森林是最重要的陆地生态系统类型之一,在生态文明建设中具有举足轻重的地位,研究独具森林资源优势地区的生态系统生产总值(GEP)变化及其对土地利用变化的响应对促进该类区域可持续发展具有重要意义.本研究以江西省资溪县为研究区,基于生态系统价值核算理论和方法,在调节服务通用指标体系(水源涵养、土壤保持、氧气提供、碳固定、气候调节、洪水调蓄、水质净化、空气净化、物种保育)及文化服务通用指标体系(景观游憩、教育)基础上,增加负氧离子、康养等指标,并引入森林生态系统服务修正系数,构建独具森林资源优势的GEP指标体系和方法,评估了研究区2010、2017和2020年GEP的时空变化特征,采用弹性指数及价值损益分析方法量化了土地利用/土地覆盖变化对GEP的影响.结果表明:2010、2017和2020年资溪县GEP分别为167.88、268.17和384.07亿元.各生态系统GEP占总GEP比例依次为森林＞湿地＞农田＞草地＞城镇.研究期间,GEP增加值主要来源于森林生态系统.土地利用变化对GEP产生了重要影响.2010-2020年,研究区土地利用变化总面积为8501.88 hm2.各土地利用变化幅度依次为草地(-2811.17 hm2)＞城镇(1428.06 hm2)＞森林(1357.67 hm2)＞湿地(1031.05 hm2)＞农田(-1005.01 hm2).各类用地的绝对变化主要发生在2017-2020年.各测算指标对森林生态系统的弹性指数明显高于其他生态系统,说明GEP对林地面积变化的敏感性最高.价值损益分析表明,城市开发在一定程度上降低了 GEP,林地、湿地的保护促进了 GEP增加.2010-2020年,资溪县土地利用类型之间的转化导致GEP增加18.65亿元,说明资溪县土地利用变化整体上对生态的影响是正向的.研究结果一定程度上体现了资溪县成为国家生态文明建设示范县之后的绿色发展成效,也为研究区今后高质量发展、高水平保护和土地资源可持续开发利用提供了决策支持,并可为其他类似地区的GEP核算提供借鉴.

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰.研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献.结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m-2 a-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm-1 m-2 a-1).(2)2001-2020年间黄土高原80.12％的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m2 m-2 a-1)而气候因子变化均不显著.(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74％地区的WUE变化.研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考.

参考作物蒸散量(ET0)是估算植被生态需水量的关键数据.气候变化背景下,不同区域的ET0变化趋势各有不同,从区域尺度研究ET0的时空变化与归因分析更有利于变化环境下区域的农业用水管理和生态需水量估算.本研究基于第六次国际耦合模式比较项目(CMIP6)发布的最新气候数据和高精度栅格数据,分析了汾渭平原年均ET0在历史时期(1985-2015年)和未来时期(2030-2060年)的变化趋势、空间分布以及气象要素对ET0变化的贡献.结果表明:CMIP6的气象数据经偏差校正后可用于预测ET0,且多模式集合方法的预测精度(R2为82.9％,均方根误差为14.9 mm)高于单个气候模式的精度.汾渭平原ET0在历史时期呈显著下降趋势;在未来时期的SSP245和SSP585情景下分别呈不显著上升和显著上升趋势.饱和水汽压差在历史和未来时期对ET0变化的贡献率均最大,是气候变化条件下影响汾渭平原ET0变化的首要气象要素,太阳净辐射和风速是历史时期影响ET0变化的重要气象要素,温度和风速是未来时期影响ET0变化的重要气象要素.这些气象要素的较大贡献是由于其具有较大的多年相对变化率,而不是对ET0有高度的敏感性.未来时期SSP245和SSP585情景下的汾渭平原ET0相比历史时期分别增加4.2％和3.1％.汾渭平原ET0的变化趋势、相对变化的空间分布差异主要表现在平原的东部与西部地区之间.本研究的高精度ET0时空分布结果可为汾渭平原地区制定应对气候变化的适应性措施提供数据参考.

使用淮河流域1981年至2020年的149个气象站点的气温和相对湿度数据,分析了流域暖季极端高温干旱复合事件(Compound Drought and Heat Events,CDHEs)的时空演变特征,并通过趋势分析和相关分析法探讨了 CDHEs与气候和植被的关系.结果表明:①CDHEs的发生日数在年代际尺度上呈现明显的增加趋势,并且范围扩大,频发区逐渐向淮河流域中西部移动;②在年际尺度上,CDHEs随时间序列呈显著的波动上升趋势,空间分布上以西北部为中心向四周递减.连续CDHEs事件呈年际变化,最大2至4天的连续事件存在波动,2019年达到高峰,并且在流域内零散或成片出现;③在月际尺度上,CDHEs的发生日数在6月最多,其次是5月、7月、9月和8月.淮河流域入汛前的旱情和入汛后的旱涝急转都容易导致CDHEs发生,而且随着月际变化向南移动;④CDHEs对水热条件和大气环流具有特别的敏感性.在850hPa反气旋和500hPa显著高压异常的控制下,高温、低湿、高蒸发和降水少的气候背景有利于淮河地区CDHEs的形成,尤其是在淮河中西部地区.因此,CDHEs的发生与气候变化密切相关;⑤CDHEs与植被生长也存在显著关系.CDHEs与GPP呈显著的负相关,而与NDVI呈显著的正相关,显著地区的土地类型以耕地和城乡、工矿、居民用地为主.GPP和NDVI的不同步可能是因为多种因素的非线性相互作用,而不仅仅是单一因素的影响.此外,对于GPP和NDVI来说,土壤含水量至关重要.总之,本文对淮河流域CDHEs的时空分布特征进行了深入研究,并探讨了其与气候和植被的关系.研究结果可以为该地区的气象灾害防御和生态环境保护提供科学依据和参考.

青藏高原在全球气候变化背景下展现出高度生态敏感性及脆弱性,而对其典型优势种的适生区时空动态进行预测既是实行生态恢复的前提,也能为制定保护对策提供依据.本研究以青藏高原温性荒漠草原的优势种中亚紫菀木(Asterothamnus centraliasiaticus)为对象,基于MaxEnt模型,结合82条中亚紫菀木在青藏高原的有效分布记录和筛选后的6个生物气候变量,模拟预测中亚紫菀木在历史(全新世中期)、当前及未来4种气候排放浓度情景下的潜在分布区,并结合气候因子的贡献率及刀切法检验来分析制约中亚紫菀木地理分布的重要气候因子.结果表明:温度变量是影响青藏高原中亚紫菀木地理分布的主要气候限制因素,而降水变量是影响中亚紫菀木潜在地理分布的辅助生物气候变量;适合中亚紫菀木生长的最暖月最高温度(Bio5)范围为16.5～38.5℃,最暖季降水(Bio18)变化范围为55.0～1885.5 mm;从全新世中期到当前阶段是青藏高原中亚紫菀木种群扩张阶段,其种群主要聚集在青藏高原东北缘干旱半干旱地区;从当前到未来阶段,中亚紫菀木总适生区变化呈"先增加后降低"趋势,但中、高适生区却呈直线下降趋势;此外,中亚紫菀木在未来有逐渐向东迁移趋势.综合分析表明,在全球气候变化背景下,中亚紫菀木在青藏高原范围内的生存繁殖仍存在较大挑战.可根据其迁移趋势建立相关合理保护利用措施,以保持中亚紫菀木栖息地的连续性.

青藏高原海拔高、面积广,是全球范围内最典型的高寒地区之一,探究青藏高原高寒草地植物和土壤碳稳定同位素组成(δ13 C)特征及其控制要素,对深刻理解高寒生态系统碳循环过程具有重要意义.研究采集并测定了青藏高原不同区域 135 个草地样点中的植物和土壤碳稳定同位素自然丰度,探讨了不同植物功能群和表层(0-10 cm)土壤δ13 C特征及其与气候、土壤因素的关系.结果表明:(1)杂类草δ13C显著低于禾本科、莎草科和豆科植物δ13 C(P＜0.05).表层土壤δ13 C与禾本科、莎草科、豆科植物δ13C呈显著正相关(P＜0.05),与杂类草δ13C无显著相关关系,且表层土壤δ13C对三种植物功能群δ13C的敏感性为禾本科＞豆科＞莎草科.(2)在影响禾本科、莎草科、豆科植物和表层土壤δ13C的环境因子中,气候因子的相对贡献率均大于土壤因子,气候因子中太阳辐射相对贡献率最大,杂类草δ13C与气候和土壤因子均不存在显著相关关系.研究表明,太阳辐射是决定高寒草地生态系统植物和表层土壤δ13C的主要因子.研究可为青藏高原高寒草地植物和土壤δ13 C特征与有机碳动态循环提供数据支撑和理论参考.

旱地约占全球陆地面积的40%,而水分是旱地植被生长的一大限制要素.尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实,然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究,这对研究旱地生态系统对气候变化的响应带来了挑战.为了填补这一认知空白,研究收集了多源气象、根区土壤含水率和总初级生产力产品,基于随机森林算法量化了植被总初级生产力对根区土壤含水率和饱和水汽压差的敏感性,结合土地覆盖数据和分档平均方法分析了敏感性空间异质性的形成机制.结果表明:全球旱地饱和水汽压差与植被生产力总体呈显著上升趋势;根区土壤水分对植被生长的影响以正效应主导,饱和水汽压差对植被生长的影响以负效应主导;相较于森林和灌木,饱和水汽压差对植被生长的负效应及根区土壤含水率对植被生长的正效应在农田、草地和苔原及半干旱区更为强烈;植被生产力对饱和水汽压差和根区土壤水分的敏感性在数量上总体呈显著的线性负相关性.综上,植被种类和气候条件是导致全球旱地植被生产力对土壤水分和饱和水汽压差敏感性空间异质性的重要因素.

研究建立了祁连山东部青海云杉(Picea crassifolia)存活个体与死亡个体的树轮宽度年表和断面生长增量(BAI)序列,对青海云杉存活个体与死亡个体的径向生长特征及其对气候要素的响应关系进行了比较,尝试厘清青海云杉径向生长与气候要素之间的响应机制.结果表明:青海云杉死亡个体的径向生长速率明显低于存活个体(P＜0.001),尤其是在 20 世纪 80 年代快速升温后,这一差距进一步加大,青海云杉死亡率也大幅增加.在 1951-1986 年期间,青海云杉径向生长主要受生长季前(上一年 9 月到当年 2 月)干湿状况的影响;而在 1987-2020 年期间,青海云杉径向生长则更多受生长季(当年 6-8 月)干湿状况的影响.并且与活树相比,死树对区域干湿状况表现出更高的敏感性,对气温的负响应也更强.随着气候变暖加剧,高温及其带来的干旱胁迫已成为区域内限制青海云杉径向生长的主要气候因素,青海云杉的死亡率可能会继续升高.

参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

中国碳排放的时空格局对全球气候治理极为重要,其驱动机制是"减排"的关键所在.对中国省域碳排放时空特征和驱动模式进行聚类研究,揭示不同省域的模式相似性与差异性,对于各省域的"双碳"目标达成和路径安排具有重要影响和现实支撑.研究采用 1997-2019 年碳排放量及社会经济数据,从聚类分析角度探讨了中国省域碳排放的趋势及驱动模式,基于偏最小二乘法(PLS)模型的归因结果,识别不同省域碳排放的驱动因素的贡献度和敏感性,进一步探寻省域减排方案.研究表明:①研究期内中国碳排放以 499.25mt/a的速率上升,呈低位平缓波动-大幅上升-高位缓慢波动的趋势变化,省域碳排放呈北高南低、东高西低格局.②省域碳排放模式具有差异性,北京、天津等为低起点低速发展类,趋势呈扁平"S"型;吉林、新疆等为低起点高速发展类,呈上升"S"型;河南、广东等为中起点高速发展类,呈扩张"S"型.山东、山西为高起点超高速发展类,呈指数"S"型.③中国省域碳排放驱动因子的贡献度和敏感性存在空间差异.经济发展、产业结构、城市化水平与能源消耗等对碳排放的贡献度较高,其中地区GDP、人均GDP、第二产业占比GDP、年底非农人口比例、地区能源消耗总量等是碳排放的主要贡献因子.碳排放对产业结构、科技发展、环境规制的敏感性较强.④中国省域碳排放驱动模式的分异性较为明显,同类驱动模式省域多在地理空间范围内形成"集聚"现象.因此,不同省域政府减排策略的落实应考虑其碳排放的发展规模及驱动机制的差异,实现地区发展和减排"两手抓"的同时利用地区优势,资源互通、交流合作,加强省域间碳排放的"共治",进一步促进高质量发展.