海河流域水-能-碳系统耦合协调发展及驱动因素研究

水、能资源短缺及碳排放超标是制约区域经济转型升级和生态文明建设的主要障碍,探究水-能-碳系统耦合关系是实现区域绿色低碳发展的重要基础。以海河流域水-能-碳系统为核心,基于组合赋权法和综合分析法,构建流域水-能-碳系统综合评价体系,利用耦合协调度、障碍度和地理探测器模型,探究2000—2021年海河流域水-能-碳系统耦合协调时空演变特征及驱动因素。结果表明:①海河流域水-能-碳系统的综合发展水平总体上呈上升态势,碳排放系统处于最高位水平,评价指数多年平均值为0.45。②海河流域水-能-碳系统的耦合协调度总体上呈现平稳发展特征,发展水平由濒临失调过渡到中级协调阶段。③地表水资源量、污水处理能力、经济发展水平、产业结构、政府调控能力和居民生活水平是制约水-能-碳系统发展最大的障碍因子和外部驱动因素。研究结果可为促进海河流域经济社会全面绿色转型和可持续发展提供理论支撑。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合模型框架,有利于实现土壤水、碳、微生物各界面调控过程的准确模拟与精确刻画,为黄土高原植被恢复过程中生态环境的可持续发展及其对气候变化的应对模式提供科学理论支撑。

塔里木河干流上游区WaSSI-C生态水文模型的适用性评价

水碳耦合模型能够为干旱区水碳资源综合管理提供重要的工具支持。以塔里木河干流上游区为研究对象,在深入分析WaSSI-C模型(Water Supply Stress Index-Carbon model)理论方法和运行机理的基础上,结合研究区自然地理环境特征,补充冰川融化计算模块,以增强模型在研究区的适用性。在此基础上,将研究时段划分为率定期(2000-2009年)和验证期(2010-2015年),利用实测的径流数据和MODIS数据产品的蒸散(ET)和总生态系统生产力(GEP)数据,以相关系数(R^2)和效率系数(NS)为主要统计指标,探讨了不同时期WaSSI-C模型在研究区的适用性。流域总径流在率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.72和0.68,NS为0.71和0.67;ET在率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.60和0.64,NS为0.60和0.56;GEP率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.68和0.61,NS为0.66和0.69;除ET在验证期的NS为0.56以外,模拟结果的2个评价指标均保持在0.6及以上,可见模型能够很好地模拟塔里木河干流上游区水碳资源的动态变化。

WaSSI-C模型在焉耆盆地的适用性改进与应用

【目的】为缓解干旱区日益突出的水碳矛盾,进而为其水碳资源综合管理提供有效的工具和决策支持.【方法】选取典型干旱区焉耆盆地为研究对象,基于WaSSI-C模型(water supply stress index-carbon model)的理论框架和运行机理,针对研究区的自然地理和环境特征,增加冰川融化计算模块,对WaSSI-C模型进行适用性改进.以2000~2009年作为率定期,2010~2015年作为验证期,对研究区实测径流、MODIS蒸散(ET)和总生态系统生产力( GEP )数据进行统计分析,利用决定系数(R^2)和效率系数(NS)评价模型的模拟精度,应用GIS空间分析技术探讨研究区水碳资源的空间分布特征.【结果】 1)研究区率定期和验证期总径流对比验证的R^2分别为0.80 和0.77 , NS为0.77和0.69;ET对比验证R^2分别为0.82和0.79, NS为0.80和0.76;GEP 对比验证R^2分别为0.88和0.84 , NS分别为0.87和0.82;2)径流空间分布呈现“西高东低、北高南低”的特点;ET和GEP 均呈现“中间高,四周低”的特点.【结论】改进后的WaSSI-C模型在焉耆盆地具有良好的适用性,且模拟结果显示焉耆盆地的水碳资源具有明显的空间异质分布特征.

WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的设计、实现与验证

为实现WaSSI-C(Water Supply Stress Index-C)模型地理信息系统(GIS)可视化模拟系统,为区域水碳资源分析和模拟决策提供模型工具,在解析WaSSI-C模型理论框架和运行机理的基础上,对模型计算过程进行模块化分解和结构化设计;采用C/S模式构建软件体系架构,基于时空数据模型设计E-R模型图,并应用Geodatabase空间数据库与SQLite关系型数据库联合管理模型参数和时空数据;在.Net开发环境下,基于ArcGIS Engine二次开发组件,使用C#语言进行Scilab.Net混合编程,实现WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的功能,进而以焉耆盆地为试验对象进行应用验证。结果表明:系统同时支持文本和空间数据格式输入,能够在GIS可视化环境下自动化输出研究区月尺度蒸散、径流和总生态系统生产力等水碳耦合过程变量的模拟地图,系统模拟结果率定期R2和NS均值分别为0.83和0.81,验证期两指标均值分别为0.8和0.76,总体上显示出良好的模拟效果。系统具有简单易用、运算效率高、普适性强等特点,可为相关领域研究提供有力工具支撑,也可为生态学、水文学等专业领域模型可视化研究提供借鉴思路。

基于WaSSI模型的珠江流域水-碳耦合模拟

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模型(WaSSI-PRB),将珠江流域划分为1715个子流域,选定1980—2004年为率定期、2005—2016年为验证期,并对径流、蒸散发和总初级生产力(GPP)等3个关键水-碳通量的模拟结果进行验证。结果表明:西江、北江、东江的水文控制站,径流模拟纳什效率系数(NSE)和决定系数(R^(2))在率定期均达0.80以上,在验证期均达0.75以上;相较于MODIS、PML、SSEBop、VPM等大尺度遥感数据产品,WaSSI-PRB模型能更好地模拟ET和GPP的时空分布特征。总体而言,WaSSI-PRB模型在珠江流域具有较好的适用性,可作为量化分析流域水-碳平衡及其对变化环境响应关系的一种有效工具。

陆地水-碳耦合模拟研究进展

在全球气候变化和水资源危机背景下,人类对土地、森林和水资源的适应性管理需求推动了生态系统水、碳耦合与制约关系的研究.在多时空尺度上研究水、碳耦合关系、以及探讨全球变化下生态系统水、碳平衡及其相互响应机制是现阶段的研究热点.本文在综述不同尺度水、碳耦合关系的基础上,探讨了其中关键过程与参数的涵义和测算方法,分析了大尺度上基于遥感技术的蒸散发模型的构建及其对水碳耦合研究的重要性,最后展望了多源数据同化技术等在未来气候变化背景下水碳耦合模拟中的应用.

西北旱区葡萄园水碳通量耦合模拟

对旱区葡萄园采用MAESTRA模型进行参数化并对其气孔导度子模型进行筛选,模拟了冠层辐射传输和碳同化量积累过程。结果表明PARp最大值集中在冠层顶0.4m深度以上及南侧0.1m深度以外,冠层北侧和中心部位的光强迅速减小。以液流测定结果为基准,检验了Jarvis系列气孔导度模型的效果。考虑土壤水分影响和引入参考冠层导度的J-Ref子模型使单株蒸腾量的模拟结果(18.34mol·vine-1·h-1)与测定值(17.74mol·vine-1·h-1)之间没有显著偏差。摸清了西北旱区葡萄园的干物质积累过程。干物质积累量模拟值为1 441.0g,仅比实测值高3.8%。模拟值积累曲线斜率滞后于实测值说明当年初葡萄萌芽消耗的碳水化合物并非来自当年光合产物,而是源于上年储存量,该储存量约占当年干物质总积累量的15%。本研究为西北旱区葡萄园冠层辐射传输和水碳通量研究提供了一套简单易行的模拟方法和参数化方案。

川西亚高山流域水碳平衡研究

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于Wa SSI-C水碳耦合模型和趋势分析,研究了1982–2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系,发现:1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型,但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗,因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型;且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2)25年的土壤水分蓄变量的平均值,高山草甸流域为–44 mm,混交林为–18 mm,针叶林为–5 mm,说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降,其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性,且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响:高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力,常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量,且森林覆盖率越高,产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势,且高山草甸的上升趋势显著。