基于OGC WPS的碳循环模型服务平台的设计与实现

 碳循环模型是模拟陆地生态系统,估计和预测不同尺度碳收支格局和变率的重要手段。但传统碳循环模型应用中存在数据处理量大、运算复杂、互操作性差、难以推广等问题。由开放地理信息联盟(OGC)制定的网络处理服务(WPS)标准为实现碳循环模型的发布、共享、重用与组合,促进碳循环模型的发展和应用提供了一种新的途径。本文遵循OGC WPS标准,以SOA设计了碳循环模型服务平台的整体架构,详细描述了平台模型接口设计、模型算法开发、WPS服务的封装与发布、平台浏览器客户端界面开发等关键环节的实现方法,为用户提供了碳循环相关数据和模型服务的发布、管理、调用、组合、异步交互、状态监控和结果可视化等功能。并以VPM模型服务链为应用实例,演示碳循环模型WPS服务开发、封装、调用和组合的方法,展示了该服务平台的功能。该平台的建立为我国碳循环模型研究的发展提供了技术支撑。     

陆地生态系统碳- 水耦合机制初探

陆地生态系统的碳循环和水循环是当前全球变化研究的热点。大量的研究已经表明两者之间具有密切的 耦合作用。但是目前对于两者的耦合关系和耦合机制还缺乏系统的分析和总结。本文在综合相关研究的基础上,对 陆地生态系统碳- 水耦合的基本过程和基本作用机制作了概括。我们认为陆地生态系统碳- 水耦合过程共包括土 壤- 植被节点、植被- 大气节点(气孔节点)、土壤- 大气节点和生化节点4 个碳- 水耦合节点。碳- 水间的生化反应、气 孔对光合- 蒸腾的共同控制和优化调控作用、生态系统对碳、水循环的同向驱动机制分别是陆地生态系统碳- 水耦 合的生物化学、生物物理学和生态学基础,共同构成了碳- 水耦合的基本作用机制。我们还用水分利用效率(WUE) 概念对碳- 水耦合过程中的碳/水耦合比例关系作了探讨。     

中亚热带人工针叶林CO2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003—2005年连续3a涡度相关C02通量观测数据为基础,采用“单塔日变化法（Daily-differencing approach）”分析了CO2通量观测数据的随机误差,研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分（Reco,NEE,GEE）的影响,并利用不确定性分析方法——自助法（Bootstrapping）统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性．结果表明：（1）CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布（Laplace分布）,而不是高斯正态分布;（2）不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异,最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法;（3）最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的如。,NEE,GEE结果分别相差12．18％（176．47g C．m^-2．a^-1）,34．33％（79．175g C．m^-2．a^-1）,5．4％（91．955g C．m^-2．a^-1）;而TW_model与T_model模拟Reco,NEE,GEE结果分别相差1．31％（17．825g C．m^-2．a^-1）,2．1％（5．745g C．m^-2．a^-1）,0．26％（4．28g C．m^-2．a^-1）．这说明参数优化方法的选择对C02通量的影响高于模型的选择,因此选择适当的误差分布假设（参数优化方法）对CO2通量的确定和评价很重要;（4）最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法．且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化,时间尺度越大,CO2通量的相对不确定性越小．Reco,NEE,GEE年尺度上的相对不确定性分别为4％～8％．7％～22％．2％～4％．     

SWH双源蒸散模型模拟效果验证及不确定性分析

SWH模型是在经典Shuttleworth-Wallace双源蒸散模型的基础上发展起来的蒸散模型。过去的研究结果表明在站点尺度上SWH模型表现出较高模拟精度,但有关模型对主要参数及驱动变量的敏感性以及模型模拟的不确定性来源等缺乏深入理解与认识。本文通过与51个陆地生态系统站点多年的蒸散观测数据对比,在季尺度、年尺度上验证了全国范围内SWH模型的模拟效果,并分析了关键参数和驱动变量对模型不确定性的贡献大小。结果表明：SWH模型在区域尺度上取得了较好的模拟效果,模拟蒸散与实测值R²均在0.75以上。模型各参数中,冠层导度估算涉及的两个参数对蒸散模拟不确定性影响较大;驱动数据中,归一化植被指数对蒸散模拟不确定性影响较大。尽管部分数据（如降水）因插补存在较大的误差,但总体上气候驱动数据对蒸散模拟的不确定性的贡献仍低于NDVI。     

中国草地植被地上和地下生物量的关系分析

草地生物量大部分集中在地下,地下生物量对于估算草地生态系统碳储量及其碳固持效应都至关重要。由于草地地下生物量数据缺乏,利用地下与地上的根冠比(R/S)或者地下与地上生物量的关系对草地地下生物量进行估算,是目前最常用的方法。本文在综述草地生物量研究进展的同时,利用2004~2010年已发表文献的草地生物量数据对中国不同类型草地的根冠比进行了探索,同时分析了不同类型草地的地上与地下生物量的相关关系(高寒草甸、高寒草原、山地草甸、温性草甸草原、温性草原和温性荒漠草原)。分析结果表明:不同类型草地的根冠比存在显著差异(F=3.524,p0.01);进一步分析发现,山地草甸的根冠比显著低于其他类型草地(p0.01),R/S较大的草地类型为温性草甸草原和温性荒漠草原,均值分别为7.0和6.8。对地上与地下生物量相关关系的分析表明,3种类型草地的地上与地下生物量存在幂函数相关关系,即高寒草原(R~2=0.67)温性荒漠草原(R~2=0.36)高寒草甸(R~2=0.13),其他3种类型草地几乎不存在地上与地下生物量的相关关系。这为以后估算地下生物量提供依据,即地下生物量估算应该综合考虑根冠比和地下与地上生物量关系。     

中国亚热带5种林型的碳库组分偶联关系及固碳潜力

中国亚热带森林对亚热带地区乃至中国的碳收支和碳平衡具有十分的重要作用。根据中国亚热带地区5种主要林型(杉木林、马尾松林、常绿阔叶林、阔叶速生人工林和针阔混交林)生物量的文献资料,采用关联矩阵法分析了亚热带5种林型树干、树枝、树叶、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库、林下植被碳库(包括灌木层和草本层)、死生物量碳库(包括枯立木、枯倒木、枯枝和凋落物)8个碳库间的偶联关系,利用回归方程研究乔木层、林下植被层、死生物量碳密度与立木蓄积量的关系,通过Logistic曲线探讨5种林型乔木层的最大碳密度。结果表明:1)5种林型生态系统碳库组分的碳密度和分配比例存在明显差异,但均呈现乔木层死生物量灌木层草本层的规律;2)5种林型树干、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库的碳密度之间关联性极为显著(p0.001),它们与死生物量碳密度的关联性均达到显著水平(p0.05);针阔混交林的林下植被碳密度与其他碳库组分碳密度相关性不显著(p0.05),而其他4种林型的林下植被碳密度均与树干、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库、死生物量的碳密度显著相关(p0.05);3)针阔混交林的林下植被碳密度与立木蓄积量相关性不显著,其他4种林型的乔木层总碳密度、林下植被碳密度、死生物量碳密度与立木蓄积量的回归曲线均达到显著水平(p0.05);4)5种林型乔木层的碳密度与林龄的关系符合Logistic曲线(p0.0001),碳密度最大值分别为194.43Mg/hm~2,110.62Mg/hm~2,260.42Mg/hm~2,175.52Mg/hm~2和157.20Mg/hm~2,它们可视为亚热带5种林型乔木层固碳潜力的参考水平。     

中国东部南北样带森林生态系统WUE和NUE空间格局及驱动因子(英文)

From July 2008 to August 2008, 72 leaf samples from 22 species and 81 soil samples in the nine natural forest ecosystems were collected, from north to south along the North-South Transect of Eastern China (NSTEC). Based on these samples, we studied the geographical distribution patterns of vegetable water use efficiency (WUE) and nitrogen use efficiency (NUE), and analyzed their relationship with environmental factors. The vegetable WUE and NUE were calculated through the measurement of foliar δ 13C and C/N of predominant species, respectively. The results showed: (1) vegetable WUE, ranging from 2.13 to 28.67 mg C g-1 H2O, increased linearly from south to north in the representative forest ecosystems along the NSTEC, while vegetable NUE showed an opposite trend, increasing from north to south, ranging from 12.92 to 29.60 g C g-1 N. (2) Vegetable WUE and NUE were dominantly driven by climate and significantly affected by soil nutrient factors. Based on multiple stepwise regression analysis, mean annual temperature, soil phosphorus concentration, and soil nitrogen concentration were responding for 75.5% of the variations of WUE (p<0.001). While, mean annual precipitation and soil phosphorus concentration could explain 65.7% of the change in vegetable NUE (p<0.001). Moreover, vegetable WUE and NUE would also be seriously influenced by atmospheric nitrogen deposition in nitrogen saturated ecosystems. (3) There was a significant trade-off relationship between vegetable WUE and NUE in the typical forest ecosystems along the NSTEC (p<0.001), indicating a balanced strategy for vegetation in resource utilization in natural forest ecosystems along the NSTEC. This study suggests that global change would impact the resource use efficiency of forest ecosystems. However, vegetation could adapt to those changes by increasing the use efficiency of shortage resource while decreasing the relatively ample one. But extreme impacts, such as heavy nitrogen deposition, would break this trade-off mechanism and give a dramatic disturbance to the ecosystem biogeochemical cycle.     

1981-2010年中国散射光合有效辐射的估算及时空特征分析

光合有效辐射（Photosynthetically active radiation,PAR）是植物光合作用的主要能量来源,其散射组分能够增强植被冠层光能利用率,从而增加碳吸收。因此,散射PAR是生态系统生产力模型的重要驱动因子。本文尝试估算我国1981-2010 年的散射PAR,通过空间化得到近30 年月尺度10 km分辨率的散射PAR空间数据集,并分析了其空间分布特征和时间变化趋势。结果表明：（1）1981-2010 年散射PAR多年平均值的空间分布具有明显的空间异质性,总体上东北部较低,南部和西部较高。全国范围内的多年平均值在6.66~15.27 mol m^-2 d^-1之间,且夏季散射PAR最大,冬季最小。（2）1981-2010 年全国所有像素散射PAR年平均值表现出明显的上升趋势,上升幅度为0.03 mol m^-2 d^-1/10a;但前10 年下降趋势明显,且1982、1983、1991 和1992 年存在明显异常。春季的散射PAR呈现微弱的下降趋势,其他季节均呈上升趋势。（3）1981-2010 年散射PAR时间变化率的空间分布具有明显的季节变化和区域差异,我国大体呈现南部区域上升,北部区域下降。     

国际重大研究计划与中国生态系统研究展望——中国生态大讲堂百期学术演讲暨2014年春季研讨会评述

以“传播新知识、交流新思想、展示新成果”为宗旨的中国生态大讲堂百期学术演讲暨2014年春季研讨会于2014年4月25日在北京举行。本次研讨会以“国际重大研究计划与中国生态系统研究展望”为主题,邀请秦大河、姚檀栋、傅伯杰、崔鹏4位中国科学院院士和马克平、于贵瑞、张佳宝、秦伯强4位知名专家作了主题报告。8位报告人分别介绍了政府间气候变化专门委员会(IPCC)、未来地球(Future Earth)、第三极环境(Third Pole Environment)、国际长期生态监测研究网络(ILTER)、生物多样性和生态系统服务政府间科学—政策平台(IPBES)、生物多样性计划(DIVERSITAS)、通量观测研究计划(FluxNet)等国际重大研究计划的进展和趋势,并就山洪泥石流风险分析与管理、碳通量空间格局及生物地理生态学机制、农田地力提升和湖泊富营养化治理等领域的前沿科学问题和研究进展作了系统阐释。基于8位报告人的演讲,本文评述了8个报告的主要内容和亮点工作,分析了国际生态环境领域重大国际研究计划的发展趋势及其对中国生态系统研究的启示,讨论了中国相关领域的科学研究方向和主要问题。     

中国区域陆地生态系统土壤呼吸碳排放及其空间格局——基于通量观测的地学统计评估

土壤呼吸是陆地生态系统通过根系呼吸和微生物呼吸向大气中释放CO2的过程。研究土壤呼吸的时空格局,将有助于构建区域尺度土壤呼吸定量评价模型,也可提高预测未来气候变化情境下的典型生态系统、区域以及全球尺度碳平衡状况的能力。本文整合了中国区域土壤呼吸的主要研究成果,分析了温度敏感性（Q10）和土壤呼吸（Rs）的统计特征和区域差异,定量评价了中国区域Rs的时空格局及其在中国和全球碳平衡中的作用。通过以上分析本文得出以下主要结论：①不同生态系统类型的土壤呼吸的Q10表现为森林〉农田〉草地,气候越寒冷,土壤呼吸Q10越大,并且中国区域的Q10值相对于其他国家偏低;②Rs具有明显的季节变异,不同生态系统类型的Rs表现为森林〉农田〉草地,并且,中国区域Rs低于全球Rs;③月尺度上Rs随着经纬度发生明显的季节变异,随着经度的增加,Rs的季节变幅也逐渐增加;④1995-2004年中国区域Rs的年总量的平均值为3.84 PgC,占全球土壤CO2排放的比例4.78%。