基于草地综合顺序分类法的CASA模型改进

将任继周等提出的草原综合顺序分类法的草原分类气候指标>0℃年积温(Σθ)和湿润度指标(K)引入CASA模型,对水分胁迫因子的计算进行改进,避免了复杂的土壤参数,仅用>0℃年积温和K值就可计算水分胁迫因子,极大地简化了模型。同时调整了CASA模型最大光能利用率的固定取值,使之成为适合中国草地净第一性生产力(NPP)估算的模型。改进的CASA模型实现了草地NPP模拟与草地综合顺序分类系统的耦合,能更好地反映草地类型与草地NPP的关系,为研究草地NPP的区域分布和全球分布提供了理论依据。

基于改进的CASA模型模拟草原综合顺序分类体系各类的最大光能利用率

植被最大光能利用率是净初级生产力(NPP)估算的一个重要参数,对它的大小一直存在争议。利用遥感数据、气象数据和中国区域NPP实测资料,依据基于草原综合顺序分类(CSCS)改进的CASA模型,采用改进的最小二乘法对中国41类草地的最大光能利用率(εmax)进行了模拟,并通过与他人估算的光能利用率(ε)进行比较来验证εmax的可靠性和准确性。结果表明:此次研究的ε值略高于其他的研究结果。其主要原因有:ε最大值和最小值之间的跨度较大,从而使得平均值较高;由于缺乏实测数据,个别草地类型的ε估算值较高,导致了本研究ε值偏高;各研究采用的分类体系不同,模型和数据来源不同,从而导致结果存在差异。本研究中的εmax根据实测数据模拟得到,今后需进一步收集实测数据,对参数εmax的合理取值进行调整。

基于气象要素空间分布模拟优化的中国草地综合顺序分类

依据草地综合顺序分类系统(CSCS)原理,利用中国区域1961—2004年的气象信息数据,以及1km分辨率的DEM(高程)数据,借助ArcGIS平台,采用优化的气象要素模拟方法——多元回归+残差分析(AMMRR),以及3种传统插值方法,模拟了中国多年平均的>0℃年积温(Σθ)和年均降水量(r)的空间分布,并利用AMMRR法对中国草地进行分类。研究结果表明:1)AMMRR模拟得到的Σθ和r与实测样本的相关系数分别为0.976和0.974,极显著相关(p<0.01);相对平均误差(RME)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于3种传统插值方法。2)AMMRR通过经纬度、海拔高度与气象要素间的多元回归以及残差分析修正,不仅弥补了原始站点不足且分布不均匀的缺点,而且也充分体现了海拔落差较大区域气象要素的垂直变化。气象站点分布密集的区域,4种方法模拟的效果较一致,其空间格局与真实地理环境相似;但站点稀疏而且分布不均匀的区域,只有AMMRR的模拟结果才能反映出小尺度空间分布中地形的空间分异作用,结果比较理想。3)依据CSCS,中国草地包括除炎热极干热带荒漠类(ⅦA7)的其他41个地带性草地类。从南到北,Σθ减小,依次分布着炎热潮湿雨林类(ⅦF42)-亚热潮湿常绿阔叶林类(ⅥF41)-暖热潮湿落叶、常绿阔叶林类(ⅤF40)-暖温潮湿落叶阔叶林类(ⅣF39);从东向西,r降低,依次分布着微温潮湿针叶阔叶混交林类(ⅢF38)-微温湿润森林草原、落叶阔叶林类(ⅢE31)-微温微润草甸草原类(ⅢD24)-微温微干温带典型草原类(ⅢC17),地带性规律明显。

基于CSCS的黑河上游潜在植被NPP及其水热关系研究

潜在植被NPP空间分布格局是植被长期适应自然的结果,是NPP与外界环境关系的反映,通过这种关系有助于理解地表碳循环发生的环境背景。本研究利用综合顺序分类法(CSCS)对黑河上游潜在植被进行模拟,通过植被反演计算潜在植被NPP总量以及累积量,探讨了潜在植被NPP与水热因子之间的相关性。结果表明,黑河上游潜在植被类型共有8个类,且具有明显的垂直地带性分布特征。潜在植被NPP积累量分布特征为河流流经的地区高于其他地区,在山区中,随着海拔的上升,NPP积累量呈先上升后下降的趋势,潜在植被的NPP积累量由黑河上游水热分布条件决定的。NPP积累量与≥0℃年积温在寒冷和寒温级内呈正相关,在微温级内呈负相关;与湿润度在干旱、微干、微润和湿润4个等级内呈正相关,在潮湿级内呈负相关。这种分布格局反映了潜在植被对生境和气候变化的多元适应性结构。

基于CSCS和RegCM3模型的21世纪末中国潜在植被

潜在植被作为陆地生态系统的重要组成部分,能够真实反映立地气候环境,对其分布特征的研究可为生态工程评价提供依据。本文以综合顺序分类系统理论为基础,选取RegCM3模型及A2情景下的预测数据,模拟了2071—2100年中国潜在植被的空间分布。结果表明,21世纪中国潜在植被均发生了不同程度、不同方向的变化,具体表现为:温带森林和冻原高山草地向冷干方向变化,其中温带森林为中国主体潜在植被;亚热带森林向较冷地区演替;温带荒漠、热带森林及热带稀树草原向冷湿方向迁移;半荒漠向暖湿地区集中分布;干草原、温带湿润草地及热带荒漠向暖干方向变化,其中温带湿润草地和热带荒漠的空间分布重心迁移显著。本文揭示了21世纪中国潜在植被的变化规律,可为我国21世纪生态建设战略提供参考。

基于CSCS改进CASA模型的中国草地净初级生产力模拟

将草原综合顺序分类系统(CSCS)中的热量指标(∑θ)和湿润度指标(K)引入CASA模型。利用该模型模拟了2004—2008年中国41个草地类的净初级生产力(NPP),并分析了其时空变化和不同草地类NPP变化。结果表明:2004—2008年中国草地NPP模拟平均值与实测平均值分别为503.8g·m-2·a-1和567.3g·m-2·a-1,两者较为接近。各类草地的平均误差和平均相对误差均值分别为4.85g·m-2·a-1和7.6%。草地NPP的实测值和模拟值相关性较好。改进CASA模型模拟值比Miami和Thornthwaite Memorial模型模拟值更接近实测值。NPP空间分布呈东高西低、南高北低、从西北向东南逐渐增加的趋势,体现了K和∑θ的水平和垂直地带性分布规律。2004—2008年中国草地NPP总体呈现增加趋势,其总量增加了23.0%。草地NPP年均值在不同植被类型中差异显著,分布规律与CSCS划分草地类的K和∑θ密切相关。总之,改进后的CASA模型模拟精度较高,实现了草地NPP模拟与草地分类的相互关联。

未来不同气候情景下全球草地生态系统及净初级生产力时空动态分析

为揭示未来气候变化对草地生态系统的影响及其响应,本研究基于4种未来气候情景(包括SSP126,SSP245,SSP370和SSP585)数据,利用改进的综合顺序分类法和分段模型评估了2020—2100年全球草地生态系统及其净初级生产力(Net primary productivity,NPP)的时空格局及动态演变趋势。结果表明,在4个气候情景中,全球年均温和年降水量均将呈现整体上升的趋势。在SSP126和SSP245情景中,全球草地面积将下降,预计到2090 s将分别下降194.10和178.43万km^(2),主要原因在于冻原与高山草地面积的减少。相比之下,在SSP370和SSP585情景中,全球草地面积将呈现上升的趋势,预计到2090 s将分别上升67.59和136.72万km^(2),热带萨王纳面积增加最多。全球草地NPP在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中均将呈现上升趋势,预计到2090将分别上升0.25,1.96,5.78和7.52 Pg DW,其中,热带萨王纳NPP的贡献最大。在全球暖湿化背景下,冻原与高山草地和热带萨王纳更易受气候变化的影响。

宁夏天然草地的空间分布与类型特征

重新科学地认识宁夏草地类型及其特征对宁夏草地可持续利用与精细化管理至关重要,也对黄河中上游生态安全屏障的构建具有积极意义。本研究运用综合顺序分类系统(CSCS),在ArcGIS平台上制作了宁夏回族自治区CSCS草地类、草地类组分布图,研究其空间分布与类型特征,结果显示:1)宁夏共有12种CSCS草地类,其中,暖温干旱暖温带半荒漠类面积最大,为14786.73 km^(2),其次是微温干旱温带半荒漠类,面积为8187.36 km^(2),两种草地类分别占宁夏全区草地面积的48.44%和26.82%。2)宁夏共有4种CSCS草地类组,从北到南依次为半荒漠类组、典型草地类组、温带湿润草地类组和温带森林草地类组,面积逐步减小,分别占据宁夏草原总面积的75.27%、12.39%、8.45%和3.89%。3)根据宁夏草地不同的空间分布特征,将宁夏草地划分为3个片区,分别是宁北半荒漠草地生态保护区、宁中典型草地-温带湿润草地生态经济区和宁南温带森林草地山地景观生产区;并遵循因地制宜的原则,对3个片区分别实行以草定畜、发展草业生态经济和山地-草地景观旅游业等草地管理措施。

草地对全球气候变化的响应及其碳汇潜势研究

本研究用综合顺序分类法(CSCS)分析了1950-2000年和2001-2050年期间的草原类型演替及碳汇动态。证明中国草地的碳汇主体依次是冻原和高山草地、温带湿润草地、斯泰普草地和半荒漠草地大类,占中国潜在草地总面积的85.52%,年碳汇潜力占中国潜在草地年碳汇潜力的93.29%。全球草地的碳汇主体是萨王纳、冻原和高山草地大类,两者的面积和占全球潜在草地总面积的48.50%,年碳汇潜力占全球潜在草地年碳汇潜力的72.22%。在全球气候暖干化的强(A2a)、弱(B2a)情景下,与当前(1950-2000年)情景相比,中国将呈现草地面积减少,林地面积增加的态势;与中国的趋势相反,全球将呈现草地面积增加,林地面积减少的态势。在全球暖干化的A2a和B2a模式下,草地年碳汇潜力,中国将分别提升14.6%和18.5%,全球将分别提升17.3%和16.8%。但两者的增长方式不同,全球是以温带湿润草地大类年碳汇潜力大幅增加为特征,而中国是以负增长为特征。我国的暖干化趋势在草地年碳汇潜力上的反映较之全球更强烈。尽管造成全球气候暖干化的自然因素远非人力所能控制,但系统问题只能靠系统综合的办法治理。这是草地工作者当前的使命。

近百年全球草地生态系统净初级生产力时空动态对气候变化的响应

气候变化是影响生态系统空间地理分布、结构和功能的主要因素。为了从长时间序列大空间尺度上了解气候变化对草地生态系统的影响及其反馈机制,本研究利用综合顺序分类法及分段模型分别模拟了1911-2010年间全球草地生态系统及净初级生产力(NPP)的时空动态,并通过相关性分析揭示草地NPP对不同气候因子的响应。结果表明,在过去的百年间,全球草地面积从1920s的5175.73万km^2下降到1990s的5102.16万km^2,其中冻原与高山草地类组的面积下降最多,为192.35万km^2,荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积分别下降了14.31、34.15和70.81万km^2,而热带萨王纳类组的面积增加了238.06万km^2。在气候变化的影响下,大多数草地类组的重心均向北方移动,在北半球尤为明显。全球草地NPP从1920s的25.93Pg DW/年增加到1990s的26.67Pg DW/年。就各草地类组而言,冻原与高山草地类组、荒漠草地类组、典型草地类组、温带湿润草地类组的NPP均呈现下降趋势,分别下降了709.57、24.98、115.74和291.56Tg DW/年,而热带萨王纳类组的NPP则增加了1887.37Tg DW/年。从全球尺度来看,降水是影响草地NPP的主要气候因子。总的来说,近百年气候变化对全球草地生态系统产生了深刻的影响,尽管草地NPP呈现增加的趋势,但暖湿化的气候变化对草地生态系统的结构和空间分布产生了不利的影响。

不同气候变化情景下2070—2099年中国潜在植被及其敏感性

潜在植被作为当前气候条件、无人类干扰下,所能发育演替形成的最稳定、最成熟的一种顶极植被类型,能够反映立地植被发展的趋势。潜在植被的研究有助于人类了解植被与气候系统的作用机制,可为区域植被恢复工程和生态建设提供参考依据。基于综合顺序分类系统,利用A1B、A2及B1情景下2070—2099年气象数据对中国潜在植被进行了模拟,在不同气候变化情景下分析了未来中国潜在植被的空间分布和潜在植被对不同气候变化的敏感性。结果表明:(1)不同气候变化背景下中国潜在植被分布的规律具有相似性,但潜在植被类在总数和各情景下分布的面积存在差异性;(2)比较发现,中国的气候条件在20世纪和21世纪均不适宜炎热极干热带荒漠类(ⅦA)的发育;(3)中国潜在植被在3种气候变化情景下表现为敏感性的区域占到国土总面积的64.10%,在西北地区、北方地区、南方地区及青藏地区不同自然区敏感性地区所占各区的比例不同,分别为68.20%、70.82%、49.94%及66.59%。

三江源草原生态系统生态服务价值的能值评价

三江源地区处于青藏高原腹地,考虑三江源地区草地生态系统的特殊性、复杂性、敏感性,及其所蕴含的巨大的生态服务价值,全面的评价该地区的生态服务价值对于维护该地区生态环境健康和未来该地区经济社会的可持续发展具有重要意义。本研究以草地综合顺序分类法为理论基础,以能值分析法为主要计算方法,选择合适的6项评估指标,对2001-2010年三江源区草原生态系统生态服务价值进行逐项评估。研究结果表明,在过去的10年中,三江源区草原生态系统生态服务价值总量从1375亿元/年上升到1780亿元/年,年际变化较大;从趋势上,以2006年为分界点,2006年后的年份,其生态服务价值总量基本保持上升趋势,且普遍高于2006年前的年份。对不同草原类型进行生态服务价值评价可以看出,多雨冻原高山草甸类生态服务价值占全部草原类型生态服务价值的比例最大,10年中皆超过99.5%,这主要与该草地类型所占的面积比例有关;各类型草地生态服务价值占总价值的比例年际变化不大;在6项指标中,释放O_2与固定CO_2的价值所占总价值比例最大,两者之和约占全部价值量的90%,而直接的草产量价值仅占全部价值量的1%左右,远远低于其他生态服务项目的价值。

草地土壤有机碳储量模拟技术研究

探知全球草地生态系统的土壤有机碳储量是调控全球陆地碳循环过程的必要环节和最大难题之一。本文回顾了草地生态系统土壤有机碳储量的研究进展,分析了现有的草地土壤有机碳模拟技术——草地土壤有机碳模型的主要技术特征,就模型的基础数据、模型的结构和模型内的函数参数等三方面,讨论了现存草地土壤有机碳模拟技术的缺陷,提出样地清查、遥感分析和模型模拟方法的综合运用将是解决这一问题的根本途径。最后,提出了一种基于草地综合顺序分类系统(comprehensive sequential classification system of grassland,CSCS)的草地土壤有机碳储量分类指数模型的构架。将样地清查、基于CSCS的草地土壤有机碳分类指数模型与遥感的高时空分辨率特征三者耦合起来,分析不同草地类型、气候区划等生态条件下的草地土壤有机碳特征,以求提高草地土壤有机碳估算结果的准确性。此外,草地生态系统土壤的碳汇效应等生态功能与放牧利用不存在绝对对立关系,实现放牧的现代化转型是以对草地土壤有机碳储量精准估算为前提的。

青海省草地碳汇潜力研究

青海作为草地大省,草地碳汇潜力巨大。在全球气候暖干化的强(A2a)、弱(B2a)情景下,青海省气候呈现暖湿化趋势;青海省潜在草地的主体是冻原高山草地大类,占青海省潜在草地总面积的75.69%,其潜在碳汇占全省草地潜在碳汇的87.22%。与近50年(1950-2000)相比,未来(2001-2050)A2a、B2a情景下青海省将呈现草地面积减少,林地面积增加的态势,草地面积将分别减少30.71%和28.5%;草地潜在碳汇将分别降低25.55%和20.82%,气候暖湿化趋势有利于植被总碳汇的增加,主体上是以冻原高山草地大类碳汇大幅减少,温带森林(在青海具体为寒温性针叶林类)碳汇增加为特征。

三江源区生态系统和土壤保持服务对未来气候变化的响应特征

气候变化条件下的生态系统响应特征对生态系统服务的提升和生态环境保护具有重要意义。现有气候变化评估多以全球或区域大尺度研究为主,不适合局地小尺度。以2015年为基准,根据局地特征改进了综合顺序分类系统(CSCS),模拟了未来不同温室气体排放模式下三江源地区自然植被分布,同时分析了植被覆盖度及土壤保持功能的时空变化。研究结果表明:(1)在2080年的不同排放情境下,三江源地区的降水和气温增长主要发生在生长季(5-9月)和半湿润地区,其中,高排放情境的增幅最大(42.21 mm和4.93℃);(2)三江源地区潜在自然植被主要由草地转化为森林,植被覆盖度和土壤保持服务在不同排放情境下均呈现由西北向东南增加的趋势,与水热规律一致,其中高排放情境的增幅最大,低排放最小;(3)利用三江源地区原生裸地演替特点和多年NPP改进的CSCS模型,模拟精度提高了24%。研究成果为局地小尺度生态系统气候响应特征提供了必要的手段和规律认识。

中国天然草地净初级生产力时空分布

利用基于草原综合顺序分类系统(CSCS)的改进CASA模型,估算2004-2008年中国草地净初级生产力并分析其时空分布特征。结果表明:2004-2008年中国草地NPP年平均为489.4g C·m^(-2)·a^(-1),5年里草地NPP总体呈现增加趋势。草地NPP的积累期主要发生在水、热搭配较好的4-10月,占了全年总量的89.1%。春(3月-5月)、夏(6月-8月)、秋(9月-11月)、冬(12月-2月)四季的草地NPP各自占全年总量的18.6%,59.6%,17.4%和4.5%。由年际、月份—空间和季节—空间的NPP变化可知,适宜的水热搭配是草地NPP积累的关键。中国草地NPP随经度的递增而逐渐增大,随纬度的增大而逐渐减小,但存在一定的波动性,其变化规律与水、热状况的地带性规律相一致。

2000-2020年石羊河流域草地净初级生产力时空动态及其对气候的响应

石羊河流域是河西典型的干旱内陆河流域,其生态本底极为敏感脆弱,探究该地区草地植被净初级生产力(NPP)数量和分布变化及其对气候的响应,对该地区草地管理等具有重要意义。本研究基于草原综合顺序分类系统(CSCS)改进的CASA模型模拟了2000-2020年石羊河流域草地NPP,并辅以Sen’s斜率、变异系数(CV)和Hurst指数探究了NPP时空动态、变化趋势、变化稳定性、未来变化趋势,并通过偏相关分析方法分析了积温和降水与NPP之间的相关关系。结果表明:1)草地年均NPP为170.24 g·(m^(2)·a)^(-1),10年NPP增量为28.96 g·m^(-2),呈波动上升趋势,未来一段时间内NPP还会有所增加。2)草地类中,年均NPP最高的是山地草甸类(ⅡE30),年均548.74 g·(m^(2)·a)^(-1);其次为山地草甸草原类(ⅡD23),年均为454.50 g·(m^(2)·a)^(-1);年均NPP最低的是温带荒漠类(ⅣA4),年均91.65 g·(m^(2)·a)^(-1)。3)石羊河流域草地整体稳定,中波动草地占据主体地位,仅温带典型草原类(ⅢC17)存在较高波动。4)多数草地NPP增加的主导因素是降水,对降水响应敏感的区域占流域面积的24.93%,仅两类荒漠草地(ⅢA3和ⅣA4)对降水响应关系不明显;草甸类草地NPP对积温响应最为敏感,荒漠类草地与积温呈现一定的负相关关系。

气候变化下中国潜在植被演替及其敏感性

潜在植被的研究能够真实反映气候条件对植被形态变化的影响,是植被-环境分类与关系研究的起点,也是全球变化与陆地生态系统研究的关键,对区域植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义。本研究基于综合顺序分类系统,对过去30年(1986—2015年)和IPCC5发布的RCP4.5情景下未来3个时期(2030s、2050s和2080s)潜在植被的空间分布进行了GIS模拟,并分析了潜在植被对气候变化响应的敏感性。结果表明:(1)中国分布的潜在植被类型数量及各类在不同时期所占比例均存在差异,同时炎热极干热带荒漠类(VIIA)为各个时期共同缺失的潜在植被类型。(2)潜在植被的分布面积整体上呈现出冷干型潜在植被类型面积逐渐减少、暖湿型潜在植被类型面积逐渐增加的趋势,具体表现为扩展型、缩减型和波动型3类;潜在植被类组的重心发生了不同方向、不同距离的移动变化。(3)中国潜在植被对气候变化的响应存在敏感性差异,其空间分布形态总体呈现出不同敏感性程度的区域相间分布的特点。敏感性高的区域、敏感性较高的区域和敏感性较低的区域分别占国土总面积的2.28%、14.39%和43.82%。