中国植被物候研究进展及展望

本文围绕气候变化背景下的中国植被物候研究,梳理了植被物候对气候变化的响应机制,分析了中国植被物候变化对陆地生态系统碳、水和能量循环的影响,植被物候变化对局地气候的反馈机制以及通过大气环流对气候系统的影响．主要结论:1)中国植被生长季开始日期提前1~6 d?(10 a)–1,结束日期推迟2~5 d?(10 a)–1,生长季显著延长;2)中国中高纬度地区植被对温度的响应明显高于亚热带和热带地区,温度在控制植被物候的过程中起到多重作用,降水主要影响干旱和半干旱地区的植被物候;3)植被生长季延长增加陆地生态系统生产力,增加中国碳汇;4)植被物候变化改变植被的蒸散发量,从而改变我国的流域尺度河流径流;5)在中国大部分地区,植被物候变化对气候系统产生负反馈作用,甚至影响大气环流过程．中国植被物候的研究越来越多,但仍存在亟待解决的科学问题,比如未来中国植被物候研究需要更加关注遥感数据反演精度,明确物候响应气候变化机制的尺度效应,结合机器学习等智能算法改进物候模型提高物候模拟精度,并重视农作物物候,加强物候与森林管理结合研究以提高我国生态系统碳汇能力,积极面对碳中和带来的机遇与挑战．      

未来气候变化情景下我国粮食供需平衡风险研究

“粮食供需平衡风险”定义为未来气候变化对我国粮食供需的影响程度。基于IPCC 排放情景特别报告(SRES)中B2情景气候条件下的我国粮食生产模拟结果, 构建该框架下我国粮食消费分析情景, 最终建立以自给粮食供应程度为核心的粮食供需平衡风险标准。借助GIS空间分析技术, 探讨县域尺度上近期、中期和远期的气候变化将会给我国粮食供需平衡带来怎样的风险局面。结果表明气候变化将会在一定程度上加剧我国的粮食供需平衡形势。3个时段内, 粮食供需风险局面严峻形势由高到低排序: 中期>远期>近期。具体地, 中期面临的供需风险的县市比例高达66.99%, 其中中风险和高风险区域范围最广, 两者所占比例高达29.5%; 近期风险形势相对较为缓和, 上述比例降低到25.54%, 其中高风险县市比例较低约为10.72%, 中风险约为14.82%; 在空间格局上, 黄淮海区、黄土高原区、西南区以及青藏区的东缘面临的风险形势相对较为严峻, 东北区、甘新区以及内蒙及长城沿线区则相对较为良好。     

京津冀生态系统质量空间特征及生态红线建议

在对京津冀地区生态质量现状进行评价的基础上,利用GIS(地理信息系统)的空间分析功能,根据研究区的资源环境现状和自然资本承载力与区域经济社会发展的关系特征,在计算各区域生态质量分级的基础上,分别对其生态质量的时空特征,初级净生产力,森林植被覆盖变化等方面进行评价,结果显示:近年来京津冀生态系统质量有明显提升.京津冀区域28%的森林生态系统质量有改善,3%左右的森林生态系统质量存在下降趋势.2010-2015年,京津冀城市群净初级生产力呈现出较小波动变化趋势.相较于2000-2010年,京津冀城市群森林生态系统植被覆盖度的变化,只有高植被覆盖度区域呈现出增加的趋势.     

西南喀斯特地区植被定量遥感研究进展

喀斯特地区植被相比非喀斯特地区具有更高的时空差异性,在维持脆弱生态系统稳定与可持续发展中具有极其重要的作用。西南喀斯特地区作为全球生物多样性热点地区,植被类型多样且存在显著的同物异谱/同谱异物现象。为更精准、高效地进行喀斯特地区植被定量遥感研究,本文从个体尺度到生态系统尺度,从遥感数据源选择和方法应用上回顾了西南喀斯特地区植被定量遥感的研究进展,并探讨下一步需要重点关注的研究方向。西南喀斯特地区植被定量遥感研究主要集中在群落和生态系统尺度的植被覆盖度、植被分类、生态系统服务功能与价值研究;遥感影像数据应用相对单一,主要为被动成像中低分辨率的光学影像(如Landsat和MODIS)。在个体和种群尺度上,虽采用了地物高光谱遥感技术和无人机遥感技术,但该技术主要应用于小尺度近地面植物个体和种群研究,难以扩展到区域范围。亟待开展融合多源影像,尤其是激光雷达影像(Light Detection and Ranging,LiDAR)与非影像数据的应用及其先进分析方法研究,以及个体和种群尺度的喀斯特地区植被生化参数定量估算与自然植被物种精准识别,群落和生态系统尺度的生物多样性与碳循环定量遥感研究工作,以期为喀斯特地区植被格局、过程及其生态系统服务功能定量研究、脆弱生态系统植被恢复和石漠化治理决策的制定提供参考。     

黄土高原植被建设应从扩大面积向提升质量转变

 自1999年退耕还林还草政策实施以来,黄土高原的植被覆盖显著增加,有效遏制了该区水土流失。目前黄土高原的植被净初级生产力已经接近该区水资源承载力阈值,进一步扩大该区植被建设面积将不可避免地加剧水资源短缺等问题。为进一步巩固退耕还林成果,黄土高原未来的植被建设应从扩大面积向提升质量转变。     

青藏高原生态系统发育与生物多样性

 青藏高原是全球海拔最高的独特地域单元,对中国乃至北半球生态安全具有重要意义。本文通过分析青藏高原的地貌形成过程和气候条件,对青藏高原的生态系统与生物多样性进行基本判断,进而提出在气候变化背景下,建立涵盖青藏高原全境的生态监测体系、构建天地一体化监测体系和信息平台、生态建设项目的监测与评估3项建议,以整体提高青藏高原地区生态系统和生物多样性应对全球气候变化的能力。     

云南大理苍山保护区植被覆盖度动态变化遥感监测与分析

大理苍山物种多样性丰富但生态系统相对脆弱,评估苍山植被覆盖度为改善苍山生态环境和物种多样性具有重要意义。利用ENVI遥感软件对大理苍山自然保护区的4期遥感图像进行处理,提取归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI),利用像素二分模型对大理苍山自然保护区的植被覆盖度进行估算,对植被覆盖度的变化原因进行综合分析。结果表明:2001—2005年植被覆盖度从0.32上升到0.38,上升了0.06;2005—2009年植被覆盖度由0.38下降到0.35,下降了0.03;2009—2011年,植被覆盖度由0.35上升到0.45,上升了0.1。可见综合分析植被覆盖度的年际变化对大理苍山的植被保护和维护生物多样性具有重要的应用参考价值。     

对流解析区域气候模式对青藏高原降水模拟能力的研究

以中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式(RIEMS 2.0)为基础,采用中国科学院资源与环境数据中心提供的植被类型数据和北京师范大学提供的中国土壤质地数据,以及美国地质调查局提供的月植被覆盖度资料,进行模式本地化,从而建成了青藏高原对流解析区域气候模式．利用该模式对青藏高原进行了2001—2018年连续积分模拟,重点考察了区域气候模式在水平分辨率为9 km条件下对青藏高原降水模拟能力,结果表明:1）模式能够较好地模拟年、雨季降水的空间分布特征以及不同区域降水年变化,同时,模式模拟降水较观测偏多,偏差为13.01%~39.95%;区域气候模式模拟青藏高原降水较国际耦合模式“比较计划第六阶段（CMIP6）”45个全球模式模拟试验结果的年降水空间分布和强度有明显提高,并且更加接近观测值．2）模式能够较好地模拟出年降水时间和4个不同等级降水事件空间分布,特别是5~10、10~20、>20 mm这3个不同等级降水时间接近观测值．3）模式能够较好地模拟出青藏高原不同区域候平均降水随时间演变,降水强度除半干旱藏南地区较观测明显偏多外,对其他地区模式模拟的降水都非常接近观测值,同时与观测值之间相关系数为0.901~0.981,都通过99%置信度检验,与观测值之间的均方根误差为0.37~0.99 mm·d?1,其中对于极度干旱的柴达木地区候平均降水也能够较好地模拟出来,相关系数达到0.919;对青藏高原西南的南羌塘地区模拟最好,相关系数达到0.981．4）该研究表明采用青藏高原对流解析区域气候模式进行动力降尺度后,解决青藏高原等地区缺乏长时间序列高时空分辨率的气象数据集的瓶颈问题,为青藏高原气候和环境未来变化、生态安全屏障建设等提供坚实可靠的科学数据基础．      

Comprehensive analysis of the impact of climatic changes on Chinese terrestrial net primary productivity

Recent climatic changes have affected terrestrial net primary productivity (NPP). This paper presents an investigation of the impact of climatic changes on Chinese terrestrial vegetation NPP by analyzing 18 years’ (1982 to 1999) climatic data and satellite observations of vegetation activity. Results indicate that climatic changes in China have eased some critical climatic constraint on plant growth. (1) From 1982 to 1999, modeled NPP increased by 1.42%·a-1 in water-limited regions of Northwest China, 1.46%·a-1 in temperature-limited regions of Northeast China and Tibet Plateau, and 0.99%·a-1 in radia- tion-limited regions of South China and East China. (2) NPP increased by 24.2%, i.e. 0.76 petagram of carbon (Pg C) over 18 years in China. Changes in climate (with constant vegetation) directly contrib- uted nearly 11.5% (0.36 Pg C). Changes in vegetation (with constant climate) contributed 12.4% (0.40 Pg C), possibly as a result of climate-vegetation feedbacks, changes in land use, and growth stimula- tion from other mechanisms. (3) Globally, NPP declined during all three major El Ni-o events (1982 to 1983, 1987 to 1988, and 1997 to 1998) between 1982 and 2000, but Chinese vegetation productivity re- sponded differently to them because of the monsoon dynamics. In the first three events (1982 to 1983, 1987 to 1988, and 1992), Chinese vegetation NPP declined, while in the later two events (1993, 1997 to 1998) increasing obviously.     

气候变化对森林生态系统的主要影响述评

森林生态系统是陆地生态系统的主体,其对减少大气中的CO₂浓度从而减缓全球变暖有着决定性的作用。为了探究气候变化对森林生态系统的影响以及森林生态系统的反馈机制,发展合理的森林经营策略以应对气候变化,笔者综述了国内外有关气候变化对森林生态系统影响的相关研究方法与成果,重点讨论了气候变化对森林结构、组成和分布、森林生产力、森林碳库、森林生态系统生物多样性、生态系统生态服务功能等方面的影响,论述了森林生态系统对气候变化的反馈机制,并指出了现有研究的不足之处,提出了适应或者减缓气候变化对森林生态系统影响的森林经营策略,主要包括:①坚决贯彻实施退耕还林政策; ②加强保护天然林; ③制定科学的森林经营对策; ④加速我国碳汇林业的发展。     

气候变化对中国农业的影响

 在全球气候变化背景下,中国的气温不断增高,近50年中国年平均地表气温增加了1.1℃,明显高于全球;降水变化趋势不明显,年代际波动较大,也存在明显的地区差别;极端天气气候事件不断增多。未来气候变化情景,预计中国北方增温幅度高于南方,青藏高原增温最明显,年降水量增加显著区域为华北、西北及东北地区,长江中下游沿岸及其以南地区有小幅度增加。气候变暖将使粮食作物水稻、玉米和小麦的生育期缩短,产量下降;有利于棉花生产,能提高北方棉花产量和品质;三熟区面积将扩大约22.4%,一熟区面积约缩小23.1%,作物种植结构和作物品种的布局将发生变化;主要农作物病虫害呈加重趋势;对温带和寒带的家畜生长是有利的,对热带和亚热带家畜和牧草生长不利;中国四大海区主要经济鱼种的产量和渔获量有不同程度的降低;气候变暖将使中国各类自然植被发生明显北移,土地荒漠化危害范围加大,土壤肥力下降,并增加农业灌溉的需水量,农业水资源供需矛盾加剧。中国农业应对气候变化包括减缓和适应两个方面,应减缓和适应并重。     

气候变化对森林的影响与多尺度适应性管理研究进展

森林作为陆地生态系统的主体和全球气候系统的重要组成部分,对调节全球碳平衡和减缓气候变化具有不可替代的作用。目前的研究表明,气候变化已经对全球各类森林产生了不同程度的影响,而且全球气候变暖的加剧将对森林产生毁灭性的影响。森林管理是一项缓解气候变化影响的关键因子,为应对全球气候变化,森林经营管理必须做出相应的调整以适应和减轻气候变化的消极影响。本文系统总结了全球气候变化对森林及树木分布、生理生态和物候、森林生产力、碳循环、生物多样性、森林水文、森林灾害等产生的现实和潜在的影响,并针对气候变化下的可能影响,从基因、物种、森林生态系统、流域和生物圈多个尺度阐述了适应性管理的对策,以提高各生命系统适应气候变化的能力,实现森林的可持续经营和生物圈的可持续发展。     

鄱阳湖湿地洲滩前缘浅层土壤碳-氮-磷的时空特征

湿地洲滩土壤碳、氮、磷是重要的营养元素,其分布特征直接影响湿地生态系统的生产力和生态系统服务功能.通过2014-2017年对鄱阳湖湿地洲滩前缘浅层土壤(0～20 cm)有机碳、全氮、全磷观察实验分析,结果表明:鄱阳湖湿地洲滩前缘浅层土壤有机碳、全氮、全磷的年际变化特征不同,有机碳变化不显著,全氮、全磷变化显著; 浅层土壤有机碳、全磷、全氮的高程梯度变化极显著; 浅层土壤碳氮比、碳磷比年际变化极显著,氮磷比不显著; 浅层土壤碳氮比高程梯度变化不显著,碳磷比、氮磷比的高程梯度变化极显著.浅层土壤氮磷含量较其他     

基于SWIM模型模拟气候变化对青海湖布哈河流域水文过程的影响

本文基于青藏高原地区气候变化的预估结果,利用SWIM 模型模拟了该地区最具有代表性的布哈河流域在未来3个时期(2016-2035年、2046-2065年和2081-2100年)径流深、实际蒸散量和深层渗漏量的变化及其时空格局.结果表明:1)模型对布哈河流域径流的模拟结果较为理想,表明SWIM 模型在高寒地区有较强的适用性;2)随着降水的增加和气温的持续上升,流域的径流深和实际蒸散量在2100年前会持续增加,而深层渗漏量则先下降后上升;3)气候变化对流域水文过程的影响有季节差异性,其对深层渗漏量的影响集中于7、8月,而对径流深和实际蒸散量的影响主要在6-8月期间;4)流域各水文过程及其在不同时期的变化呈现一定的空间差异性.      

Sky islands of southwest China. I: an overview of phylogeographic patterns

Sky islands are high-elevation areas in continental mountain ranges,which are geographically isolated.We adopted this concept for the mountains in southwest China,which are among the most important biodiversity hot spots on earth.We reviewed the phylogeographic studies of this area and highlighted the sky-island features.We concluded that the genetic structures of species in these islands were shaped by complex topography,climate and habitats.The global climate change,such as Pleistocene climate fluctuations and periodic uplift of the Qinghai–Tibetan Plateau,also have important effects on biodiversity and geographic patterns,when species have responded idiosyncratically by changing their distributions or through adaptation.Future research needs in sky islands include multilocus data and comparative phylogeographic studies,integrating with the methodological advances in the other fields.Using these approaches,we can examine to what degree the geographic,climate and/or biological factors,shape strong geographic patterns,promote diversification/speciation and preserve species/genetic diversity.We hope this paper will inspire future work to uncover the mechanism that has generated the endemic biodiversity and to further resolve the most essential problem:How to protect the biodiversity with limited funding during the coming drastic global climate change.     

近10年全球水土保持研究热点问题述评

为科研人员了解水土保持学科研究前沿与发展,有针对性地开展研究提供科学依据,采用国际通用的4个引文数据库的数据,基于情报计量学理论,对2006—2015年全球水土保持学科研究领域进行分析。统计发现,2006—2015年全球水土保持研究的文献产出相对集中在美国和中国这两个该学科研究发达的国家,内容主要集中在环境科学与生态学、农业、水资源、地质学、工程和自然地理6个研究领域。其中,全球气候变化、人类活动、荒漠化及相互关系研究,土壤侵蚀建模与土壤侵蚀所造成的环境与生态影响评估是研究的热点。中国黄土高原是水土保持研究的区域重点热点。荒漠化是全球气候变化与人类活动共同影响的结果,旱地发展范式(DDP)正在兴起。与气候、水力、风成、泥石流、植被覆盖相关的土壤侵蚀模型是土壤侵蚀研究预测及治理的主要研究模型与重要方法。基于模型、指标阈值、现代化技术与设备的评估方法是土壤侵蚀所造成的环境与生态影响评估的主要方法     

Climate change threats to protected plants of China: an evaluation based on species distribution modeling

Climate change poses major new challenges to biodiversity conservation. Distribution ranges of species have been proven to be affected by climate anomalies. Detecting the extent of protected species response to climate change can help formulate flexible conservation strategies to overcome the changing climate. Using species distribution modeling and high resolution climate data, we simulated current distribution patterns of 233 protected plants in China. Those patterns were then projected into future suitable habitats for each species under nine climate change scenarios, with no migration or full migration hypotheses. Under the most extreme climate change scenario （CGCM-B2a）, we evaluated species extinction risks. Sixteen percent of protected plants are expected to lose more than 30 % of their current ranges. By calculating areal shifts, hotspots for emigrants, immigrants, and persistent species were identified under climate change. Flexible conservation strategies were addressed for those regions. Those strategies strongly depend on the migration types of species and sensitivity of the hotspots to changing climate. In hotspots for emigrants, the main conservation strategy is ex situ protection; protected species from these regions should be stored in seed banks or botanical gardens. For hotspots of immigrants, enough space should be maintained for new species, and some measures are necessary to assist dispersal. For hotspots of persistent species, more natural reserves are needed. We highlight related fields that can help conserve protected species in the future, such as conserving the soil seed bank and understanding of the effects of migration ability and interactions between protected species.     

生物多样性研究发展态势与挑战

在文献调研、专家咨询和文献计量分析的基础上,对国际生物多样性研究的发展历程进行了回顾,分析了国际生物多样性研究的发展态势和挑战。分析结果表明,国际生物多样性研究热点主要集中在植物多样性开发、生态保护、物种丰度、基因多样性、可持续管理、气候变化、森林、土壤、生态系统等方面,并面临以下新的形势与挑战：（1）生物多样性科学已成为联系生物学各学科以及相关科学领域的综合交叉研究领域;（2）人类社会与生物多样性的交互关系是生物多样性研究的核心内容;（3）观测监测网络成为国际生物多样性研究的关键平台;（4）长期、持续和更广泛范围的生物多样性调查和监测成为重要的工作方向;（5）先进技术成为生物多样性研究和保护的重要手段;（6）生物多样性评估工作正成为生物多样性可持续利用的基础性工作。最后,根据国际研究进展与特点提出了加强我国生物多样性研究的建议。     

黄土高原退耕还林（草）以来植被水分利用效率的时空特征及预测

 水分利用效率（WUE）是评估生态系统水碳循环的重要指标。基于PT-JPL模型的区域尺度实际蒸散发（ET）的模拟结果，结合黄土高原的总初级生产力（GPP），分析了退耕还林（草）工程实施后黄土高原水分利用效率WUE的时空变化趋势，结合CMIP6对未来3种情景下黄土高原的ET、GPP和WUE进行了预测。结果表明：2001-2015年，黄土高原植被显著增加， GPP和ET分别以每年3.59 g C·m^-2和4.39 mm的速率增加。WUE在72.68%的地区呈增加趋势，区域增长率为0.003 g C·mm^-1·m^-2·a^-1。在2015-2100年的3种情景中， ET均呈增加趋势，而GPP和WUE在SSP126中变化不大，在SSP245、SSP370情景中显著增加， WUE随着GPP的增加而增加。WUE结合了水资源的“消耗”和“利用”来阐明退耕还林（草）工程的成效，植被恢复虽然增加了区域耗水量，但是显著改善了植被覆盖情况，有效地提高了植被的固碳能力和水分利用效率，整个黄土高原植被的抗旱能力在增强。未来需进一步分析不同树种的WUE，筛选出抗旱性更高的树种进行植被恢复工作。