中国空间地球科学发展现状及未来策略

空间地球科学是以空间对地观测为主要信息获取手段,研究地球系统的各圈层及之间的相互作用、过程与演变,对地球进行系统研究的综合性交叉学科.为纪念空间科学学会成立40周年,本文系统回顾了中国空间地球科学的发展历程,分析当前面临的机遇与挑战,进而提出中国空间地球科学未来发展的建议.

中国稻田生态系统固碳效应模拟研究

【目的】研究稻田生态系统固碳量的动态变化,为制定与推广耕地固碳减排措施提供依据。【方法】基于3年稻田受控试验数据,校验生物地球化学脱氮—分解作用(denitrification-decomposition,DNDC)模型,并估算2018—2020年间中国稻田生态系统的固碳量;分析稻田生态系统土壤及作物固碳量的时空分布,评估农田生态系统在实现“碳中和”中的贡献。【结果】DNDC模型模拟的水稻产量及土壤有机碳含量与田间观测结果一致性较高(相关系数均大于等于0.77,平均绝对误差和归一化均方根误差均小于13%);2018—2020年中国水稻固碳总量为523.29 Tg,作物对总固碳量的贡献率达97%以上。江西、湖南、广东和广西的双季稻固碳能力较强,而云南、浙江和海南的相对较弱。单季稻固碳量分布呈现北高南低的空间分布特征,其中黑龙江、江苏和湖北的固碳量较高。湖南、福建、江西和广西的双季稻固碳量大于单季稻,双季稻固碳量占总固碳量的60%以上。【结论】DNDC模型可用于模拟稻田生态系统的碳收支,中国稻田生态系统是重要的碳汇,且呈现出较强的空间异质性。

长江三角洲城市群建设用地扩张和耕地保护对陆地生态系统碳汇的影响研究

基于DNDC(DeNitrification-DeComposition)和IBIS(Integrated Biosphere Simulator)模型模拟农田、林地、草地生态系统的温室气体排放量和碳汇通量,进而评估2000-2020年长江三角洲城市群建设用地扩张和新增耕地对陆地生态系统碳汇的影响。结果表明:①2020年长江三角洲城市群林地、草地和农田生态系统均承担碳汇功能,总碳汇平均值为4439.56±3257.83 kg C hm^(-2)·a^(-1),呈现北高南低的空间分布特征;②2000-2020年长江三角洲城市群新增建设用地13702.09 km^(2),引起陆地生态系统碳汇损失8.21 Tg C,若不考虑碳汇的空间异质性,则碳汇损失7.87 Tg C;③2000-2020年长江三角洲城市群新增耕地1236.58 km^(2)(27.42%和25.85%转入源分别为林地和草地),导致碳汇增加0.28 Tg C;④长江三角洲城市群农田生态系统具有较高的固碳能力且其碳汇具有较强的空间异质性,耕地保护政策降低了建设用地扩张引起的碳汇损失。

中国草地生态系统服务功能价值遥感估算研究

草地生态系统是我国陆地上面积最大的生态系统,不仅生产大量的产品,而且提供巨大的生态服务功能。利用遥感技术估算草地生态系统服务价值,具有廉价、动态、快速、范围广等优点,并可解决传统方法所不能解决的空间异质性问题。论文考虑有机物质生产、维持CO2和O2平衡、营养物质循环、对环境污染的净化作用、土壤侵蚀控制和涵养水源等主要服务功能,提出了一个基于净初级生产力(NPP)和植被覆盖率的草地生态系统服务价值估算方法,并介绍了从MODIS数据反演NPP和植被覆盖率的方法。对2003年我国草地生态系统服务价值的估算结果表明,我国草地生态系统总服务价值达17050.25×108元,平均48.44×104元/km2,是草地生产收益的19倍;不同类型的草地生态系统单位面积服务价值空间差异悬殊,从5.62×104元/km2变化到99.0×104元/km2以上。

南京地区表土镉汞铅含量的空间统计分析

在南京城区和周围郊区近2500km2的区域内,采集了670个表层土壤样品,分析了Cd、Hg、Pb等重金属含量。在ARCGIS等地理信息系统软件的支持下,用地统计学等空间分析方法,分析了数据的概率分布特征、空间自相关特征以及变异函数特征。结果表明,研究区内表层土壤中Cd、Hg、Pb等重金属元素平均含量显著高于其全国平均水平;并且不同的元素具有不同的空间自相关特征;变异函数分析显示,Cd和Hg的分布具有明显的空间异质性,而Pb的方向性不明显。元素空间分布特征的研究对研究污染源和污染扩散具有一定指示和引导作用。

基于IBIS模型的1960-2006年中国陆地生态系统碳收支格局研究

定量评估区域陆地生态系统碳收支是生态系统与全球变化科学研究的重要科学问题之一。利用集成生物圈模型(IBIS)对中国陆地生态系统历史时期(1960—2006年)气候及CO2浓度变化条件下碳收支时空变异特征和发展趋势进行了模拟分析。结果表明,1960—2006年间,中国陆地生态系统净初级生产力(NPP)总量水平约为2.46 Gt C/a,总体呈上升趋势,在东南及西南地区最高,其次是长白山及大小兴安岭地区,西北内陆地区的净初级生产力水平最低;1960—2006年间,中国陆地生态系统净生态系统生产力(NEP)总量水平约为0.11 Gt C/a,总体呈上升趋势,绝大部分区域表现为碳汇效应,大兴安岭、小兴安岭、长白山、东南地区及西南部分地区碳汇效应较强,西北内陆区表现出弱碳源效应,温带湿润区、高原温带区和高原寒带区碳汇效应呈显著上升趋势;中国11个气候区,NPP与降水均为正相关,除了中温带湿润区、寒温带湿润区、高原温带和高原寒带外,降水是限制植被生长的主要因子。除了高原寒带外,NEP同样表现出与降水的更强相关性,与气温的相关性较弱。经验证,IBIS模型对于中国陆地生态系统碳收支的模拟结果合理,可以为科学预测生态系统的固碳潜力和制定区域碳管理政策提供科学依据。

亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。

结合树龄信息的遥感森林生态系统生物量制图

森林生态系统是陆地生态系统中的重要组成部分,其中的地上生物量(AGB,Aboveground B iom ass)在全球气候变化和碳循环研究中起着重要的作用。本文利用ETM+遥感影像,首先建立了实测叶面积指数(LAI,LeafArea Index)与实测生物量数据的回归关系,基于遥感叶面积指数图像得到初步地上生物量空间分布图;同时在短波植被指数(SWVI,ShortW ave Vegetation Index)与实测树龄之间建立了回归关系,在此基础上得到了树龄空间分布图。然后通过将植被指数(VI,Vegetation Index),LAI,树龄等变量针对不同的树种类型进行逐步回归,得到了较好的回归模型,并结合土地利用/土地覆盖估算了贵州省黎平县的地上生物量,绘制了其空间分布图。统计结果显示:总体森林生态系统的AGB与LAI和RSR(Reduced S imp le Ratio)之间有一定的相关关系(R2=0.895);杉木林的AGB与LAI和归一化植被指数(NDVI,Norm alized D ifference Vegetation Index)之间有较强的相关性(R2=0.93);针叶树种的LAI与年龄是AGB较好的估算因子(R2=0.937);阔叶林的AGB与年龄有一定的相关性(R2=0.792);混交林的AGB与LAI和SR(S imp le Ratio)有较强的相关性(R2=0.931)。结果表明,将树龄和土地覆盖/土地利用类型的信息加入到地上生物量估算模型的建立中,是一种改善利用多光谱遥感估算精度的较好的方法。结合土地覆盖/土地利用类型的高分辨率的树龄空间分布图,可为森林生态系统的可持续发展和管理提供科学的论据。

四川西北部亚高山云杉天然林生态系统碳密度、净生产量和碳贮量的初步研究

该文利用野外实际调查数据对四川西北部亚高山云杉（Picea asperata）天然林碳密度、净生产量、碳贮量及其分布进行了分析，结果表明，在调查区域，云杉天然林分平均生物量为230．37×10^3kg·hm^-2，其中乔木层为212．77×10^3kg·hm^-2，占林分生物量的92．30％。云杉天然林生态系统各组分的平均碳密度为树干57．85％，树皮47．12％，树枝51．22％，树叶48．27％和树根52．39％，灌木层平均碳密度49．91％，草本层平均碳密度46．34％，地被层平均碳密度43．21％，枯落物层平均碳密度39．44％，土壤碳密度平均值为1．41％，随土层深度增加各层次土壤碳密度逐渐减少。云杉林平均生态系统总碳贮量为273．79×10^3kg·hm^-2，其中乔木层109．30×10^3kg·hm^-2，占云杉林生态系统总碳贮量的39．92％，灌木层5．69×10^3kg·hm^-2，占2．08％，草本层1．26×10^3kg·hm^-2，占0．46％，地被物层0．60×10^3kg·hm^-2，占0．22％，枯落物层0．83×10^3kg·hm^-2，占0．30％，林内土壤（0—100cm）碳贮量为156．11×10^3kg·hm^-2，占57．01％。云杉林的碳库分布序列为土壤（0—100cm）〉乔木层〉灌木层〉草本层〉枯落物层〉地被物层。云杉天然林分平均净生产总量为6838．5kg·hm^-2·a^-1，碳素年总净固量平均为3584．98kg·hm^-2·a^-1，其中乔木层净生产量为4676kg·hm^-2·a^-1，占林分总量的68．38％，碳素年平均固定量2552．99kg·hm^-2·a^-1，占林分总量的71．21％。

城市土地集约利用潜力评价——以南京市为例

从南京市城市土地利用的现状分析入手,总结了南京城市土地利用的基本特征及存在问题;分析了南京市主城区土地利用具有的内在潜力,并就此提出了相应的建议和措施.指出在城市化进程中,土地利用应走集约化发展的道路,挖掘土地潜力,盘活国有存量土地,提高土地利用率.

加拿大森林火险气候指数系统(FWI)的原理及应用

森林火险等级预报系统对预测预报森林火灾十分重要。加拿大森林火险等级系统(CFFDRS)是当前世界上发展最完善、应用最广泛的系统之一,是世界上唯一能适应从区域到全球任何尺度的系统,加拿大森林火险气候指数(FWI)系统是CFFDRS的重要组成部分。加拿大火险气候指数系统以时滞-平衡含水率理论为基础,通过天气条件的变化计算可燃物含水率的变化,然后根据不同位置或大小的可燃物含水率划分森林潜在火险等级。从FWI的发展状况、基本结构、程序,以及优点和局限性作了简单的描述,并讨论了如何在基于FWI技术的基础上发展中国的森林火险等级系统。

海州湾生态系统服务价值评估

参照千年生态系统评估的分类体系,并考虑污染等因素引起生态系统服务的退化,评估了海州湾生态系统的潜在和实际服务价值。结果表明,2005年海州湾的潜在服务价值为16.64×108元,平均单位面积海域的服务价值为1.90×106元/km2。潜在服务价值中,供给服务、文化服务和调节服务分别占53.39%,35.48%和10.84%。考虑赤潮、食品中累积的污染物超标以及温室气体排放等因素造成的生态服务质量和数量的退化,2005年海州湾生态系统提供的实际服务价值为14.08×108元,平均单位面积海域的服务价值为1.61×106元/km2。实际服务价值中,供给服务、文化服务和调节服务分别占48.32%,41.94%和9.74%。海水富营养化和污染等因素导致的生态服务价值降低2.56×108元,影响最大的是食品供给和气候调节服务。

森林生态系统立地指数的遥感分析

森林生态系统立地指数分析和立地质量的评估是森林生态系统经营管理和造林营林的重要理论基础与规划方法,也是研究森林生态系统生产力的重要内容。由于技术的限制,迄今为止,还没有实现森林生态系统立地空间分布格局的分析和开展立地条件随时间动态变化的研究。卫星遥感为大面积研究森林生态系统的生产力及其空间分布格局和动态提供了一条重要的途径。以云杉为对象,利用卫星遥感为研究手段,在岷江上游的四川西北部松潘镇江关流域研究森林生态系统立地指数的空间分布特点,探索有关遥感反演模型的建立,并通过有关精度的评估分析这种高技术应用的价值和潜力。研究结果表明,遥感植被指数NDVI和TNDVI与野外实测云杉立地指数(SI)基本为线性相关。通过对模型模拟结果和实际测定结果的比较研究,发现在1∶1比例的分析图中,NDVI和TNDVI的遥感反演模型都有很好的拟合效果与较高的精度,说明通过遥感植被指数的方法测定森林立地指数具有较高的实用价值。

基于生态安全格局的南京都市区生态控制边界划定

以南京都市区为例,通过生态敏感性分析获取了研究区既有的高生态敏感空间,采用最小费用路径方法辨识了对研究区具有重要生态意义的潜在生态廊道和生态关键区,采用图谱理论中的景观连接度指数辅助确定生态廊道宽度,构建了研究区潜在的生态网络。在此基础上,整合既有和潜在生态空间,科学划定生态控制边界,实现了研究区现存和潜在的重要自然生态空间保护。研究结果表明:1)生态敏感性分析能够识别出研究区既有的高生态敏感性区域,并指出其呈现出"大而孤立,小且分散,连接性不佳"的空间特征。2)遴选出的71处生态源地、119条重要廊道和61个关键生态斑块共同组成了研究区的生态网络,显著提升了原有生态空间的景观连接性和研究区域的总体生态安全水平。3)生态网络分析可以弥补敏感性分析只考虑既有自然生态空间的局限,二者的组合使用可为不同尺度上生态控制边界的划定提供简明的分析框架。研究结果可为南京都市区生态控制线划定和生态环境保护提供重要的参考,对其他城市生态控制边界的划定也具有一定的借鉴意义。

中国草地生态系统服务价值估算及其动态分析

本研究基于多源遥感、气象和社会统计数据,构建草地生态服务价值评估体系,对2000—2016年中国草地生态系统的有机物生产、营养物质循环、土壤保持、固碳释氧及涵养水源等生态服务价值进行评估,结果表明:研究期间中国草地生态系统服务平均总价值为13815.65亿元·a^(-1),平均单位面积总价值为41.24万元·km^(-2)·a^(-1),草地水源涵养价值所占比例较高(28.95%),而营养物质循环价值较低(9.98%);草地生态总价值高值区集中在云南、广西和四川西部;高山亚高山草甸生态服务总价值最高(4156.88亿元·a^(-1)),而平原草地和坡面草地较低(1388.61亿元·a^(-1)和1449.98亿元·a^(-1));宁夏、内蒙古、陕西、西藏及云南的草地水源涵养价值最为突出,青海、甘肃和山西草地的有机物质生产价值最为突出;17年间草地生态服务价值呈显著增加趋势(P=0.01;0.22万元·km^(-2));54.69%的地区草地生态服务价值呈增加趋势,主要集中在青海省南部及其与西藏交界处。

亚热带典型森林生态系统土壤呼吸

为了解中国亚热带森林土壤碳释放CO2与区域气候环境的关系,在亚热带典型区域浙江西天目山选择森林生态系统类型杉木林、毛竹林和常绿阔叶林,采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测定土壤呼吸通量.结果表明:各林分的土壤呼吸日变化趋势多呈单峰型;3个森林生态系统中,土壤CO2年均释放速率大小依次是毛竹林4.28μmol/(m2.s)、杉木林2.35μmol/(m2.s)、常绿阔叶林2.23μmol/(m2.s).土壤呼吸随着不同季节土壤温度的变化相异,8月最高,11月受低温限制,呼吸作用微弱.土壤水分与土壤呼吸呈负相关,且常与土壤温度一起共同作用于土壤呼吸,这种非线性交互作用导致环境因子影响土壤呼吸的过程.

中国草原生态系统退化的价值损失量遥感估算

在传统的草原生态系统退化价值估算基础上,利用遥感技术对草原生态系统退化的价值损失进行估算,利用2003和2005年的MODIS数据获得草原生态系统退化的价值损失量空间分布图。结果表明:2003—2005年价值损失量共为66.603亿美元;单位面积价值损失量在0～1000美元.km-2的面积约占草原总面积的1/4,价值损失量1000～3000美元.km-2的面积约占草原总面积的1/3;内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃、云南和四川等西部7省的价值损失总量为52.219亿美元,占总价值损失量的78.41%,其中,内蒙古的价值损失量最大,占总价值损失量的25.89%。

草地生态系统土壤有机碳估算研究综述

介绍了草地土壤有机碳的测定方法、评价指标以及草地土壤碳储量的估算方法,从碳的输入、输出和碳素的转化方面阐述了草地土壤碳素转化与积累的特征,总结了国内外关于草地土壤有机碳的研究结果,并对研究结果进行了对比与评价,指出了当前研究中存在的问题和今后工作的努力方向,为草地生态系统土壤有机碳储量的研究提供参考。

基于MODIS的植被指数模型及其在草地生态系统中的应用

为了明确MODIS植被指数模型的类型以及MODIS数据在大尺度上的可用性,在分析MODIS数据优势的基础上,综述了MODIS植被指数、植被指数模型以及MODIS植被指数模型在草地生态系统中的应用。MODIS数据可以直接提取NDVI和EVI2类植被指数,还可以间接计算MSAVI和RVI等多种植被指数;利用MODIS植被指数可以建立线性回归模型和非线性的多种曲线模型,它们可以用在草地生态系统的净初级生产力估算、草地退化监测等方面。MODIS植被指数还可以在草地面积提取、草地碳储量估算等方面进一步的应用。

典型地物标准波谱数据库系统设计

国家级通用型典型地物标准波谱数据库系统是空间遥感技术与应用发展的重要技术支撑,是国家空间信息设施的重要组成部分之一。介绍了该波谱数据库系统软件设计的研究内容,包括系统总体架构、组织结构、模块划分、功能分配、性能特点以及系统特色等,为我国空间信息设施的发展提供一个可行的地物标准波谱数据库系统设计方案。