Mixed effects models)显示:低水平氮素添加对总初级生产力(Gross primary productivity,GPP),生态系统呼吸(Ecosystem respiration,ER)和NEP均无显著性影响;高水平氮素添加更能促进温带草原生态系统碳固持.结构方程模型(Structural equation model,SEM)显示:GPP主要受到氮素添加量,群落盖度(Cover)和土壤湿度(SM)影响;而ER则受到氮素添加量,Cover,SM和土壤呼吸(SR)的影响.研究结果增加了全球气候变化条件下对温带草原生态系统净碳固持响应氮沉降的认识和理解,有助于预测陆地生态系统碳循环与全球变化的关系.