五种气候生产力模型在华北土石山区的适用性分析

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)是陆地植物的净固碳量,对于全球碳估算研究具有重要意义。华北土石山区作为中国林业工程重点区域,是典型的干旱半干旱气候区,准确估算该地区NPP大小及其变化特征对林业生态工程建设具有重要意义。本文基于河南小浪底森林生态系统国家野外科学观测研究站1980-2020年气候数据,利用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Chikugo模型、朱志辉模型及周广胜模型共5种气候生产力模型估算,分析NPP的变化趋势,运用随机森林算法探讨NPP影响因素,并以区域MODISNPP数据为标准进行评价,以探究适合估算该地区NPP的气候生产力模型。结果表明:(1)华北土石山区年平均气温、最高气温、最低气温和降水量均呈上升趋势,变化速率分别为0.05℃×a^(-1)、0.04℃×a^(-1)、0.05℃×a^(-1)和1.58mm×a^(-1);年平均太阳辐射和平均相对湿度则呈下降趋势,变化速率分别为0.46MJ×m^(-2)×a^(-1)和0.17个百分点×a^(-1)。(2)采用5种模型计算的华北土石山区NPP均呈上升趋势,但NPP值存在差异,变化范围在739.35~958.48gC×m^(-2)×a^(-1),均值为862.19gC×m^(-2)×a^(-1)。其中Miami模型估算值最大(958.48gC×m^(-2)×a^(-1)),周广胜模型估算值最小(739.35gC×m^(-2)×a^(-1))。(3)随机森林算法表明,降水是影响该地区NPP的关键因子。适用性分析显示,周广胜模型估算值与MODIS NPP最接近,其相对误差、RMSE和MAE分别为1.45%、451.05gC×m^(-2)×a^(-1)和446.03gC×m^(-2)×a^(-1),且相关系数最大(0.49)。综上可知,周广胜模型更适宜该地区的NPP估算,在使用气候生产力模型估算华北土石山区NPP时,应优先考虑使用周广胜模型。

2001—2019年太行山南麓栓皮栎人工林叶面积指数与气候因子的关系

栓皮栎(Quercus variabilis)是我国天然分布最广的树种之一,太行山南麓属我国林业工程重点区域,对气候变化较敏感,研究该地区栓皮栎人工林叶面积指数(LAI)与气候因子的关系对我国林业生态工程建设、温带森林碳汇功能评估有重要意义。依托河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站,利用LAI实测数据对2001—2019年基于MODIS地表反射率反演的LAI产品进行校正,分析了近19年来太行山南麓的气候变化趋势,以及40年生栓皮栎-刺槐-侧柏混交人工林LAI的变化特征及其与气候因子的关系。结果表明:2001—2019年实验区气候为变暖、变湿润趋势,气温升高温变化率为0.70℃/10a,生长季增温高于非生长季,生长季和非生长季降水量分别为增加和减少趋势。近10年来气候暖湿化趋势加快,高温天气发生的频率和强度增加。实验区栓皮栎混交人工林LAI为增加趋势,近19年平均值为2.09,增长率为0.21/10a,近熟林时期LAI增长率低于中龄林时期。气温是影响LAI季节和年际变异的主导气候因子,降水量主要影响LAI的季节变异。近熟林时期高温天气超过35 d的年份LAI比上一年度减小。

太行山南麓蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子——以济源站为例

蒸发皿蒸发量(PE)是估算陆地蒸发量及农业水资源管理的重要参数之一。太行山南麓是我国黄河重点生态区的重要组分,研究该区域蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子对我国林业生态工程建设及维护我国黄河流域生态安全具有重要意义。依托河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站、黄河小浪底森林生态系统定位研究站,以太行山南麓济源市为研究区,基于近34 a逐日气象资料,分析该地区气象要素及蒸发皿蒸发量的变化特征,通过多元回归分析蒸发皿蒸发量的影响因子。结果表明:济源市气候变化趋势整体为趋于暖湿化,升温变化率为-1.966 mm/a春夏季增温幅度高于秋冬季。该地区蒸发皿蒸发量存在明显的“蒸发悖论”现象,整体变化呈下降趋势,变化率为0.041℃/a。春季PE为增加趋势,其余季节为下降趋势,并且秋冬季PE下降趋势比夏季显著。PE在2002—2003年左右发生显著性的突变,发生突变年份前后2个时段PE均表现为在冬季略有下降,从全年尺度来看突变前后2个时段PE均表现为增加趋势,且发生突变后增加速率高于发生突变前。气温日较差减小是近34 a济源PE下降的主要原因。蒸发的能量供给(温度条件)是济源蒸发主要的限制性因素,在冬春季节水汽输送条件(饱和差、风速、日照时间等)也对蒸发有协同影响。

气候和密度对刺槐径向生长和干旱脆弱性的影响

为评估气候和竞争对刺槐径向生长、抗性和弹性的影响,使用年轮气候学方法建立河南省民权和济源不同密度刺槐的生长年表,确定不同密度刺槐径向生长与气象因子的关联,利用胸高断面积增量变化获得干旱事件前后不同密度刺槐的干旱脆弱性,旨在确定气候和密度对刺槐径向生长和干旱脆弱性影响。结果表明:在生长前期,不同密度刺槐的径向生长无显著差异,随着树木的生长,高密度刺槐的年轮宽度和胸高断面积增量(BAI)开始显著低于低密度(P<0.05)。Pearson相关分析结果显示,生长季的标准化植被蒸散指数、降水、相对湿度、温度和饱和水汽压亏缺是影响刺槐生长的重要因素。路径分析结果显示降水和温度是年尺度上影响刺槐生长关键因素。受干旱事件的影响,刺槐的年轮宽度和BAI均下降,低密度刺槐恢复力、弹性、相对弹性均显著高于高密度(P<0.05),在第1次干旱事件发生后,不同密度刺槐均恢复生长,但无法恢复到干旱前的生长水平。在多次干旱事件后,高密度刺槐相对弹性趋于或小于0,表明受多次干旱影响,其生长不能恢复到干旱前水平。随着时间的推移,济源刺槐在经历3次干旱后仍保留一定的弹性,但民权高密度刺槐在第2次干旱事件后相对弹性出现丧失,在未来干旱中其死亡风险增加。研究结果为研究气候对暖温带刺槐生长的影响提供了重要见解,并为密度影响下的刺槐恢复力和弹性研究提供了新视角。

刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应

本研究调查了陕西安塞和山西吉县刺槐人工林生长状况,比较了刺槐年轮宽度、胸高断面积增量(BAI)、δ^(13)C、内在水分利用效率(iWUE)和气孔调节方面的差异,量化了刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应。结果表明:随林龄增加,安塞和吉县刺槐年际轮宽均呈下降趋势,安塞刺槐BAI呈增加趋势,但吉县刺槐BAI达到峰值后下降。吉县刺槐δ^(13)C和iWUE均高于安塞刺槐,安塞和吉县刺槐的iWUE实测值更偏向于恒定胞间CO_(2)浓度/大气CO_(2)浓度(C_(i)/C_(a))情景,表明刺槐C_(i)随C_(a)增加而增加,气孔保持开放。Pearson相关性分析显示,安塞刺槐BAI与5月最高气温、6月相对湿度、8月降水、9月相对湿度和9、10月干旱指数(SPEI)呈显著正相关,与6月气温呈负相关;而吉县刺槐BAI与6、7月SPEI和10月最低气温呈显著正相关。安塞刺槐iWUE与6月相对湿度和降水呈显著正相关,与5月最低气温、6月相对湿度、7月气温、最高气温呈负相关;吉县刺槐iWUE与6月最低气温呈显著正相关。年尺度上,安塞刺槐BAI与降水和SPEI呈显著正相关,吉县刺槐则相关不显著。两地刺槐iWUE均受到降水的显著影响。路径分析结果表明,SPEI和最低气温对安塞刺槐BAI和iWUE有直接效应,降水和均温通过SPEI间接影响BAI和iWUE,最高气温对吉县刺槐生长有直接效应,而降水、最低气温和均温对iWUE有直接效应。量化结果显示,SPEI是影响刺槐生长的主要气候因子,而C_(i)是重要的生理因子。本研究结果可为气候变化背景下刺槐人工林的保护管理提供参考。

不同高寒生态系统甲烷通量时空差异及影响因素的量化

使用便携式温室气体分析仪对位于玉树藏族自治州和玛多县的高寒沼泽、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠生态系统的CH_(4)通量进行原位观测,同时分析生物量、微生物、营养元素、土壤水分和温度等因子,旨在明确不同生态系统CH_(4)通量时空差异及其主要影响因素。结果表明:在生长季节高寒沼泽和高寒草甸是CH_(4)源,8月通量达到最大值,高寒草原和高寒荒漠是CH_(4)的汇,8月达到最小值,4种生态系统之间的CH_(4)通量差异显著(P<0.05);高寒沼泽的mcrA基因丰度最大,高寒草甸次之,而pmoA丰度则是高寒草甸最大高寒沼泽次之,高寒荒漠的mcrA和pmoA基因丰度均最小,4种生态系统之间差异显著(P<0.05);Pearson相关分析显示,生长季节高寒沼泽和高寒草甸的CH_(4)通量与土壤温度和mcrA显著正相关(P<0.05),高寒草原和高寒荒漠的CH_(4)通量与土壤温度和与pmoA显著负相关(P<0.05),不同生态系统之间CH_(4)通量则与土壤水分、有机碳、总氮、生物量、mcrA和pmoA显著相关(P<0.05);路径分析显示,土壤有机碳、mcrA和pmoA丰度直接对CH4排放产生显著影响,土壤温度和水分则是通过影响土壤微生物菌群丰度间接影响CH_(4)排放;在所有的关键影响因子中,mrcA丰度对CH4通量的相对贡献率最高,达到30.53%,其次是有机碳和生物量。总之,高寒生态系统间CH_(4)通量差异是由于微生物、有机碳、生物量等因素的不同造成的,高寒地区的CH_(4)排放模拟估算时需考虑不同生态系统CH_(4)排放的异质性。

1980-2019年南太行地区气候变化趋势

南太行地区是我国黄河重点生态区的重要组成部分,研究该区域气候变化趋势对我国黄河流域生态安全维护、重大生态工程计划决策具有重要意义。本研究以南太行地区济源市为研究区,基于1980-2019年气象资料,分析了该地区气候变化趋势。结果表明:研究期间,济源气候变化整体趋于暖湿化,气温和降水量的变化率分别为0.48℃·(10 a)^(-1)、14.21 mm·(10 a)^(-1)。春、夏季增温高于秋、冬季,春季气候变化趋势为暖干化,夏、秋、冬季趋于暖湿化。潜在蒸散和干燥度分别为增加和下降趋势,均值分别为748 mm、1.36。≥10℃初、终日每10年分别提前3 d、延迟1 d,≥10℃有效积温、≥10℃持续日数和高温日数的变化趋势分别为116.57℃·(10 a)^(-1)、4 d·(10 a)^(-1)和5 d·(10 a)^(-1)。20世纪90年代是研究期间济源最干旱的10年,升温最快,有一半年份表现出半干旱区气候特征。2010-2019年,济源气候暖湿化趋势明显加快,为研究期间最暖最湿润的10年,这10年的≥10℃持续日数增长28 d,有效积温增加389.36℃,高温天气发生频率和强度明显增加。