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黄河流域植被变化对区域水碳耦合的影响

水电能源科学 2022年第1期40卷 150-154页

作者：王辰露余钟波刘娣杨传国河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 河海大学全球变化与水循环国际合作联合实验室江苏南京210098 长江保护与绿色发展研究院江苏南京210098

为了明晰黄河流域植被变化对流域生态系统水碳耦合的影响,基于MODIS产品(叶面积指数L_(LAI)、植被总生产力G_(GPP)、蒸散发量E_(ET))、重力卫星数据GRACE、降水数据及水文站数据,分析2001~2020年间黄河流域L_(LAI)、G_(GPP)、E_(ET)时... 详细信息

为了明晰黄河流域植被变化对流域生态系统水碳耦合的影响,基于MODIS产品(叶面积指数L_(LAI)、植被总生产力G_(GPP)、蒸散发量E_(ET))、重力卫星数据GRACE、降水数据及水文站数据,分析2001~2020年间黄河流域L_(LAI)、G_(GPP)、E_(ET)时空变化,综合植被水分利用效率W_(WUE)探讨黄河流域水碳循环变化。结果表明,2001~2020年黄河流域有93.68%的区域L_(LAI)呈增加趋势,且在生态恢复建设工程区域内L_(LAI)呈显著增加,而在人类活动强烈的渭河流域及黄河源区中东部等过度放牧区植被呈下降趋势;显著增加的植被使黄河流域内耗水呈显著增加趋势,给本就缺水的黄河流域带来压力,但同时也显著提高了流域内生态系统的固碳能力;黄河流域内生态系统的水碳循环急剧变化,引发W_(WUE)变化显著且在空间分布上存在差异,其中,在流域东南部的林地、耕地及源区东部W_(WUE)主要由E_(ET)主导,呈减小趋势,该区域内植被的增加并未使水分得到高效利用,而在西北部与源区西部植被覆盖度较低处W_(WUE)主要由G_(GPP)主导,呈增加趋势,该区域内G_(GPP)、W_(WUE)的增长提高了流域的抗旱能力,有利于流域的生态可持续发展。

关键词：黄河流域植被变化水碳耦合植被水分利用效率

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北京山区典型森林植被冠层水碳耦合机制研究

北京山区典型森林植被冠层水碳耦合机制研究

作者：杨芝歌北京林业大学

学位级别：硕士

植被——大气界面是森林生态系统与环境进行CO2和水汽交换的主要场所,这一界面交换的水、碳通量是维持森林生态系统持续稳定发展的前提,冠层水碳通量的研究能够为森林经营提供理论指导和科学依据。水汽和CO2都是通过气孔与外界进行交换... 详细信息

植被——大气界面是森林生态系统与环境进行CO2和水汽交换的主要场所,这一界面交换的水、碳通量是维持森林生态系统持续稳定发展的前提,冠层水碳通量的研究能够为森林经营提供理论指导和科学依据。水汽和CO2都是通过气孔与外界进行交换,同受冠层气孔导度的制约,因此水碳耦合可以以冠层气孔导度作为主要节点。本文以北京山区典型林分为研究对象,于2011年-2012年,对林分的环境因子、树干液流、侧柏叶片碳同化速率以及冠层不同高度叶片稳定碳同位素和水分利用效率进行了连续监测和研究,从树干液流与冠层叶片稳定碳同位素耦合的角度出发,深入研究探讨了侧柏林分冠层尺度水碳耦合的机制。主要研究结果如下：(1)侧柏、油松、刺槐和栓皮栎的树干液流速率均呈典型的单峰变化趋势,太阳辐射的相关性都最高,太阳辐射、大气温度和VDP与树干液流速率为正相关,而相对湿度与树干液流速率为负相关。根据尺度扩展获得各典型林分总蒸腾量分别为：侧柏428.71mm、油松329.30mm、栓皮栎311.82mm、刺槐263.05mm。(2)北京山区四种典型树种水分利用效率水分利用效率变化幅度在3.432～4.653mmolCO2·mol-1H2O之间,其中油松水分利用效率最低,栓皮栎水分利用效率最高。阳生叶的稳定碳同位素组成和水分利用效率均大于阴生叶;稳定碳同位素组成和水分利用效率均随冠层高度的增高有上升的趋势。侧柏不同冠层高度叶片的瞬时水分利用效率变化特征与长期水分利用效率特征相似。(3)侧柏叶片的碳同化日变化规律基本呈现单峰型,阳生叶的碳同化速率略高于遮阴叶,上层叶片的碳同化速率高于下层叶片。气孔导度随着冠层高度的上升而增加,叶片胞间CO2浓度随冠层高度的上升而下降,同一冠层阳生叶的气孔导度大于阴生叶,阳生叶的胞间CO2浓度小于阴生叶。通过相关性分析得到碳同化速率随气孔导度、胞间CO2浓度、光合有效辐射、VDP、温度和空气湿度都呈显著相关,δ13C值和水分利用效率与碳同化速率和气孔导度呈正相关,而与胞间CO2浓度呈负相关关系。(4)建立了侧柏林分植被——大气界面水碳通量耦合模型,该模型的模拟结果较好。侧柏、油松、刺槐和栓皮栎四个树种的冠层蒸腾和冠层气孔导度与太阳辐射和VDP两个环境因子都达到了0.01水平上的显著相关。侧柏林分冠层平均碳同化速率在1.168～16.797μmol·m-2·s-1之间,呈单峰型变化趋势。碳同化速率与光合有效辐射、水汽压亏缺和气温均呈多项式相关,相关性显著。冠层平均碳同化速率随光合有效辐射的增强而增大,但当光合有效辐射持续增强至500μmol·m-2·s-1左右时,碳同化速率不再增大。当VDP碳同化速率随VDP的增大而增大,当VDP>1.2时,碳同化速率随着VDP的增大反而减小。

关键词：北京山区冠层树干液流稳定碳同位素水碳耦合

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草地生态系统土壤水碳耦合研究进展

宁夏农林科技 2023年第6期64卷 42-46页

作者：马菁袁媛宁夏农林科学院农业经济与信息技术研究所宁夏银川750002 北京市昌平区园林绿化局北京102299

草地生态系统的碳循环与水循环过程不是相互独立的循环过程,而是存在相互作用、相互影响的耦合关系的生态学过程。基于此,综述了土壤水碳耦合相关的国内外研究进展,概述了草地生态系统土壤水分、碳库及土壤水分和有机碳的相互关系,介绍... 详细信息

草地生态系统的碳循环与水循环过程不是相互独立的循环过程,而是存在相互作用、相互影响的耦合关系的生态学过程。基于此,综述了土壤水碳耦合相关的国内外研究进展,概述了草地生态系统土壤水分、碳库及土壤水分和有机碳的相互关系,介绍了水碳耦合的基本过程、基本机制、不同空间尺度水碳耦合关系、水分利用率、蒸散发及水碳耦合模型。大量的观测研究已经证明水、碳之间存在着密切的耦合关系,草地生态系统水碳耦合关系的研究正处于起步阶段,需要进行更为系统深入的研究。

关键词：草地生态系统土壤水碳耦合

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基于WaSSI模型的珠江流域水-碳耦合模拟

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应用生态学报 2022年第5期33卷 1377-1386页

作者：王小辣段凯韦林中山大学土木工程学院广州510275 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模... 详细信息

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模型(WaSSI-PRB),将珠江流域划分为1715个子流域,选定1980—2004年为率定期、2005—2016年为验证期,并对径流、蒸散发和总初级生产力(GPP)等3个关键水-碳通量的模拟结果进行验证。结果表明:西江、北江、东江的水文控制站,径流模拟纳什效率系数(NSE)和决定系数(R^(2))在率定期均达0.80以上,在验证期均达0.75以上;相较于MODIS、PML、SSEBop、VPM等大尺度遥感数据产品,WaSSI-PRB模型能更好地模拟ET和GPP的时空分布特征。总体而言,WaSSI-PRB模型在珠江流域具有较好的适用性,可作为量化分析流域水-碳平衡及其对变化环境响应关系的一种有效工具。

关键词： WaSSI-PRB模型水碳耦合珠江流域适用性评价

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

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应用生态学报 2017年第7期28卷 2369-2378页

作者：徐晓梧余新晓贾国栋李瀚之路伟伟刘自强北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京100083

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和... 详细信息

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.

关键词：稳定同位素土壤-植被-大气连续体水碳循环水碳耦合

不同密度油松林地土壤水碳分布特征及其耦合关系

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应用生态学报 2024年

作者：郭艳杰毕华兴赵丹阳刘泽晖林丹丹韩金丹黄浩博北京林业大学林木资源高效生产全国重点实验室山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站水土保持国家林业和草原局重点实验室/北京市水土保持工程技术研究中心/林业生态工程教育部工程研究中心(北京林业大学)

本研究以晋西黄土区1000、1800、2700、3600和4500株·hm-25个林分密度的油松人工林为对象，测定0～5 m土层土壤总碳、有机碳、无机碳和土壤水分含量，分析不同土壤层次土壤水、碳对林分密度的响应，并利用改进的耦合协调度模型，量化... 详细信息

本研究以晋西黄土区1000、1800、2700、3600和4500株·hm-25个林分密度的油松人工林为对象，测定0～5 m土层土壤总碳、有机碳、无机碳和土壤水分含量，分析不同土壤层次土壤水、碳对林分密度的响应，并利用改进的耦合协调度模型，量化水碳权衡/协同强度对林分密度的响应。结果表明：土壤有机碳含量呈现表聚性（0～20 cm），之后随着土壤深度而逐渐减少；土壤无机碳随土壤深度呈先增加后减少趋势，但整体变化不显著。随林分密度的增大，土壤有机碳含量逐渐增加，而土壤无机碳呈先增后减趋势，密度拐点为2549株·hm-2。土壤水分随林分密度呈现先减少后增加的趋势，密度拐点为3268株·hm-2。土壤总碳与水分以及有机碳与水分的耦合协调度均随林分密度增加而先降低后升高，在1000～1800株·hm-2密度区间处于协同发展水平，在1800～3600株·hm-2区间处于过渡调和水平，在3600～4500株·hm-2处于协同发展水平，即呈“协同-权衡-协同”的变化。土壤无机碳与土壤水分的耦合协调度随林分密度增加而降低，在1000～2700株·hm-2密度区间处于协同发展水平，在2700～4500株·hm-2区间处于过渡调和水平，即“协同-权衡”的变化。油松林林分密度小于1800株·hm-2时，可减少林木耗水量并增加碳汇，实现土壤固碳与水源涵养的协同发展。

关键词：林分密度水碳耦合权衡与协同晋西黄土区

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西北旱区葡萄园水碳通量耦合的初步研究

灌溉排水学报 2010年第5期29卷 61-63页

作者：郭维华李思恩西北农林科技大学陕西杨凌712100 中国农业大学中国农业水问题研究中心北京100083

利用涡度相关系统,对我国西北旱区某葡萄园进行了一个生长季度的观测,得到了日尺度水碳通量耦合的初步关系,表明葡萄园水碳通量的变化白天存在较高的一致性,且二者均呈双峰型曲线;在一定时间范围内,二者存在较明显的比例关系,即葡萄园... 详细信息

利用涡度相关系统,对我国西北旱区某葡萄园进行了一个生长季度的观测,得到了日尺度水碳通量耦合的初步关系,表明葡萄园水碳通量的变化白天存在较高的一致性,且二者均呈双峰型曲线;在一定时间范围内,二者存在较明显的比例关系,即葡萄园毎平方米毎秒固定1 mgCO2,同时会蒸腾2.2×10-9mm水汽。该研究为揭示葡萄园水碳耦合关系提供了一定的参考依据。

关键词：西北旱区葡萄园水碳耦合涡度相关

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

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生态学报 2023年第4期43卷 1714-1725页

作者：杨阳刘良旭张萍萍吴凡周媛媛宋怡王云强安韶山中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心西安710061 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站西安710061 中国科学院西北生态环境资源研究院乌拉特荒漠草原研究站兰州730000 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切... 详细信息

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合模型框架,有利于实现土壤水、碳、微生物各界面调控过程的准确模拟与精确刻画,为黄土高原植被恢复过程中生态环境的可持续发展及其对气候变化的应对模式提供科学理论支撑。

关键词：黄土高原水碳耦合微生物群落界面过程模型模拟

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黄河水源涵养区水碳变量的时空变化特征及其影响因素

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地理科学进展 2023年第9期42卷 1677-1690页

作者：公丽梁康刘昌明中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院武汉430074

明晰黄河水源涵养区水碳变量变化规律对于理解黄河流域水碳循环演变过程与机理、保障水资源和生态安全以及支撑水碳资源管理等具有重要意义。论文采用时空统计分析、地理探测器和偏相关分析等方法,在全区、分区和栅格尺度上对黄河水源... 详细信息

明晰黄河水源涵养区水碳变量变化规律对于理解黄河流域水碳循环演变过程与机理、保障水资源和生态安全以及支撑水碳资源管理等具有重要意义。论文采用时空统计分析、地理探测器和偏相关分析等方法,在全区、分区和栅格尺度上对黄河水源涵养区的6个典型水碳变量(总初级生产力、净初级生产力、碳利用效率、蒸散发、径流和水分利用效率)2001—2018年的时空变化特征及其成因进行探析。结果表明:(1)黄河水源涵养区全区及3个分区的水碳变量主要呈现波动上升的变化趋势,空间分布具有明显的区域分异性。碳变量(总初级生产力、净初级生产力、碳利用效率)和水碳耦合变量(水分利用效率)多年均值大小次序为Ⅲ区(伊洛河区)>Ⅱ区(渭河南部山区)>Ⅰ区(黄河上游水源区),均呈现由东南向西北递减的空间变化格局,而水变量(蒸散发、径流)则大致呈现南部和西北部高、中部低的空间分布格局。(2)表征水热条件的气候因子和下垫面因子共同驱动黄河水源涵养区水碳变量的变化。全区探测的水碳变量影响因子的驱动力大小次序未发生根本改变,全区尺度主要受到叶面积指数、气温和降水因素的驱动;分区及栅格尺度的碳变量和水碳耦合变量的变化受叶面积指数驱动主导的范围最大,水变量的变化受净辐射和降水驱动主导的范围最大。

关键词：水源涵养水碳循环水碳耦合水分利用效率地理探测器