中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

稻麦作物净初级生产力模型研究:模型的建立

以植物生理学、农业气象学和土壤环境学的基本原理为基础 ,建立了稻麦作物净初级生产力模型 .该模型包括 2个主要功能模块 :光合作用和呼吸作用 ;土壤 作物系统氮素运移 .前者综合考虑了环境因子和作物氮含量的影响 ,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放的动态模拟 .     

稻麦作物净初级生产力模型研究:模型检验与情景预测

利用我国若干代表性区域98组稻麦作物生产力的试验数据,对所建立的稻麦作物净初级生产力模型进行了检验.结果表明,该模型能根据常规的气象和土壤资料、化肥施用量等数据资料较好地模拟我国主要区域稻麦作物的净初级生产力.模拟值(y)与观测值(x)的线性关系为:y=1.05p-16.8(r²=0.771,p<0.001,n=98).对南京地区的情景预测结果表明:大气CO₂浓度升高促进稻麦作物的固碳能力;气温升高会降低水稻和小麦的碳固定,但对小麦的影响要小于水稻;在当前情景及未来情景(CO₂浓度为540μmol·mol^-1,温度增加1～4℃)下,氮肥施用对小麦碳固定的促进作用大于水稻,氮肥施用量高于150 kg·hm^-2时对2种作物的碳固定没有显著的促进作用,甚至降低水稻的净初级生产力.     

武陵山区植被净初级生产力遥感模拟与分析

论文利用碳水耦合的BEPS遥感过程模型对2010年武陵山区植被NPP进行模拟估算,并利用森林样点实测数据、各县粮食产量统计资料、MODIS NPP产品和已发表文献中各植被类型的NPP模拟值与实测值进行验证。在分析了NPP空间分布格局及其年内变化趋势的基础上,文中还重点分析了NPP与高程、坡度和坡向等主要地形因子间的关系。结果表明：① 2010年武陵山区植被NPP平均值为555.17 g C/(m²·a),年总NPP为92.96 Tg C,与MODIS NPP产品相比,论文模拟的NPP高低值分布更加合理,而且包含了更多地形信息;② 月NPP随季节而变化,2010年研究区所有植被类型的NPP季节变化均呈双峰形态,其中灌丛和常绿阔叶林的季节变化幅度最大,农作物的变化幅度最小;③ NPP随高程增加有着明显的先增后减的变化趋势,NPP随坡度增加则呈现出先增后减然后再上升的规律,而在所有坡向中,南坡的平均NPP最高,北坡的NPP最低。     

云贵高原植被净初级生产力(NPP)时空格局动态变化

云贵高原是长江上中游和珠江上游等河流的生态保护源区,是重要的生态屏障区。基于MOD17A3年均NPP数据,利用GIS空间分析技术和数理统计方法研究了云贵高原植被NPP的时空格局动态变化。结果表明,云贵高原植被年均NPP总体上呈现出其西南部最高、东北部较少、中部最少的分布特点,尤其是贵州部分区域年均植被NPP较低。不同土地利用类型地区植被NPP存在明显差异,由高到低依次为林地、草地、农作物与自然植被镶嵌体、永久湿地、农作物及灌丛等。近15年间植被NPP略有减少,云贵高原年均植被NPP为767g/m~2·a;NPP绝大部分集中在716~833g/m~2·a之间,所占比例约为70%~85%;植被NPP在西南部和南部地区明显减少,在北部和中部明显增加。云贵高原大部分地区年NPP呈现增长趋势,但呈退化趋势的区域NPP减小值较大。     

华北植被的净初级生产力研究及其时空格局分析

在CASA模型的基础上,建立了利用NOAA/AVHRR 1B卫星资料和气象资料估算植被净初级生产力(NPP)的技术方法,该方法有3个特色:直接利用NOAA/AVHRR 1B卫星数据,不需要经过大气校正和方向反射率校正来实现NPP估算;考虑了植被覆盖类型对光能利用率的影响;考虑了植被反照率在计算净辐射中的差异。利用该方法对2007年华北地区的NPP模拟结果表明:2007年华北地区植被的年总NPP为3.68×1014gC/a,各省总的NPP贡献率依次为:内蒙古64%、山西20%、河北13%、北京2%和天津1%,各季的贡献率大小依次为:夏季67%,秋季17%、春季15%,冬季1%。不同植被类型年NPP分别为:森林灌丛为271~560 gC/m2.a,草原为97~278 gC/m2.a,农田为363~376 gC/m2.a,建筑居民地为216 gC/m2.a,荒漠裸地为14 gC/m2.a。受物候和气候因素影响,不同植被类型NPP具有不同的年变化。     

1981-2015年神农架林区森林生态系统净初级生产力估算

湖北省神农架林区是全国唯一以林区命名的行政单位,拥有全球中纬度地区唯一一块保存完好的原始森林,量化其森林生态系统NPP（net primary productivity,净初级生产力）对县域生态系统评估工作十分重要.基于CEVSA2（carbon exchange between vegetation,soil and atmosphere 2）模型模拟1981-2015年神农架林区森林生态系统NPP,并利用中国生态系统研究网络神农架站观测数据和野外调查数据进行验证,进而分析其NPP时空变化特征及其主要环境影响因子.结果表明:①1981-2015年神农架林区森林生态系统年均NPP为628.27 g/m2（以C计）,空间分布表现为中部较低、东部以及周边较高,具有明显的空间异质性.②1981-2015年神农架林区年均NPP的增长速率为2.58 g/（m2·a）（R2=0.65,P < 0.001）;运用Mann-Kendall突变检验法发现,1998年前后是NPP增长速率变化的突变点,虽然1998年前后两个时段NPP均呈上升趋势,但1999-2015年NPP增长率较1981-1998年下降了7.01%;从空间上来看,林区中部和北部NPP增长率[4~6 g/（m2·a）]相对较高,南部和东部部分地区NPP呈下降趋势,其变化速率在-3~0 g/（m2·a）之间.③神农架林区NPP年际变化与年均温、总辐射年际变化均呈正相关,与年降水量年际变化呈负相关,其中年均温年际变化对NPP年际变化的解释率最高,为43%（P < 0.01）;在空间尺度上,林区森林生态系统约67.83%区域的NPP年际变化由年均温年际变化控制,主要分布在林区中部和东南部,可见年均温是该地区森林生态系统NPP的主要影响因素.      

2000～2010年贵州省植被净初级生产力时空变化研究

为了探明贵州省植被净初级生产力(NPP)在2000~2010年的变化状况,以2000~2010年植被NPP数据为基础,运用ArcG IS和SPSS进行综合分析。结果表明:近11年间,草地、城镇用地、阔叶林、针叶林和湿地等面积呈增加趋势,而灌木林和农田则持续减少,其中农田面积变化尤为明显;2000~2010年贵州省植被NPP变化较大,NPP变化范围为778~889 g/(m2·a),平均值为828.1 g/(m2·a),NPP缓慢上升趋势;全省NPP分布有明显地域性差异,铜仁和六盘水为显著增加(P0.05),其余地州市增加缓慢(P0.05)。黔东南年均NPP最高((927±111)g/(m 2·a)),毕节最低((725±107)g/(m2·a))。NPP变化趋势为东南向西北方向递减,而往西北方向NPP波动程度明显;阔叶林和灌木林缓慢下降,而针叶林和针阔混交林则上升。NPP表现为针阔混交林阔叶林针叶林灌木林。     

基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型

建立基于MODIS数据的天然橡胶净初级生产力遥感估算模型,利用2009年生长季(4—12月)250 m分辨率的MODIS数据和气象数据估算海南阳江农场天然橡胶的生长季净初级生产力, 通过天然橡胶的干物质分配率估算阳江农场天然橡胶的产胶潜力。用以树位为单元的地面实际干胶产量与已得到的天然橡胶林产胶潜力进行回归分析,建立天然橡胶干胶产量的估测模型。利用估产模型对阳江农场2010年7月的干胶产量进行模拟,用同期实际干胶产量对估产模型进行精度验证与实用性评价,结果显示7月估产模型均方根误差RMSE为1.78 g·m^-2,相对均方根误差RMSE_r为18.25%。研究表明,基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型具有较好的产量估测效果。     

长江流域植被净初级生产力对未来气候变化的响应

研究基于气象观测和B2气候变化情景数据,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟了1981—2000年和2010—2050年两个时段内植被NPP的空间分布格局及其时间变化趋势并分析了其时空变化与气温和降水量的关系。研究表明1981—2000年流域内植被NPP的空间分布大致呈现自西向东、自北向南递增的趋势。未来长江流域气温将整体增加,但各地增温幅度不同。流域降水量有增有减,主要增加区域位于长江源头和上游及中游的江北地区。未来在气温增加幅度较小而降水量增加的区域,如长江源头和上游的青海、西藏、川西及云南的部分地区的植被NPP将增加。在气温增幅较大而降水量减少或者降水量增加不多的区域如长江中游和下游的广大地区植被NPP将减少。从植被类型来看,长江流域大部分森林、郁闭灌丛和农作物的NPP在B2气候变化情景下将减少,每年减少量分别在0~4.5 gC.m-2、0~2 gC.m-2和0~2.5 gC.m-2之间。高寒草甸、草地和稀疏灌丛的NPP将增加,每年增长量介于0~2 gC.m-2之间。     

近20年气候变化对西南地区植被净初级生产力的影响

论文利用大气-植被相互作用模型(AVIm²)模拟了西南地区植被净初级生产力的空间分布格局和多年变化,分析了1981-2000年西南地区气候变化对森林、灌丛和草地净初级生产力的影响。研究表明,西南地区植被净初级生产力的空间分布与降水量呈显著正相关,与海拔高度呈负相关。从年际变化来看,西南地区总植被净初级生产力近20年略有上升。近一步分析表明,由于近20年西南地区自然植被分布区域降水量变化具有明显差异,从而使得不同类型植被对气候变化有不同响应特征。在森林分布广泛的地区,气温升高速率为0.037℃/年,降水量变化趋势不明显,模拟的森林植被净初级生产力没有明显变化趋势。灌丛和草地集中区域气温升高速率分别为0.040℃/年和0.034℃/年,年降水量有明显增加趋势,植被净初级生产力有上升趋势。     

广东省土地覆盖变化对植被净初级生产力的影响分析

理解土地利用/覆盖变化对植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响对于全球碳循环和粮食安全具有重要意义。论文采用优化的CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型估算广东省2000、2005和2010年NPP,分析NPP的空间格局和土地覆盖的时空动态,研究土地覆盖变化对NPP的影响。结果表明：1）广东省NPP空间分布不均,形成一系列高值区和低值区;总体上是粤中区最高,珠三角区最低。2）2000—2010年广东省土地覆盖变化程度增强,城市用地和耕地变化最大,主要集中在珠三角区和粤中区。3）在气候变化条件下,以城市扩张为主导的广东省土地覆盖类型变化整体上造成NPP的损失,损失量主要来自林地和耕地向低生产力土地覆盖类型的转换,尤其是被城市用地占用;不同生态区NPP损失差异显著,珠三角区和粤中区NPP损失较为严重;2005—2010年珠三角区NPP损失量有所降低,其他生态区均有所增加,体现了城市扩张对NPP影响的复杂性。     

泾河水质模型的标定与验证

本文从木质模型识别的需要出发．利用管理分析．严密对设计模型进行参数结构调整，修改和定型，并对选定模型进行了检验．平均相对误差仅为9.51％＜20％；在水域功能划分的应用中取得满意的效果。     

水质模型参数识别与验证的探讨

参数识别与模型验证是水质模型应用的两个重要步骤。在对模型参数的本质含义进行辨析的基础上,对模型参数的时变性、集成性和可识别性进行了分析。采用科学哲学的方法,对水质模型验证的必要性和不足进行了讨论,指出虽然模型验证必不可少,但也不能证实模型本身就是实际物理和生化过程的反映,因此应充分地意识到“经过验证的”模型在预测中的风险。     

SWAT模型在我国流域水环境模拟应用中的评估验证过程评价

模型评估验证是模型开发和应用过程中的重要环节,是管控模型应用于管理决策风险的重要手段.近年来,以SWAT模型为代表的流域水环境模型在我国流域水环境管理中得到广泛应用,但模型评估验证过程尚缺乏规范性指导.结合SWAT模型建模过程和模型评估验证的基本步骤,梳理总结SWAT模型评估验证过程的评价方法,针对确定研究或决策目标、获取输入数据、构建模型、模型率定验证、展示模型结果等5个阶段分别设计评价指标.筛选中国知网收录的2015—2017年发表的以SWAT模型为主题的428篇学术论文作为研究对象,评价现有研究的模型评估验证过程,分析我国SWAT模型评估验证的现状以及存在的问题和不足.评价结果表明,我国现有的SWAT模型应用研究总体比较重视模型评估验证过程,能够清晰定义研究区域、建模目标和期望产出,说明输入数据来源和质量以及模型概化、参数灵敏度分析、参数识别、不确定性分析的方法和结果,模型模拟效果较好.但是,针对SWAT模型评估验证方法的研究较少,在模型参数识别方面还存在参数选取未考虑研究区域特征、参数识别结果不合理等问题.建议在SWAT模型应用研究中关注参数灵敏度分析和参数识别,结合研究区域特征建立本地化应用数据库,加强模型评估验证方法研究.当模型应用于流域水环境管理决策时,应完整地开展模型评估验证,并分析模型不确定性对决策的影响.      

环杭州湾地区近36年自然植被净初级生产力的变化特征

利用LPJ模式,以1971—2006年常规气象站观测资料作为模式输入数据,模拟了环杭州湾地区植被NPP,并分析了近36年来研究区植被NPP的时空变化特征。结论表明:①环杭州湾地区NPP 36年平均为552.10 gC/(m2.a),逐年变化呈上升趋势,速率为1.52 gC/(m2.a2);②研究区植被NPP 36年平均在494.23～617.23 gC/(m2.a)之间;东部沿海及距海较远地区值较大,且基本上呈经向分布;而中部地区值较小,且基本呈纬向分布;NPP年代空间分布与NPP近36年平均空间分布情况基本一致;③随着气候条件的变化,NPP相对大值区在空间上增大,但是增幅有一定的地域性差异;随着降水或CO2浓度的增大(减小),NPP有增大(减小)的趋势;随着温度或云量的增大(减小),NPP有减小(增大)的趋势;在1971—2006年间,对环杭州湾地区植被NPP起主要影响的因子为CO2浓度,其次为云量。     

极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应

利用作者建立的塔里木盆地北部盐化草甸植被净初级生产力模型 ,模拟了极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应。结果表明 ,在一定土壤质地条件下 ,盐化草甸植被净初级生产力随地下水埋深的增加而逐渐下降。地下水埋深越大 ,盐化草甸植被净初级生产力对地下水埋深变化的响应越敏感。全球变化造成的温度升高对盐化草甸植被净初级生产力的影响 ,也是依地下水埋深的不同而有所差异。地下水埋深较小时,盐化草甸植被净初级生产力对温度升高的反应较小 ;随着地下水埋深的加大,其响应程度明显增加。因而 ,地下水埋深越大 ,盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应就越明显。     

基于净初级生产力的中国生态足迹均衡因子测算

生态足迹作为一种非货币化的生态系统评估工具,是近年来国际上一种重要的判别可持续发展程度的生物物理量方法。均衡因子是生态足迹计算中的一个重要参数,它将6种生物生产性土地类型的面积转换为具有相同生物生产力的面积,从而实现了6种类型土地面积的加和,因此,均衡因子是否准确直接影响到计算结果的可靠性与可比性。随着生态足迹方法的广泛应用,其标准化和本地化研究成为迫切的需要。本文采用中国2001年1km MODIS数据,根据植被的净初级生产力,对中国的平均均衡因子进行了测算：耕地和建筑用地为1.71,林地和能源用地为1.41,草地为0.44,水域为0.35,并与国际通用的均衡因子进行了对比。     

呼伦贝尔草原植被覆盖度估算的光谱模型

采用美国ASD公司Fieldspec3光谱仪和日本富士数码相机,于2009年7~8月在内蒙古呼伦贝尔草原区进行了植物高光谱和植被覆盖度测定,并运用回归分析方法,建立实测归一化植被指数(ASD NDVI)和植被覆盖度之间的地面光谱模型,分析MODIS/TERRA卫星的NDVI(MODIS NDVI)与ASD NDVI的关系,建立预测植被覆盖度的MODIS光谱模型,并对模型进行精度检验.结果表明所建的MODIS光谱模型是线性函数,该模型预测精度高于亚像元分解模型,标准误差为11.58%,平均预测精度达到88.75%.