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.

植被降水利用效率(PUE)是评价植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标.以年净初级生产力(NPP)数据、年降水量数据为基础,利用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术,计算并研究了 2000-2020年青海湖流域植被降水利用效率时空分布格局及其地形效应,结合年均气温、年均地表温湿度、年生长季光合有效辐射吸收系数和年植被覆盖度等数据,探讨了PUE与各因子间的相关关系.结果表明:(1)青海湖流域单位像元(1 km2)PUE平均值在0.4-0.7 gC m-2 mm-1间变化,平均为0.54 gC m-2 mm-1,且在年际间无显著变化趋势(R2=0.05,P≥0.05).在空间上,青海湖流域多年PUE平均值环湖呈现不均匀分布,除青海湖东岸外,PUE值随湖面距离增大呈减小趋势;其高值区主要集中分布在青海湖西岸和南岸的半环区;年PUE变化趋势的斜率值为-0.05-0.04 gC m-2 mm-1 a-1,其中显著变化的区域占流域面积的29.63％.(2)青海湖流域多年PUE平均值在海拔效应和坡度坡向两种不同微地形效应下表现出明显的差异.海拔每升高50 m,PUE值将减少0.02 gC m-2 mm-1;随坡度增加,PUE值呈降低趋势,平坡至险坡(＞45°)的变化范围为0.3-0.61 gC m-2 mm-1;不同坡向PUE值表现为由东北坡向西南坡递减,范围为0.52-0.56 gC m-2 mm-1.(3)在空间上,青海湖流域PUE值与地表温度、光合有效辐射吸收系数、植被覆盖度和叶面积指数相关性较为明显.沿海拔梯度,空气温度和地表温度与PUE呈极显著正相关(R2=0.94,P＜0.01;R2=0.98,P＜0.01),光合有效辐射吸收系数、植被覆盖度和叶面积指数与PUE显著正相关(R2=0.89,P＜0.05;R2=0.90,P＜0.05;R2=0.86,P＜0.05),地表土壤湿度与PUE无显著相关性(R2=0.16,P≥0.05).评估了青海湖流域植被降水利用效率的特征及其与各因子间的相关关系,明确了植被对降水的利用能力及其耗水特性,可为青海湖流域植被保护和国家公园建设提供理论参考.

地-气温差指标表征作物水分亏缺状况已经被广泛研究,但地-气温差随作物生育进程的变化特征及其影响因子的观测研究仍较少,制约着地-气温差的准确模拟,基于夏玉米2014年三叶期和2015年拔节期的5个灌溉水分控制试验资料的研究表明:随着夏玉米生育进程的推进,土壤水分的变化显著影响了夏玉米农田的地-气温差,土壤水分亏缺越严重,地-气温差越高.在整个水分处理期间,归一化植被指数是地-气温差的主要影响因子且两者呈显著的线性关系,但不同生育期地-气温差还受其他因子的影响:三叶期后受冠层吸收光合有效辐射比影响且呈显著的线性关系,三叶期至拔节期则受土壤相对湿度和空气相对湿度的影响且呈显著的线性关系.在此基础上,基于2014年试验资料建立了夏玉米全生育期地-气温差模拟模型、营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型,并利用2015年夏玉米拔节期5个灌溉水分控制试验资料进行了模型验证,结果表明,夏玉米全生育期地-气温差模型可以解释2015年地-气温差变异的63％,但地-气温差分生育期模拟模型,即营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型综合的模拟结果则可解释2015年地-气温差变异的79％.研究结果为基于地-气温差的作物干旱指标定量评估作物干旱提供了依据.

光合有效辐射吸收比例(fraction of absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)反映了植被吸收光合有效辐射的能力,是许多陆面模型的重要输入参数.本文旨在研究中国重要的南北气候分界带秦巴山区植被FPAR的时空变化特征.基于2006-2015年MODIS遥感数据及气象数据,采用趋势分析法对秦巴山区植被FPAR像元尺度的时空变化特征进行了分析,并利用相关分析法探讨了植被FPAR变化对气候变化的响应.结果 表明:秦巴山区植被FPAR空间差异明显,呈西北和东北低、中部和东南部高的分布特征,并且随海拔的升高而降低,具有明显的垂直地带性;2006-2015年秦巴山区植被FPAR空间变化表现为中部增加、四周减少的空间格局,显著增加的区域主要分布在嘉陵江、丹江流域及汉江下游地区,甘南高原及川西高原等地呈不显著减少趋势;近10年秦巴山区植被FPAR呈显著增加趋势,增速为4.8％·10 a-1(P＜0.05),以作物FPAR增加趋势最为明显(P＜0.05),并且植被FPAR在冬季上升显著(P＜0.05);从年际水平看,秦巴山区植被FPAR变化总体上与气温的关系比降水量更加密切,但存在植被类型差异:针叶林、阔叶林FPAR与年平均气温相关性更高,草地、作物FPAR受年降水量影响更大.

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.

冠层吸收光合有效辐射比(fAPAR)是植被生产力遥感模型的重要参数.但关于不同干旱条件下作物全生育期的fAPAR遥感反演研究仍未见报道.本研究利用2015年夏玉米5个灌水处理模拟试验的高光谱反射率和fAPAR观测资料,分析了不同干旱条件下夏玉米关键生育期fAPAR和高光谱反射率变化特征,探讨了fAPAR与反射率、一阶导数光谱反射率和植被指数的关系.结果表明:轻度水分胁迫和充分供水条件下,fAPAR较高;重度水分胁迫和重度持续干旱条件下,fAPAR较低.冠层可见光、近红外光和短波红外光区的反射率与fAPAR分别呈负相关、正相关和负相关关系.fAPAR与可见光和短波红外光区的383、680和1980 nm附近的反射率的相关性最强,相关系数均达-0.87.一阶导数光谱反射率与fAPAR相关性强且稳定的波段为580、720和1546 nm,相关系数分别为-0.91、0.89和0.88.9个常用植被指数与fAPAR呈线性或对数关系,其中,增强型植被指数、复归一化植被指数、土壤调节植被指数和修正的土壤调节植被指数与fAPAR的关系模型最好,决定系数(R2)均在0.88以上,平均相对误差分别为16.6％、16.6％、16.7％和16.2％;基于一阶导数光谱反射率与fAPAR的对数关系在(720±5) nm波段处的模拟效果较好,R2达0.86;直接选择反射率数据估算fAPAR的效果较差,R2最高为0.81.研究结果可为fAPAR的准确反演及评估作物干旱状况提供支撑.

光合有效辐射(PAR)是影响白天净生态系统碳交换(NEE)变化的主要环境因子,但坡面地形水平测量的PAR与超声风速仪倾斜校正后的NEE坐标系统并不匹配.本研究以平均坡度9°、坡向296°的帽儿山温带落叶阔叶林为例,研究2016年生长季(5-9月)NEE的日变化规律及其驱动因子,评估水平和坡面平行辐射表测量PAR在光响应参数估计以及其他驱动因子对NEE解释方面的差异.结果 表明:生长季各月NEE日变化均呈上、下午不对称的单峰曲线,NEE日出约2.5 h后变为负值(净碳吸收),在12:00左右达到峰值,日落前2h再次接近零.日吸收峰7月最大,5月最小.从整个生长季来看,坡面平行与水平测量PAR的时滞和差异导致通过水平辐射表测得的PAR值拟合得到的光合量子效率(α)和白天呼吸速率(Rd)分别增大13.3％和11.5％,最大光合效率(Amax)降低7.7％;上午与下午的NEE光响应曲线不对称,下午的Rd和Amax均大干上午.光响应参数还受天气条件影响,多云Amax大于晴天,但a和Rd大多小于晴天.但逐月来看,水平测量辐射的Amax和Rd普遍低于倾斜测量辐射的值,尤其是多云下午的Ama.辐射表安装方式还影响空气温度(L)与饱和水汽压差(VPD)对NEE的解释,除9月Ta外,基于坡面平行辐射表的全天NEE残差与Ta和VPD的相关性(r为0.082～0.219和0.162～0.282)高于基于水平辐射表的NEE残差(r为0.013 ～ 0.197和0.098 ～0.224).本研究表明,倾斜地形水平测量PAR可对NEE的环境解释带来明显误差,这对山地植被辐射测量方法以及陆地生态系统碳通量的科学解释具有重要意义.

散射辐射是影响森林碳吸收的重要因子.然而,有关生态系统总初级生产力(GPP)对散射辐射响应机理的理解仍有限.该研究利用中国东部6个人工林生态系统2019-2020年观测的碳通量数据和气象数据,估算了散射辐射,区分了直接辐射和散射辐射条件;基于直角双曲线方程获取了不同辐射条件下生态系统光响应参数;量化了GPP对散射辐射和直接辐射变化的响应;采用偏相关方法分析了光照和环境因子对GPP日变化的贡献,旨在探究生长季散射辐射对人工林生态系统GPP的影响机理.研究表明:散射辐射增加可以有效促进冠层光合作用,初始量子效率(a)和光合有效辐射(PAR)为1 000 nmol·m-2·s1时的GPP(P1000)分别提高了47％-150％和2限65％.与直接辐射条件相比,散射辐射条件下的PAR每增加1 μmol·m-2·s-1,GPP增加0.86％-1.70％,森林植被类型和站点物候变化会影响这一过程,具有较低归一化植被指数(NDVI)的樟子松(Pinus sylvestris var.monggolica)和油松(Pinus tabuliformis)人工林GPP随单位PAR增加的变化量的增量(0.86％-L00％)明显低于其他人工林站点的增量(1.04％-1.70％),且植被NDVI与P1000存在显著正相关关系.在低光照时,PAR控制生态系统平均总初级生产力(GPPa)的变化;在中等至高光照时,散射辐射比例(DF)是影响GPPa的主要因子.在中等光照时,散射辐射对应的光合作用接近于高光照时太阳辐射对应的光合作用,且杉木(Cunninghamia lanceolatd)、杨树(Populus spp.),栓皮栋(Quercus variabilis)和华北落叶松(Larix gmelinii)在中高DF(≥0.5)时的GPPa比低DF(＜0.5)高出27％-50％,油松和樟子松在中高DF时的GPPa比低DF约高出2％.散射辐射条件下,散射光合有效辐射(PARdif)解释了GPP变化的16％-45％,气温(Ta)和饱和水汽压差(VPD)解释了杉木、栓皮栋和华北落叶松林GPP变化的10％-19％.在散射辐射条件下,人工林在Ta为15-25℃和VPD 为 0-1 kPa 时 P1000最大.

潜在植被的净初级生产力(PNPP)是在无人类干扰情况下,立地所能发育形成最稳定成熟植被的净初级生产力,PNPP能够直接反映自然生态系统的质量状况,是分离人类活动对生态环境影响的重要指标.研究改进了CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型,引入潜在光合有效辐射吸收比例(PFPAR)模拟了2000—2020年中国植被PNPP的时空分布格局.结果表明:中国PNPP空间分布差异较大,东南沿海和东北大、小兴安岭地区PNPP较高,新疆、西藏等西部干旱、高寒地区PNPP较低,呈现以400 mm等降水量线为界的空间分异格局.2000—2020年,中国PNPP总体上呈现递增趋势,年际波动小,PNPP减少的区域与增加的区域面积基本相等.PNPP波动较大的地区主要位于青藏高原、四川盆地和贵州高原.研究结果量化了气候变化背景下真实的生态状况和潜在生态状况的差异,可分离出人类活动对自然生态系统的直接影响,为制定针对性的生态修复对策提供了科学依据.

为探究草原生态系统固碳能力,利用锡林浩特国家气候观象台2018-2021年的涡动相关资料分析了锡林浩特草原生态系统CO2通量的变化特征以及环境因子对CO2通量的影响,并对通量源区分布进行了探讨.结果表明:研究区全年盛行西南风,生长季的源区面积大于非生长季,大气稳定条件下的源区面积大于不稳定条件;90％贡献率的源区最大长度接近400 m,与经典法则估算的长度一致.锡林浩特草原净生态系统碳交换量(NEE)具有明显的 日变化和季节变化,生长季白天为碳汇,夜间为碳源,非生长季白天和夜间均为弱碳源.2018-2021 年,年总 NEE 分别为-15.59、-46.28、-41.94 和-78.14 g C·m-2·a-1,平均值为-45.49 gC·m-2·a-1,表明锡林浩特草原有较强的固碳能力.饱和水汽压差和光合有效辐射有助于草原生态系统吸收大气中CO2;夜间,当温度高于0℃时,气温和土壤温度升高会促进植被呼吸作用释放CO2.