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。

青海省天然草地分类方法、面临的问题及对策

本文通过系统梳理定性的植被-生境分类法(Vegetation habitat classification system,VHCS)和定量的草地综合顺序分类法(Comprehensive and sequential classification system of grassland,CSCS)在青海省草地资源调查过程中的发展史,阐述了二者在不同历史时期的表现形式。通过对分类系统指标的对比发现,VHCS和CSCS在应用于草地分类时既有相通之处,又有所差异。结果表明:通过对比VHCS与CSCS的温度、湿润度及划分出的草地类型优势植物种类和分布区域发现,VHCS在热量级的划分上精确度较小,VHCS和CSCS湿润度划分指标的标准和范围基本一致,但对应的景观类型存在明显差异;二者的优势植物对应基本一致;CSCS的分布区域侧重以行政区域为单位,而VHCS则将分布区域按照地形来划分。文章基于以上结果,分析了目前青海省草地分类时面临的问题,并提出针对性的解决措施,为指导青海省草地分类和管理提供基础理论依据。

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。

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。

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。

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%。

基于定量遥感的甘肃省草原综合顺序分类

为了推进草原综合顺序分类的实用化进程,在草地发生学原理指导下,在草原综合顺序分类中引入甘肃省2008年每日1km分辨率的MODIS地表温度产品(MYD11A1)和0.5km分辨率的MODIS地表反照率产品(MYD09GA),反演土壤水分和地表年积温,划分热量级和湿润度级,并对甘肃省草地进行分类,以野外调查数据为相对真值验证了结果,评价了分类精度。结果表明:甘肃省天然草地横跨寒冷-寒温-微温-暖温-暖热5个热量级,极干-干旱-微干-微润-湿润-潮湿6个湿润度级,共26个类,其中暖温干旱暖温带半荒漠类、微温干旱温带半荒漠类和寒温潮湿温性针叶林类是甘肃省最主要的几种草地类型,占全省面积的43.43%;草地类的分布呈现出明显的垂直地带性,类别划分结果符合研究区域的气候、地理位置和地貌特征。研究减少了以往综合顺序分类对气象站点分布和插值方法的依赖性,从数据源的角度解决了综合顺序分类法中站点数据向区域数据转换这一难题,改善了点数据外推的边界模糊问题,拓展了草原综合顺序分类的研究手段和方法,为推进草原综合顺序分类实用化进程提供了新的思路。

AMMRR插值法的改进及其在内蒙古草地综合顺序分类中的应用

宏观尺度上,气象数据空间插值模拟在气象科学和草地科学研究中一直占据重要的位置。为进一步提高其精度和增强草地类型划分空间分异效果,本研究在多元回归+残差分析(Analytic Method Based on Mul-tiple Regression and Residues,AMMRR)插值法中增加微地形因子(坡度和坡向),用普通克里金(OK)函数替换反距离加权(IDW)函数进行残差分析以建立改进型的多元回归+残差分析(I-AMMRR)插值法,并将其应用于内蒙古自治区>0℃年积温(Σθ)、年降水量(r)和湿润度(K)的空间插值模拟。依据草地综合顺序分类系统(Comprehensive and Sequential Classification System of Rangeland,CSCS)原理和I-AMMRR插值技术,对内蒙古自治区草地进行分类,并研制了相应的草地综合顺序分类图。研究结果表明:(1)I-AMMRR插值法模拟Σθ和r的绝对平均误差(MAE)、相对平均误差(RME)和均方根误差(RMSE)均小于AMMRR法,其精度更高。(2)I-AMMRR插值法模拟的内蒙古自治区Σθ、r和K的空间分布格局呈现水平和垂直地带性分布规律,Σθ自东南向西北递增,r和K与Σθ相反。(3)内蒙古自治区草地被划分为从ⅢF38(微温潮湿针叶阔叶混交林类)到ⅢA3(温暖极干温带荒漠类)共计17个草地综合顺序类。其中ⅢB10(微温干旱温带半荒漠类)分布面积最大,ⅣE32(暖温湿润落叶阔叶林类)最小。草地植被空间分布的水平和垂直地带性明显,与内蒙古自治区植被调查结果基本吻合。

草原综合顺序分类系统研究进展

草地类型是草地资源实体的高度抽象与概括,草地分类是草地类型理论的具体实践,是草业科学研究与实践的基础问题之一。草原综合顺序分类系统(CSCS)以生物气候特征为依据,根据不同的热量级和湿润度将具有同一地带性农业气候特征的草地划为一类。据此所作的分类检索图是草原综合顺序分类法的图谱表达,具有独特的理论意义和应用价值。随着RS、GIS、GPS等技术及地统计学中气象要素空间插值方法的不断改进和完善,草原综合顺序分类系统在提出至今的50多年中在理论及实践方面已取得不少研究成果。系统总结了草原综合顺序分类方法在草地分类中的作用及意义、研究现状、存在的问题及研究展望,以期为该方法在更大范围的推广和应用提供科学依据。

基于GIS与草原综合顺序分类法对甘肃省草地类型的划分初探

基于改进的空间要素插值方法,使用DEM海拔高程数据作为修正,在要插值的空间数据与协同因子之间的相关性较高时,可以有效地提高插值结果的精度。对于年积温数据,其与DEM海拔高程之间的相关系数为0.769,相关性较高,故使用DEM的协克里格方法可以有效地提高插值精度,4种插值方法的ME值排序为IDW<Spline<OK<CK。相比较OK法,CK法的插值精度提高了35%以上,故使用CK法对年积温空间数据库进行插值;对于年降水数据,其与DEM海拔高程之间的相关系数为0.372,相关性较低,故使用DEM的协克里格插值方法并不能有效地提高插值精度,4种插值方法的ME值排序为IDW<Spline<CK<OK。OK法的插值精度最高,故使用OK法对年降水数据进行插值。在插值结果的基础上,利用GIS软件的叠加分析功能,计算出了甘肃省的湿润度K值空间数据库,依据草原综合顺序分类法的水热标准,对甘肃省草地类型的划分进行了初步的研究,并制作了甘肃省草地类型分布图。研究结果显示,甘肃省草地分为18个类,横跨了从寒冷到暖热5个热量级,极干到潮湿6个湿润度级。自陇东南向西北形成了森林-森林草原-典型草原-荒漠草原-草原化荒漠-半荒漠-荒漠等植被类型。山地系列自上而下,形成高山-亚高山-草甸-山地森林-草甸草原-典型草原等植被类型,基本上反映了甘肃天然草地发生规律和分布规律,并为后续的相关研究提供了理论基础。

适用于3S技术的草地综合顺序分类法水热指标改进

草地类型理论和类型划分是草地科学研究和经营管理的基础。草地综合顺序分类法是有较高科学性的分类体系,但在实际应用中,尤其是引入3S技术时出现了水热条件的以点代面,以相邻生境代实际生境的问题,影响了草地综合顺序分类法的准确性和实际应用。通过对其问题的梳理,提出利用定量遥感反演地表参数以解决上述问题,即用面状的土壤水热指标数据替换点状的站点大气水热指标,旨在为我国草地的精确分类提供新的思路和创新方法。

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。

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。

草原综合顺序分类系统第二级亚类的定量划分研究——以甘肃省为例

草原综合顺序分类理论自20世纪50年代提出以来,其完善的基本理论构架和定量化潜力已经使其成为草地生态系统研究科学性的代表。在草原综合顺序分类系统第1级——"类"的定量化研究方面取得了丰硕的成果,建立了检索图。但自该体系建立以来,由于数据获取困难,定量技术限制等原因,一直未开展第2级分类的定量化研究。论文以草原综合顺序分类系统的第2级——"亚类"为研究对象,在对亚类的分类指标——地形(地貌)和土壤的发生和分类进行综合分析的基础上,提出了在草地亚类划分中进行定量化分类的方法和原则,并以甘肃省为研究区域,进行了亚类的划分实践。首先,确定在山地使用地形(地貌)因子,在平原使用土壤亚类进行草地亚类划分,具体将甘肃省山地和平原按照坡度>3°,连续面积达到6 km2以上,划分为山地,其余划分为平原;在SRTMDEM数据基础上,提取了坡度、海拔、地势起伏度、山地和平原等因子,将甘肃省划分为20个基本地貌类型单元;利用SRTM-DEM提取的地形坡度、坡向、曲率等数据和MODIS数据中MODIS09GA、MODIS13A2影像提取和反演的土壤亮度、植被指数、水体指数、土壤温度、湿度指数、纹理特征等信息,通过监督分类,将甘肃省的土壤亚类定量划分为36个类型;在此基础上,在山地使用地貌分类指标,在平原使用土壤分类指标将甘肃省草地划分为568个草地亚类。研究结果可以为完善草原综合顺序分类系统,建立类与型之间的桥梁,并最终推进该系统三级分类体系的实用化提供研究思路和方法参考。

草原综合顺序分类法的新改进Ⅱ 类的计算机检索

收集了全国２３５２个气象台站的草原分类气候资料，在计算机上建立了一个较为完善的数据库，使用者可根据需要任意调用、查询和更正。在此资料的基础上，设计了一个计算机检索软件，具有综合顺序分类法第一级——类的检索功能，同时，使用者还能对数据进行管理。这些为综合顺序分类法类的划分和方便应用，奠定了良好的基础。

草原综合顺序分类法的新改进Ⅰ类的划分指标及其分类检索图

根据全国２３５２个气象站３０年以上的气候资料以及其他资料，对草原的综合顺序分类法第一级分类的热量级、湿润度级指标进行了修正，设计了新的分类检索图，将地带性和非地带性（草甸和沼泽）的天然草地，以及人工草地的类，纳入到统一的检索图中，并可进行计算机检索。

草地综合顺序分类法研究新热点:2008-2020年回顾与展望

草地综合顺序分类法(comprehensive and sequential classification system of grassland,CSCS)经过60多年的不断探索和完善,已成为具有中国知识产权的唯一的可数量化的草地分类系统。特别是2008年任继周等在Rangeland Journal专门著文推介CSCS,开启了CSCS在国内外研究的新高潮。本研究以CSCS作为关键词从Wed of Science及中国知网等科技论文数据库检索得2008-2020年发表的中英文文献分别为48和29篇。通过系统梳理,获得最新的研究成果如下:1)将CSCS与国际公认的Holdridge Life Zone、BIOME4分类体系在全球尺度上进行对比验证,论证了CSCS在草地类型划分方面的突出优势;2)使用数字高程模型数据的坡度、坡向和坡度变化率等因子修正传统空间插值法,引入海拔、坡度等变量的多元回归和残差分析插值法,有效解决高海拔和复杂地形所带来的气候数据插值误差,提高了CSCS的模拟精度,也为深入广泛的应用提供了方法论依据;3)基于CSCS发生学特征,研究草地对全球气候变化的响应。现已在区域、全国及全球尺度上研究草地生态系统对全球气候变化的响应,为进一步的草地精细化分类管理和相关政策制定提供了数据基础;4)热量状况和水分条件的组合是草原现象和过程的本质的因素,以CSCS为理论框架,用分类指标为参数构建草地第一性生产力(NPP)分类指数模型,该模型不仅揭示草地类型与其净第一性生产力的内在联系,也为进一步研究地带性草地类型的生产潜力、草地净第一性生产力的区域分布和全球分布提供了可能。在区域、全国和全球尺度上的比较验证可知,基于CSCS的草地NPP模型已发展成为草地生态系统第一性生产力评估及碳汇计算的新工具。未来CSCS研究亟待开展的工作主要有:1)完善CSCS亚类及型的定量分类体系;2)通过开发CSCS方法在草地营养载畜量和生态服务价值评估等方面的应用,完善基于CSCS框架的草地精细化管理。

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。

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。

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。