青藏高原是陆地碳循环研究中的热点地区.在全球气候变化背景下,其总初级生产力(gross prima-ry production,GPP)在区域碳循环过程中发挥着重要作用.结合遥感数据使用模型模拟有助于了解青藏高原区域尺度上生态系统生产力的变化过程,以及预测其未来的变化趋势.本研究使用6种常见的遥感GPP产品(GLASS、MODIS MOD17A2、FLUXCOM、VODCA2、改进的EC-LUE数据及VPM数据),结合涡度协方差通量观测数据(海北灌丛、海北湿地和当雄)进行验证后,对青藏高原2001-2015年生态系统GPP空间分布格局及时间变化趋势进行分析.结果表明:不同生态遥感产品得到的青藏高原年平均GPP、区域年均GPP时空分布格局与变化趋势存在较大差异,6套产品得到的2001-2015年变化趋势分别-0.77 g C·m-2·a-1(GLASS)、3.63 g C·m-2·a-1(MOD17A2)、-1.21 g C·m-2·a-1(FLUXCOM)、1.53 g C·m-2·a-1(VODCA2)、4.73 g C·m-2·a-1(VPM)和-0.81 g C·m-2·a-1(改进的 EC-LUE);在空间分布上多年平均GPP总体呈现"东南高、西北低"的特点,区域差异较大;在青藏高原生态系统中,GLASS产品区域平均年GPP 最高(827.78 Tg C·a-1),MOD17A2 产品最低(484.04 Tg C·a-1),2001-2015 年青藏高原生态系统GPP变化程度分布区域基本相同,东南部最剧烈,而西部最为稳定;经过站点数据验证,MOD17A2在8天尺度上结果相对更好,而FLUXCOM数据集在月尺度上结果相对更好,结合在区域尺度上的表现,MOD17A2数据集更加适用于青藏高原地区.

植被吸收光合有效辐射(Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)是植被进行光合作用中实际吸收的太阳辐射量,是植被净第一性生产力的重要指标,也是生态系统的功能模型、作物生长模型、净初级生产力模型、气候模型等的重要参数.因此高空间分辨率和精确性的植被吸收光合有效辐射对于高精度的区域生产力及光能利用率的研究具有重要意义.对CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型进行了改进,利用 30 m×30 m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据直接计算太阳辐射,从而将其作为CASA模型的输入参数.结合多源遥感数据、气象数据,研究 2015-2020 年江汉平原APAR的时空分布及其影响因素.顾及江汉平原的土地利用分布特点,着重分析了江汉平原农田APAR的时空特性,研究结果较好的反映了江汉平原APAR分布.实验结果表明:(1)2015-2020 年APAR年总值在 3.42×1013 MJ—3.73×1013 MJ之间,总体空间分布与植被类型的分布情况相符;(2)农田月均APAR值在 4 月、7 月高于其他月份,表现出"双峰"的特征;(3)在空间分布上,水田APAR表现出明显的纬度地带性,而旱地APAR正好相反,这可能源于种植结构重心转移;(4)通过借助地理探测器,着重考虑与植被生长相关的 12 个因子(包括≧10≧积温、年总日照时数、年均气温、年总降雨量、农田种植结构、年散射辐射、农田施肥、土壤类型、土壤质地(砂土、粉砂土、黏土))进行分析,结果表明这 12 个因素对APAR空间变异性都具有很明显的影响.对CASA的改进方法可以适用于大范围高空间精度的计算.

草地覆盖全球陆地面积的40％左右,在全球碳循环中发挥着重要作用.近年来,人类活动,如化石燃料燃烧和畜牧业的发展显著增加了氮在全球环境中的沉积.草地管理方式(如刈割)在介导氮沉降对草地植物的影响方面具有重要作用.因此,筛选合适的模型对光响应过程进行拟合并计算相关参数对研究植物光合特性具有重要意义.依托6种氮添加(NH4NO3)梯度和两种草原管理方式(刈割和不刈割)交互处理的野外控制实验,利用Li-6400便携式光合作用系统测定上述实验平台的优势种羊草(Leyznus chinensis)的光合作用-光响应过程.采用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型和直角双曲线修正模型4种光响应模型对羊草光响应曲线进行拟合,从参数拟合效果和模型拟合优度筛选氮添加和刈割条件下羊草的最佳拟合模型并分析羊草的光合特性.结果表明:指数模型对表观量子效率(a)、光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Pnmax)具有较好的参数拟合效果,非直角双曲线模型的模型拟合优度最好.在所有处理中,羊草均未表现出明显的光抑制现象,具有一定的光合潜力和适应环境变化的能力.适度氮添加和刈割处理能提高羊草净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、Pnmax、α和LSP等,提升了羊草的光能利用率并拓宽了光强利用范围,但过度氮添加并不能进一步提高光合能力.综上,指数模型和非直角双曲线模型较适用于氮添加和刈割条件下羊草的光响应曲线拟合,施氮浓度为20 g N m-2 a-1并刈割是最有利于提高羊草光合能力的草原管理措施.探讨了不同氮添加浓度和刈割处理对优势种羊草的交互影响,从光合作用角度分析羊草的适应机制,将对未来全球氮沉降增加情况下的草地管理方案提供科学依据.

为了探明云南省元阳县植被净初级生产力(NPP)的变化特征及其驱动机制,本研究基于光能利用率模型(CASA)和MODIS传感器获得的NDVI数据,模拟了元阳县2005-2015年植被NPP的时空分布,并分析了NPP与气候、土地覆盖等影响因子的相关性.结果表明:2005-2015年元阳县NPP空间分布差异明显,基本特点是南高北低、西高东低,沿东北向西南逐渐递增,年均值约380.57gC·m-2·a-1,不同土地覆盖类型的植被NPP也分异明显;元阳县NPP月际及年际变化特征显著,年内太阳辐射的分布不均较之于降水的分布不均对NPP的影响更大,年际间NPP总体呈现小幅波动增长趋势,波动幅度为0～37 gC·m-2·a-1,年净初级生产量整体小幅增加,年增速为29600 kg C·a-1,随着退耕还林和退耕还草工程的实施,导致NPP在200～300 gC·m-2·a-1的耕地区域面积呈减小趋势,在300～400 g C·m1·a-1的林地、草地区域面积呈增加趋势;元阳县不同区域的NPP变化趋势可分为显著增加(P＜0.01)、轻度增加(P＜0.05)、无明显变化(P≥0.05),其中29.5％的区域显著增加,16.3％的区域轻度增加,不同植被分区的NPP增加趋势不尽相同,各植被区NPP显著增加的面积比例依次为58.1％(林地)、19.2％(草地)、17.4％(耕地)、11.4％(建筑用地)、8％(园地);通过NPP与气候、土地覆盖等影响因子的相关性分析,发现县域NPP的变化受自然和人为因素共同影响.各气候因子中,温度和太阳辐射与NPP的相关性高于降水,NPP的大范围显著增长是热量及能量耦合作用的结果;受元阳县林区植被特性及退耕还林还草等人为活动的综合影响,林地植被NPP季节波动性幅度最高,是元阳县NPP变化显著的主要土地覆盖类型.本研究可为该区域合理的土地利用、资源管理及生态环境建设提供参考.

当前作物的冠层光合效率仅仅是理论冠层光能利用效率的30％甚至更低,提高冠层光能利用效率是未来高光效改良的关键.由于冠层内部光环境和叶片生理状态的巨大差异,三维冠层光合模型是解析控制冠层光合效率的关键因子的重要理论手段.通过光合系统生物学手段,目前一系列提高光线、CO2供给及改良光合器官效率的手段已经得以明确.在不同作物中,确立改良冠层光合效率的有效途径、建立实现高光效的有效分子模块及其组合方式、建立分子改造的分子工具包及设计工具是当前冠层光合效率研究的核心内容.

拉萨河流域是西藏政治、经济和文化核心区,具有青藏高原典型的高寒湿地及西藏主要的耕作区,受人类活动及气候变化的影响,流域生态安全及生态健康面临威胁和破坏.植被净初级生产力(NPP)作为衡量生态系统健康的重要指标,能够反映生态系统的可持续发展.利用2000-2015年MODIS-NDVI数据,基于光能利用率模型估算了拉萨河流域的NPP,分析了NPP的时空格局、动态变化特征及NPP与气候因子的相关性,探讨了影响NPP变化的驱动因子并明确了驱动分区.结果表明:近16年拉萨河流域NPP年均值为165.614 gC m-2 a-1,总体分布具有明显的空间异质性,与该地区植被类型的分布规律相似,不同植被类型的NPP存在差异.NPP变化在总体上呈下降趋势,平均年变化趋势斜率为-1.804 gC m-2 a-1.NPP与气温和降水的相关性具有明显的地域性差异,草本湿地与气温呈显著负相关,灌丛与降水呈显著正相关.NPP变化受气候因子驱动的区域占比20.81％,非气候因子占比79.19％.

利用ChinaFLUX长白山站阔叶红松林的通量观测数据以及同期卫星遥感数据,对3PG模型中的植被光合模型(VPM)、光能利用率模型(EC-LUE)、陆地生态系统模型(TEM)、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法模型(CASA)4种模型进行参数重组,通过对比通量观测值与估算值的均方根误差、决定系数及平均误差确定模型的最适合参数;并利用实测的通量观测数据对优化后的模型进行拟合度验证,以提高其估算长白山阔叶红松林总初级生产力(GPP)的准确性.结果表明:采用温度、增强植被指数、地表水分指数分别表征原模型中的温度限制因子、光合有效辐射吸收比例、水分限制因子估算长白山阔叶红松林GPP时,结果最优,优化后模型的精度(R2=0.948,RMSE=0.035 mol·m-2·month-1)明显优于原模型(R2=0.854,RMSE=0.177 mol·m-2·month-1),且能够有效改善原模型生长季明显高估的现象;通过敏感性分析可知,温度是对GPP估算不确定性影响最大的参数,其次为增强型植被指数和光合有效辐射,地表水分指数最小,且变量间的交互作用对GPP估算不确定性也存在影响.

西北干旱区目前已实施众多生态恢复举措试图修复和重建受损的生态系统,截至目前恢复效果如何我们不得而知,但生态恢复效益评估却能够检测其结果,并为未来的生态工程提供参考.在前人研究的基础上,以地面观测的气象资料、土壤调查数据、多源遥感数据和陆面模型模拟数据作为输入,对基于像元二分法的植被覆盖度估算方法、修正的风力土壤侵蚀模型、修正的通用土壤流失方程和基于光能利用率的净初级生产力模型中的参数进行本地化,更为准确的估算了西北干旱区生态恢复效益评价体系中的关键指标,并集成生态恢复效益指标,评估了1990-2015年西北干旱区14个山地-绿洲-荒漠子系统的生态恢复效益.研究发现:(1)山地-绿洲-荒漠子系统的生态系统结构、生态系统质量和生态系统功能时空分异明显:全区山地系统的生态系统结构有所改善,北疆和伊犁地区的山地-绿洲-荒漠子系统生态系统质量上升,荒漠生态系统的生态系统功能下降;(2)1990-2015年西北干旱区的荒漠子系统生态恢复效益在下降,而绿洲和山地的生态恢复效益在上升.基于多指标的生态恢复效益定量评估有助于客观认识西北干旱区的生态恢复现状和动态,评估结果可为未来生态工程提供具体的空间位置,也为我国其他生态脆弱区的生态恢复效益评价提供参考.

分析北部湾南流江流域净初级生产力时空动态变化特征及其驱动机制,为该区域生态环境保护及应对气候变化提供科学依据.基于光能利用率模型(CASA),利用遥感数据、气象数据和植被类型数据估算了研究区2000-2015年流域的净初级生产力(NPP),借助于Theil-Sen趋势、Mann-Kendall检验以及Hurst指数等数理统计方法对研究区NPP的时空变化特征、未来趋势及其驱动因素进行了定量化分析.结果 表明:①时间尺度上,流域NPP总体上呈现出波动上升趋势,增速为44.03 g C m-2(10a)-1,快于广西自治区,上游和下游地区NPP快于全区,而中游地区慢于全区;②空间尺度上,流域NPP的分布规律表现出明显的地域分异,中游最高(1098.99 g C/m2),下游次之(1041.71 g C/m2),而上游最小(1013.22 g C/m2).NPP的Sen趋势度介于-77.10-74.80 g C m-2 a-1之间,在空间上呈现出增加的趋势.③空间波动性上,流域NPP的变异系数较大,其值介于0.01-0.71,其中洪潮江水库、小江水库周边以及玉林市的城乡建设用地扩张区域处于高波动状态,而流域中部的六万大山以及五皇山地带则处于低波动状态;④未来变化趋势上,流域NPP的Hurst指数范围介于0-0.99之间,平均值为0.70,呈现单峰右偏分布,预示着流域NPP未来处于持续性增加的趋势;⑤驱动机制上,流域NPP与多年平均气温呈正相关关系,与年均降水量呈负相关关系,气温是该流域植被NPP的主控因子.由耕地转化为建设用地所导致的NPP损失值最大,其值达到4715.62 t/a,而草地转换为建设用地导致NPP损失值最小,其值仅为184.63 t/a.

胡杨(Populus euphratica)为第三纪孑遗植物,在个体的不同发育阶段形成了独特的异形叶,具有较强的抗旱性和耐盐性,是额济纳绿洲生态系统的主要建群种,具有重要的研究价值.以内蒙古额济纳旗胡杨林自然保护区胡杨为研究对象,通过实地调查观测,分析了胡杨幼苗期、幼树期和成熟期叶片的形态变化规律及其性状特征,利用Li-6400XT便携式光合作用系统测定了胡杨幼苗期、幼树期和成熟期不同形态叶片的光合作用光响应过程,并采用直角双曲线修正模型对其进行了拟合分析.结果表明:(1)在胡杨生长发育过程中,其叶片形态性状表现出明显的变化规律.随着胡杨树龄的增长,其叶片的长/宽比值、比叶面积和叶片厚度逐渐减小,而叶干物质含量、叶面积和叶干重数据增大.(2)胡杨成熟期阔卵圆形叶具有较高光合活性,通过提高Pnmax以增强光能利用率,使其在干旱荒漠区高温、强光环境下仍能保持较高的光能转化效率与光合速率;幼树期条形叶具有较宽的光能利用区间,能够在弱光环境下保持较高的光合速率;幼苗期条形叶具有较低的α与相对较高的LCP、LSP及Pnmax,主要归因于其较高的比叶面积,高效光捕获面积使其具有较高的光合速率;上述结果是胡杨在不同光环境下形成的适应性反应和生理生态机制.(3)直角双曲线修正模型适于胡杨不同形态叶片光合生理参数的定量研究.