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草业科学 2022年第6期39卷 1069-1079页

作者：孙维齐虎啸付刚中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室拉萨高原生态系统研究站北京100101 中国科学院大学北京100049

植被降水利用效率(PUE)是量化陆地生态系统碳水耦合机制的一个关键指标,然而气候变暖如何影响青藏高原高寒草地生态系统的植被降水利用效率仍不清楚。2010年在藏北高原3个海拔(4313、4513和4693 m)上布设了增温试验平台,采用开顶式增温... 详细信息

植被降水利用效率(PUE)是量化陆地生态系统碳水耦合机制的一个关键指标,然而气候变暖如何影响青藏高原高寒草地生态系统的植被降水利用效率仍不清楚。2010年在藏北高原3个海拔(4313、4513和4693 m)上布设了增温试验平台,采用开顶式增温箱模拟气候变暖。利用农业多光谱相机获得了2014–2015年和2017–2018年植被的归一化植被指数(NDVI)和土壤调节植被指数(SAVI),并利用观测的NDVI计算了地上生物量(AGB)。利用微气候观测系统对土壤温度、土壤湿度、空气温度和相对湿度进行了观测,并计算了饱和水汽压差。结果表明:试验增温极显著(P<0.001)增加了空气温度(Ta)、土壤温度(Ts)和饱和水汽压差(VPD),而对AGB、NDVI和SAVI无显著影响(P>0.05)。试验增温显著(P<0.05)降低了海拔4313 m 4年平均的植被降水利用效率,即导致了相对干旱年份的植被降水利用效率的显著(P<0.05)减少,而对相对湿润年份的植被降水利用效率无显著影响(P>0.05)。试验增温没有显著改变海拔4513和4693 m的植被降水利用效率。总体而言,试验增温增加了3个海拔间的植被降水利用效率的差异。因此,藏北高寒草地生态系统的植被降水利用效率的温度敏感性随着海拔和观测年份的变化而变化;且气候变暖重构了藏北高原高寒草地生态系统的植被降水利用效率的海拔分布格局,即气候变暖增强了藏北不同海拔的高寒草地生态系统的植被降水利用效率的异质性。

关键词：空间异质性空间分布格局资源利用效率气候变化高寒生态系统海拔梯度

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藏北高寒草地土壤真菌群落系统发育多样性对放牧的响应

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草地学报 2022年第1期30卷 21-28页

作者：张豪睿付刚中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室拉萨高原生态系统研究站北京100101 中国科学院大学北京100049

本研究依托沿海拔梯度布设的三个配对的围栏和自由放牧样地探讨了土壤真菌系统发育多样性对放牧的响应规律。结果表明:暖季放牧和冷季放牧都没有改变高寒草原化草甸土壤真菌系统发育α多样性,暖季放牧也没有改变高寒草甸土壤真菌系统发... 详细信息

本研究依托沿海拔梯度布设的三个配对的围栏和自由放牧样地探讨了土壤真菌系统发育多样性对放牧的响应规律。结果表明:暖季放牧和冷季放牧都没有改变高寒草原化草甸土壤真菌系统发育α多样性,暖季放牧也没有改变高寒草甸土壤真菌系统发育α多样性;暖季放牧和冷季放牧都显著改变了高寒草原化草甸土壤真菌群落系统发育结构,且暖季放牧也显著改变了高寒草甸土壤真菌群落系统发育结构;放牧使得两个高寒草原化草甸土壤真菌群落系统发育结构更相似,这可能与放牧条件下两个高寒草原化草甸的土壤含水量的相似性的增加有关。因此,冷季放牧和暖季放牧对高寒草原化草甸的土壤真菌群落系统发育多样性的影响不同;高寒草原化草甸和高寒草甸土壤真菌群落系统发育多样性对暖季放牧的响应也不同;放牧改变了土壤真菌群落系统发育β多样性的海拔分布格局。

关键词：生物多样性生物地理格局系统发育多样性土壤真菌季节性放牧草地类型青藏高原

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基于机器学习和未来气候变化模式的埃塞俄比亚粮食产量预测

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中国生态农业学报（中英文） 2024年第3期32卷 490-504,I0001,I0002页

作者：徐宁李发东张秋英艾治频冷佩芳舒旺田超李兆陈刚乔云峰中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学中丹学院北京100049 中国环境科学研究院北京100012 美国佛罗里达州立大学塔拉哈西32306

对于以农业产业为支柱的埃塞俄比亚,粮食供应和安全对国家安全和人民的生计尤为重要。由于作物生长和气候因素之间的复杂耦合关系,预测气候变化对农作物产量影响具有较大难度,机器学习技术为这种复杂系统变化的预测提供了一种有效途径... 详细信息

对于以农业产业为支柱的埃塞俄比亚,粮食供应和安全对国家安全和人民的生计尤为重要。由于作物生长和气候因素之间的复杂耦合关系,预测气候变化对农作物产量影响具有较大难度,机器学习技术为这种复杂系统变化的预测提供了一种有效途径。本研究利用37个全球气候模式(GCM)的数据以及土壤数据,基于机器学习模型,预测了埃塞俄比亚2021年至2050年5种主要粮食作物在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的产量变化。经GCM和变量的筛选后,利用梅赫季和贝尔格季中5种主要粮食作物的10个产量数据对直方图梯度提升决策树、极端梯度提升随机森林、轻梯度提升决策树、随机森林、极限树以及K近邻6种机器学习模型进行训练。经过模型评估,选择表现良好的3个模型,采用线性回归算法进行堆叠,然后使用堆叠模型进行预测。研究结果表明,未来30年埃塞俄比亚梅赫季5种主要粮食作物产量变化以增产<2 t·hm^(-2)为主;SSP126情景下的贝尔格季将出现更明显的减产现象,这可能是由于温室效应的减缓降低了CO_(2)的施肥效应。随着人类活动造成的生态环境恶化,研究区农业生产对粮食结构改变和重新分配生产力的需求不断增长,导致农作物生产力向新的适宜地区转移。研究区在SSP126和SSP585情景下将分别因为干旱缓解和温室效应加剧而获得更高的粮食作物生产力。

关键词：粮食产量机器学习气候变化全球气候模式埃塞俄比亚

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青藏高原高寒草地食草家畜碳收支动态

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生态学报 2024年第22期44卷 10133-10145页

作者：欧阳熙煌王军邦赵亮王文颖张振华周华坤赵新全中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室生态系统大数据与模拟中心北京100101 中国科学院大学北京100101 中国科学院西北高原生物研究所青海三江源草地生态系统国家野外科学观测研究站西宁810001 青海师范大学生命科学学院西宁810001 中国科学院西北高原生物研究所青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站西宁810001 中国科学院西北高原生物研究所青海省寒区恢复生态学重点实验室西宁810001 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室西宁810001

高寒草地生态系统是青藏高原地区主体生态类型,支撑着当地牧民的生活和生产,同时也发挥着维持区域生态安全的重要作用。食草家畜是草地系统和人类社会紧密耦合的重要元素,其碳收支动态成为草地生态系统碳循环中的重要过程之一,但目前对... 详细信息

高寒草地生态系统是青藏高原地区主体生态类型,支撑着当地牧民的生活和生产,同时也发挥着维持区域生态安全的重要作用。食草家畜是草地系统和人类社会紧密耦合的重要元素,其碳收支动态成为草地生态系统碳循环中的重要过程之一,但目前对食草家畜的碳收支及其动态并没有得到很好的量化。利用县级统计年鉴数据量化了青藏高原2000—2020年期间的食草家畜碳收支及去向,并与基于卫星遥感的净初级生产力(Net primary productivity,NPP)和可利用产草量(Available grass yield,GYA)进行了对比分析,得到如下结论:(1)2000—2020年期间,青藏高原草地NPP总量和GYA总量分别为(153.88±17.96)Tg C/a和(26.40±3.19)Tg C/a,食草家畜碳摄入量(Intake carbon,IT_(C))为(31.08±0.98)Tg C/a(占GYA总量的118%)。(2)青藏高原草地NPP、GYA、IT_(C)均呈现显著增加趋势,但IT_(C)占GY_(A)的比值呈现显著下降趋势,并且这一比值在空间上存在异质性。(3)食草家畜摄入碳量中有13.24 Tg C/a(约占IT_(C)的43%)通过粪尿排泄排出,12.35 Tg C/a通过呼吸产热排出,0.96 Tg C/a以CH_(4)形式排出,固存在家畜体内的碳是4.53 Tg C/a,而以畜产品向人类社会输出的碳是0.384 Tg C/a。从动物代谢生理层面量化了青藏高原食草家畜碳收支及其时空动态,对草牧业管理、草地碳增汇及全球变化生态学具有重要意义。

关键词：食草家畜动物碳代谢模型碳摄入量畜产品可利用产草量

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1982~2020年NDVI数据驱动随机森林模型模拟中国森林凋落物碳密度的研究

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遥感技术与应用 2023年第6期38卷 1381-1389页

作者：王昭生中国科学院地理科学与资源研究所国家生态科学数据中心中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101

基于大量站点观测的森林凋落物碳密度数据,利用长时期遥感观测NDVI数据,驱动构建的随机森林模型,模拟评估1982~2020年中国森林凋落物碳密度的时空变化特征。凋落物碳密度与NDVI非线性的联系,初步论证了研究方法的可行性。凋落物碳密度... 详细信息

基于大量站点观测的森林凋落物碳密度数据,利用长时期遥感观测NDVI数据,驱动构建的随机森林模型,模拟评估1982~2020年中国森林凋落物碳密度的时空变化特征。凋落物碳密度与NDVI非线性的联系,初步论证了研究方法的可行性。凋落物碳密度模拟结果显著高正相关与观测值(r=0.65,p<0.001,n=4882),其较小的误差百分率(0.96%),表明随机森林模型模拟精度较高。1982~2020年凋落物碳密度的时空变化特征分析,表明中国森林凋落物碳密度整体呈显著的增加趋势(r=0.81,p<0.001),其中常绿针叶林、落叶阔叶林和落叶针叶林的凋落物碳密度增加显著。可见,长期连续的NDVI数据,驱动先进的随机森林模型,能有效模拟监测国家尺度上森林凋落物碳密度的时空动态。这为利用遥感观测数据动态监测大尺度森林凋落物提供了新的技术方法,也拓展了遥感数据的应用场景。

关键词： NDVI 随机森林森林凋落物模型模拟中国长期

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基于生态系统演变机理的生态系统脆弱性、适应性与突变理论

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应用生态学报 2022年第3期33卷 623-628页

作者：徐兴良于贵瑞中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

随着气候变化影响广度与深度的增加,生态系统脆弱性、适应性与突变理论逐渐被广泛应用到生态学研究领域中,探讨和评估各类生态系统对气候变化的敏感性、脆弱性和适应性,可谋求更好的方式来应对气候变化对区域生态系统带来的深远影响,服... 详细信息

随着气候变化影响广度与深度的增加,生态系统脆弱性、适应性与突变理论逐渐被广泛应用到生态学研究领域中,探讨和评估各类生态系统对气候变化的敏感性、脆弱性和适应性,可谋求更好的方式来应对气候变化对区域生态系统带来的深远影响,服务于国家生态系统可持续管理及生态安全建设。虽然相关研究已获取许多进展,区分了气候敏感区和某些生态系统的潜在转折点,但是学界对这些概念尚存在多种的理解和阐释,这一定程度上影响了相关理论的进一步发展与应用。针对此,本文梳理了相关概念的发展历程,并从生态系统生态学角度深入剖析了这些概念内涵,进一步提出了基于生态系统演变机理的生态系统脆弱性和适应性及突变理论框架和相应的计算方法,以期推动生态系统脆弱性、适应性与突变理论深入发展。

关键词：生态系统脆弱性生态系统适应性生态系统突变生态系统演替气候变化

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土壤CO_(2)通量梯度观测技术和方法的理论、假设与应用进展

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植物生态学报 2022年第12期46卷 1523-1536页

作者：王晶苑魏杰温学发中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100190

土壤呼吸主要包括大气-土壤界面CO_(2)释放量和土壤中CO_(2)储存量变化两部分,深入理解土壤CO_(2)的产生和迁移过程是全面认识陆地生态系统碳循环的基础。通量梯度法是基于测量扩散驱动的CO_(2)浓度梯度和扩散系数计算CO_(2)通量的方法... 详细信息

土壤呼吸主要包括大气-土壤界面CO_(2)释放量和土壤中CO_(2)储存量变化两部分,深入理解土壤CO_(2)的产生和迁移过程是全面认识陆地生态系统碳循环的基础。通量梯度法是基于测量扩散驱动的CO_(2)浓度梯度和扩散系数计算CO_(2)通量的方法,依据菲克第一定律可以计算出不同深度土壤CO_(2)及其稳定碳同位素组成(δ^(13)C)通量,进而得到土壤CO_(2)释放量和不同深度土壤CO_(2)储存量。地下土壤CO_(2)浓度(^(13)CO_(2)和^(12)CO_(2)浓度)主要受孔隙曲折度、根分布深度、微生物活性和土壤总CO_(2)产生量控制。地下CO_(2)传输过程受不同深度CO_(2)浓度、孔隙度和含水量等的共同控制,上述土壤理化性质和生物因素是土壤通量梯度法应用过程的关键影响因素,直接决定了CO_(2)及其δ^(13)C通量计算的精度和准确度。通量梯度法是箱式法的有益补充,可以明确不同深度土壤CO_(2)产生和运移过程以及对土壤CO_(2)释放量和储存量的影响,阐明不同深度土壤对CO_(2)排放的相对贡献,揭示其环境和物理控制机制。

关键词：通量梯度法 CO_(2)浓度梯度扩散系数 CO_(2)通量 δ^(13)C通量

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中国植物群落生产力由东向西分布格局及其驱动因素

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生态学报 2023年第6期43卷 2488-2500页

作者：王晓濛侯继华何念鹏北京林业大学生态与自然保护学院北京100083 北京林业大学森林资源生态系统过程北京市重点实验室北京100083 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

植物群落生产力是表征植物群落光合生产能力的重要参数,是维护生态系统稳定性与可持续发展的基础。研究沿中国东西样带(WETC)的水热梯度对植物群落展开野外调查,并基于调查数据计算植物群落地上生物量(AGB)及地上净初级生产力(ANPP),结... 详细信息

植物群落生产力是表征植物群落光合生产能力的重要参数,是维护生态系统稳定性与可持续发展的基础。研究沿中国东西样带(WETC)的水热梯度对植物群落展开野外调查,并基于调查数据计算植物群落地上生物量(AGB)及地上净初级生产力(ANPP),结合环境因子对我国植物群落生产力的东西分布格局及其驱动因素进行了探讨。中国东西样带(WETC)沿30°N设置,水热梯度明显,具有良好的植被、气候等环境因素的过渡特征。在该样带上,ANPP和AGB均具有明显的经度地带性和垂直地带性分布特征,并且其空间分布特征能够较好地被环境因子所解释;具体关系为:ANPP、AGB和年降水(MAP)、生长季温度(T_(gs))、CO_(2)分压(Pco_(2))呈显著正相关关系,与太阳辐射(SRAD)、风速(WS)、pH为显著负相关关系。由于青藏高原特殊环境的影响,在该样带上除了MAP和T_(gs)外,Pco_(2)也成为影响ANPP和AGB空间分布格局的重要因子,该结论为未来研究高海拔地区群落生产力的响应机制提供了新的启示。综上所述,中国东西样带(WETC)具有良好的样带潜质,未来可能与中国东北样带(NECT)、中国东部南北样带(NSTEC)共同构成我国新的样带调查体系,为全球陆地生态系统与全球变化关系的研究提供一个更加完善的野外平台。

关键词：中国东西样带植物群落生产力生物量二氧化碳分压

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黄土区坡地和坝地土壤电阻率分布特征及应用

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土壤学报 2022年第1期59卷 139-147页

作者：刘成功贾小旭赵春雷邵明安中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100190

土壤水分的准确高效测定是土壤水文学研究的重要基础,以土壤电学性质为基础的电阻率成像法(ERT)为土壤水分信息获取提供了新的技术手段。为探究ERT在黄土区土壤水文过程研究中的可行性,利用高密度电法仪测定了陕北六道沟小流域典型坡地... 详细信息

土壤水分的准确高效测定是土壤水文学研究的重要基础,以土壤电学性质为基础的电阻率成像法(ERT)为土壤水分信息获取提供了新的技术手段。为探究ERT在黄土区土壤水文过程研究中的可行性,利用高密度电法仪测定了陕北六道沟小流域典型坡地和坝地剖面土壤电阻率(ρ),分析了不同土地利用方式下ρ二维分布特征,探讨了ERT在黄土区土壤水分及地下水监测研究方面的应用。结果表明:坡地土地利用方式和坡位对ρ具有显著影响,剖面平均ρ由高到低依次为:柠条灌木地>苜蓿草地>撂荒草地>农耕地,坡顶ρ显著高于坡底,这与土壤含水量高低有密切关系。坝地ρ具有明显的水平和垂直分异特征,垂直方向呈高阻层—低阻层—高阻层分布,低阻层上边界与浅层地下水位一致。在坝地尾部,低阻层厚度增加并穿透浅层高阻层,可能与尾部作物耗水较少有关。ERT可用于黄土区不同土地利用方式下土壤干湿状况及坝地地下水动态监测研究。

关键词：土壤电阻率土壤水分地下水土地利用黄土高原

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黄土高原油松冠层气孔导度和蒸腾变化特征与模拟

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生态学报 2022年第22期42卷 9130-9142页

作者：朱昊阳李洪宇王晓蕾姜婷孙林罗毅中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100190

油松是黄土高原重要的造林树种,模拟其冠层气孔导度和蒸腾对区域水量平衡计算和人工林可持续经营具有重要意义。基于2015-2018年TDP(Thermal dissipation probes)方法所测得液流数据,分析了黄土高原地区油松冠层平均气孔导度(g_(c))与... 详细信息

油松是黄土高原重要的造林树种,模拟其冠层气孔导度和蒸腾对区域水量平衡计算和人工林可持续经营具有重要意义。基于2015-2018年TDP(Thermal dissipation probes)方法所测得液流数据,分析了黄土高原地区油松冠层平均气孔导度(g_(c))与冠层蒸腾(Tr)的变化特征与影响因素,并采用Penman-Monteith公式和Jarvis型气孔导度模型模拟了其g_(c)和Tr的变化过程,结果表明:(1)该地区油松g_(c)和Tr日内变化均呈现单峰型,日均蒸腾耗水量为(1.25±0.57)mm/d,生长季(4-10月)总蒸腾耗水量均值为195.47 mm。(2)g_(c)的日内变化受太阳辐射(Rad)驱动(偏相关系数为0.65),当Rad高于300 W/m^(2)时,驱动作用减弱;g_(c)的日内变化受水汽压亏缺(VPD)控制(偏相关系数为-0.41),随VPD的增加而降低;g_(c)的日际变化受土壤水分限制(偏相关系数为0.46),当根区相对有效含水率(REW)低于0.45时,限制作用明显。(3)结合Penman-Monteith公式与Jarvis型模型能有效模拟黄土高原油松g_(c)与Tr变化,小时尺度g_(c)与Tr模拟的纳什效率系数(NSE)分别为0.80和0.78,日尺度Tr模拟的NSE为0.76。

关键词：黄土高原油松 Jarvis型模型冠层平均气孔导度冠层蒸腾

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