基于改进TVGM的水–碳耦合机制研究

提高植被的水分利用效率（water use efficiency, WUE）可以在一定程度上缓解水资源短缺，如何提高WUE依赖于对生态系统水–碳循环耦合机制的深入理解. 以北京森林站为例，基于时变增益模型（times variant gain model，TVGM)耦合光合作用–气孔导度模型与双源蒸散发模型，从WUE系数及气孔导度2方面研究水–碳耦合机制. 研究结果表明:不考虑水–碳耦合关系导致模拟蒸散发偏高、模拟总初级生产力偏大，气孔导度的增加抑制水分利用效率的提高，其抑制效应随气孔导度的增加趋于平稳；日退耦系数在夏季达到最大，年平均退耦系数为0.1左右. 在北京森林站群体水平上，相对于光合速率，蒸腾速率对气孔导度的下降较为敏感，导致WUE随气孔导度的下降而降低. 对北京森林站地区水–碳耦合机制的研究，可为其生态系统管理与调控提供依据.      

耦合植被指数改进水分利用效率气孔导度遥感模型

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统碳-水循环耦合关系的重要指标，改进融合环境因子与遥感参数的WUE直接估算方法，对于评价陆地生态系统碳-水循环耦合与气候的交互具有重要的科学意义。研究针对中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感产品间接估算WUE精度低以及气孔导度模型(也称分析模型)适用性有限的问题，改进温带落叶阔叶林生态系统WUE的直接估算。在分析现有估算方法不确定性来源的基础上，分析了生态系统WUE及其主要调控因子的季节变化特征，进一步分析探讨了WUE对遥感监测植被覆盖以及冠层结构因子的线性和非线性响应，提出耦合遥感植被覆盖和冠层结构因子的WUE分析模型改进方案。结果表明，改进的WUEan×ScaledNDVI模型拓展了分析模型在8 d尺度的适用性，也对单因子线性模型实现了提升，在植被密度较高的森林站点，改进模型比原模型精度提升了36.98%，比MODIS间接估算WUE精度提高了31.00%。改进的分析模型弥补了8 d尺度WUE估算能力和适用性上的不足，也提升了基于植被覆盖和冠层结构因子的单因子模型的性能。     

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。     

松嫩平原两个生态型羊草水分生理特性 对CO2倍增和干旱胁迫的响应

采用盆栽法对灰绿色和黄绿色生态型羊草在干旱和CO_2倍增交互胁迫条件下的水分生理响应进行了研究.结果表明:在对照和700μmol/mol CO_2胁迫条件下,灰绿型和黄绿型羊草的蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度与干旱胁迫胁强之间的关系呈直线变化,多数达到显著或极显著相关.灰绿型羊草的水分利用效率随干旱胁迫的增加速率比黄绿型羊草高,黄绿型羊草气孔导度对干旱胁迫的下降速率高于灰绿型.两个生态型羊草的蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度之间具有显著差异.灰绿型和黄绿型羊草的1龄和2龄植株在700μmol/mol CO_2胁迫时的蒸腾速率、水分利用效率、均高于对照,气孔导度低于350μmol/mol CO_2胁迫时.t检验结果表明,在350,700μmol/mol CO_2胁迫条件下,两个生态型的1龄、2龄植株间的蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度差异显著.由此表明干旱条件对灰绿型和黄绿型羊草的1龄、2龄植株的蒸腾速率、水分利用效率和气孔导度有显著影响,两个生态型的1龄、2龄植株之间具有显著差异,灰绿型羊草水分利用能力高于黄绿型羊草.CO_2倍增胁迫对干旱条件下两个生态型羊草植株蒸腾速率和水分利用效率的降低有一定的缓解作用.     

水肥亏缺下水稻叶片气孔导度与光合速率耦合模型

叶片气孔导度．光合速率的耦合模型是作物生理模拟的关键,是估算作物生长及水分利用动态的基础．采用盆栽试验实测资料,建立Leuning—Ball气孔导度模型及其耦合模型,考虑水肥因子对气孔导度、光合速率的影响,引入水稻叶片叶气温差、叶绿素相对含量修正气孔导度模型,并进行比较．结果表明,考虑叶气温差、叶绿素相对含量的气孔导度-光合速率耦合模型具有针对水肥限制条件下更高的模拟验证解释能力,针对气孔导度,最大相对误差由125．5％、128．8％分别降至98．2％和126．6％,针对光合速率,平均相对误差由32．3％、74．3％降至20．5％和39．3％,最大相对误差则由331．5％、327．9％降至177．1％和113．4％．     

松嫩草地碳和水通量对全球变化的响应

全球变暖和氮格局的改变对生态系统碳通量的变化具有深远的影响,长期的模拟增温和氮沉降实验对预测21世纪全球气候变化下草地生态系统生产力和碳匮缺的响应有着至关重要的意义.在中国东北松嫩草地开展4年的增温和施氯实验,通过测定羊草草地光合特性,试图揭示全球变化对羊草草地的碳、水通量产生的影响.试验采用一个封闭的光合测定系统(LI-6400)测定草地的碳、水通量变化,通过计算CO2的变化量确定净生态系统CO2交换量.结果表明,增温降低了净生态系统CO2交换量(NEE),净生态系统生产力(GEP)和生态系统蒸腾作用(ET),升高了生态系统呼吸(ER)和水分利用效率(WUE);施氮处理刺激了NEE、ER、GEP和WUE;增温加施氮处理,氮素的添加缓解了因增温对生态系统产生的负效应.碳、水通量对全球变化的响应是通过改变生物群落中优势物种羊草的数量实现的,全球变化能在短期内迅速改变松嫩草地的碳通量.这些结果都有助于理解未来生态系统碳循环对全球气候变化的反馈.     

6种常见绿化树种气体交换特征比较研究

在自然条件下,测定了6种常见绿化树种珍珠梅、榆叶梅、垂柳、旱柳、国槐和龙爪槐叶片的气体交换参数并对其进行了比较.结果表明,6个树种叶片的净光合速率在中午出现了较明显的光合"午休"现象,经分析6个树种的光合午休主要由气孔因素引起.6个树种叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、瞬时水分利用效率(WUE)、表观光能利用效率(LUE)和潜在水分利用效率(WUEi)的种间差异达极显著水平(P0.01),指示了不同树种间的光合能力及水分利用能力差别较大.2种杨柳科植物的Pn,Tr,WUE,WUEi和LUE平均值均高于2种豆科植物,说明杨柳科植物的光合能力较强,对吸收的光能和水分利用较高.2种杨柳科植物Pn,Tr和LUE日均值均高于2种蔷薇科植物,但是WUE却相反,说明蔷薇科植物的高WUE是在牺牲LUE的情况下获得的.比较同科植物的WUE,珍珠梅抗旱能力比榆叶梅高;垂柳比旱柳高;国槐比龙爪槐高.比较同科植物的LUE,珍珠梅比榆叶梅对光的要求严格;垂柳比旱柳严格;国槐比龙爪槐严格.相关分析表明,6个树种叶片的Pn与Tr,Gs均呈极显著正相关(P0.01),而Tr、Gs与WUE、WUEi均呈极显著负相关(P0.01).环境因子与气体交换参数间存在相关关系,但不同物种间存在差异.     

红壤坡地自然恢复生态系统黄檀叶片蒸腾特性与生理生态因子日变化

为了揭示红壤坡地自然恢复生态系统碳水耦合循环的生理生态机制,采用Licor-6400(LICOR Lincoln USA)便携式光合仪对中国科学院桃源农业生态试验站自然恢复生态系统中重要树种黄檀不同部位叶片的蒸腾速率以及主要生理生态因子进行了测定,分析了黄檀叶片蒸腾速率的日变化规律,估算了其水分利用效率,并对蒸腾速率、水分利用效率与生理生态因子进行了相关分析和回归分析.结果表明:(a)蒸腾速率日变化表现为单峰型曲线,同一生长季节不同部位叶片蒸腾速率的大小不同,6月下旬晴天,蒸腾速率大小排序依次为上层叶、中层叶和下层叶;(b)黄檀蒸腾作用与生理生态因子的关系随着叶片部位不同而有一定的差异,黄檀蒸腾速率与气温、叶温、气孔导度、光合有效辐射和水汽压亏缺呈正相关关系,与胞间CO2浓度和相对湿度呈负相关关系;(c)黄檀上层叶片水分利用效率日变化呈现单峰曲线,最大水分利用效率出现在14:00左右,中、下层叶片水分利用效率日变化都呈现双峰曲线,且各层叶片最大水分利用效率都出现在10:00左右.     

陇中玉米农田生态系统水分利用效率及其影响因素

以涡度相关技术为基础,研究了半干旱区玉米农田生态系统2015年生长季水分利用效率的日季变化规律以及对主要影响因子的响应.结果表明:生长季总生态系统生产力、蒸散发和水分利用效率均呈单峰曲线,生长季均值分别是12.62 g/(m~2·d)、2.77 mm/d、4.71×10~(-3);水分利用效率在4个生育期的日变化均呈"U"型,成熟期灌浆期拔节期苗期;整个生长期水分利用效率与饱和水汽压差和冠层导度呈对数负相关关系,与光合有效辐射呈线性负相关关系,与气温基本呈对数正相关关系,这些关系在成熟期均得到较好的体现,与土壤含水量在4个生育期均无显著相关关系.     

长汀水土流失区马尾松与木荷气孔导度的模拟

利用Jarvis和Ball两种常用的气孔导度模拟模型对长汀水土流失区马尾松(Pinus massoniana)与木荷(Schima superba)叶片气孔导度变化进行了模拟.对气孔导度模型的验证表明,两树种的最优模拟模型均为Ball模型.     

辽东山区主要造林树种气体交换特性及水分利用效率

以辽东山区7个主要造林树种为研究对象,测定了不同水分状态下光合速率、蒸腾速率、水分利用效率,对其日变化规律和相互关系进行研究,确定了水分利用效率的主要影响因子.结果表明:各树种光合速率和水分利用效率日变化规律均呈双峰型曲线,光合速率峰值分别出现在中午12:00和下午16:00,最终随着干旱程度的逐渐加大,水分利用效率逐渐降低;蒸腾速率日变化规律呈单峰型曲线,随着干旱程度的增加,峰值出现的时间由中午12:00提前到上午10:00.逐步回归分析表明,在水分充足状态下,水分利用效率变化的主要影响因子是胞间CO2浓度和气孔导度,与胞间CO2浓度呈极显著负相关,与气孔导度呈极显著正相关.     

考虑植被盖度的城市蒸散发模拟研究

基于城市涡动相关系统每30分钟蒸散发数据, 结合足迹源区分析及研究区域遥感数据, 获取源区植被盖度, 构建基于随机森林的蒸散发模拟方法。将此模拟方法应用于涡动系统空缺值插值, 并探究深圳干湿季蒸散发的主要控制因子, 得到如下结论。1) 与不考虑植被盖度的随机森林模型及边际分布抽样算法(MDS)相比, 考虑植被盖度的随机森林模型可以更高精度地模拟城市蒸散发。与实测数据相比, 模型的R²=0.73, RMSE= 20.5 W/m², MAE=13.3 W/m², pbias=0.8%。2) 对湿季日间较高蒸散发时期的空缺值进行插值, 考虑植被盖度的随机森林模型显著优于MDS模型。与实测数据相比, MDS插值模型低估 12.4%, 而随机森林模型低估 4.7%。3) 深圳湿季期间, 植被盖度是蒸散发的主要控制因素。在干季, 温度、净辐射以及饱和蒸气压差是蒸散发的主要控制因子。     

岩溶植物青冈和九龙藤叶片光学特性日变化研究

采用LI-6400便携式光合测定系统测定分析喀斯特生态系统重要乔木植物青冈(Cyclobalanopsis glauca)和藤本植物九龙藤(Bauhinia championii)的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、水分利用效率(WUE)等生理特性指标。结果表明:净光合速率日变化在青冈为双峰型,九龙藤则为单峰型,其中日均Pn、Tr值九龙藤(3.58μmolCO2·m-2·s-1、2.06 mmolH2O·m-2·s-1)>青冈(2.13μmolCO2·m-2·s-1、1.08mmolH2O·m-2·s-1),WUE值青冈(2.40mmol·mol-1)>九龙藤(1.83mmol·mol-1)。比较而言,乔木树种青冈为低Pn、弱Tr、高WUE的树种,而九龙藤则属高Pn、高Tr树种。     

浙南人工红树林秋茄叶片光合作用与荧光特性动态研究

探讨了浙江南部人工红树林秋茄叶片光合作用与叶绿素荧光动态变化特征,以此为该物种近期北移引种生态恢复应用提供科学依据.利用LI-6800F便携式光合-荧光自动测量系统,测量了不同月份秋茄叶片光合作用、叶绿素荧光的日变化,并分析了它们之间的关系.结果表明:除了水利用效率、非光化学淬灭以外,各参数的日变化曲线大体上呈U型或倒U型,如蒸腾速率、气孔导度、电子传递速率、最大光化学反应量子效率;且夏季7月、8月部分参数值明显高于11月、12月,如净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、电子传递速率.此外,单日上,除水利用效率分别与实际光化学量子效率、光化学淬灭系数、非光化学淬灭系数的相关性不显著外,光合因子与荧光因子的相关性显著,而各月上,仅净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水利用效率、电子传递速率之间的相关性显著.以上说明,单日上,中午前后是秋茄叶片光合能力最强的时候,而各月上,夏季是秋茄光合能力最强的季节,春季与秋季次之,冬季最弱;秋茄叶片光合与叶绿素荧光在单日上的相关性比在各月上的更高.     

枣树抗旱性研究初报

以盆栽2年生的蒙山脆枣和沾化冬枣为试材，对不同干旱胁迫程度下的叶片相对含水量、叶绿素含量、气孔导度、蒸腾速率、净光合速率、叶片光合水分利用效率等生理指标进行了研究，并对2个枣品种的抗旱性进行了评价，结果表明：尽管品种间的变化存在着差异，但随着干旱胁迫程度的加重；其叶片相对含水量、叶绿素含量、气孔导度、蒸腾速率及净光合速率均呈下降趋势，而单叶水分利用效率呈上升趋势；其永久萎蔫系数均低于3％。表明这二种枣树的抗旱能力较强。     

小蓬竹的水分利用效率

以小蓬竹为材料,研究其水分利用率的日变化、季节变化及其与主要环境因子的关系,以了解小蓬竹的水分利用状况,为其作为喀斯特地区恢复树种提供科学依据.结果表明:小蓬竹叶片水分利用效率日变化曲线在1月为单峰型;4月为双峰型;7月和9月早间最高,之后逐渐下降.1年中,夏秋两季水分利用效率较低(日均值分别为1.72,1.99μmol·mmol~(-1)),春季居中(日均值3.71μmol·mmol~(-1)),冬季最高(日均值5.74μmol·mmol~(-1)).不同月份水分利用效率日变化的主要影响因子为空气相对湿度、叶片温度以及气孔导度等;全年尺度上小蓬竹水分利用效率的主要影响因子为胞间CO_2浓度、气孔导度以及叶片温度.     

东北红豆杉枝叶对不同CO2浓度的光合生理响应

利用LI-COR 6400测定了不同CO2浓度条件下的东北红豆杉净光合速率(PN)、蒸腾速率(E)、气孔导度(Cond)、胞间CO2浓度(Ci)及叶面饱和蒸气压亏缺(VPD).结果表明:1 a生枝和2 a生枝条叶片的PN及E均随CO2浓度升高而增大,但PN增加幅度较大,E增加幅度较小;在高CO2浓度(物质的量比为1 400×10-6)条件下,1 a生枝叶片最大PN(6.95 μmol/(m2·s))大于2 a生枝(6.87 μmol/(m2·s)).1 a生枝的E略大于2 a生枝,但差异性不大;1 a生枝与2 a生枝水分利用效率(WUE=PN/E)均随CO2浓度升高而增大,1 a生枝WUE略高于2 a生枝,但差异未达到显著水平.可见,光合速率的显著增加是导致东北红豆杉水分利用效率随CO2浓度升高而增加的主要影响因素.     

大米草对CO2浓度的光合和蒸腾响应

以大米草（Spartina anglica Hubbard）为材料,研究在不同CO2浓度下其净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、叶面饱和蒸气压亏缺（Vpdt）以及水分利用效率（WUE）的变化。结果表明,CO2浓度从50μmol·mol^-1增至1000μmol·mol^-1的过程中,大米草Pn、Ci、Vpdl和WUE逐渐增大,Gs和Tr逐渐下降。低于环境CO2浓度范围内时,大米草对CO2浓度的升高比较敏感,反之则不明显。WUE和Tr对CO2浓度升高的响应极显著（P〈0．01）。CO2浓度升高能够明显降低单位面积叶片的蒸腾失水,提高光合速率和水分利用效率,增强大米草的竞争优势。     

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．      

北方典型林地系统土壤水分动态和水量平衡随机模拟研究

以我国北方干旱半干旱地区3种典型林地植被元宝枫、油松、侧柏为研究对象,基于实测数据验证和构建土壤水分动态随机模型,量化区域土壤水分随机分布、水量平衡过程及其水分胁迫特征。结果显示:模型可较好地模拟3种林地的土壤水分动态分布特征,3种林地的土壤湿度概率密度分布区间接近,呈单峰状;大部分土壤水分通过蒸散发损耗且以胁迫蒸散发为主,土壤层深层渗漏量所占比例较小且几乎不产流,符合我国北方干旱半干旱山区林地水循环的实际特征;3种林地系统均受到一定程度的水分胁迫且水分胁迫特征值相近,表明土壤水分条件是影响区域生态系统的决定性因素。