气候及土地利用变化影响下

绪论
研究内容
在叶片尺度上，选择适宜的生理生态模型，对研究区 的主要植物种进行生理生态特性的分析，得出主要植物种 的光合特性及干旱适应特性。 应用陆地生态系统模拟模型 TESim 2.0，模拟小流域 的水分运动，碳氮循环，土壤侵蚀等生态系统动态过程， 并对小流域当前气候变化及土地利用情景下的主要变量净 第一性生产力，净生态系统生产力，土壤侵蚀，径流等的 动态规律进行分析。 设定不同的气候变化和土地利用变化的研究情景，并 在不同的情景下驱动模拟模型，分析气候变化、土地利用 对小流域净第一性生产力，土壤异养呼吸，净生态系统生 产力，土壤侵蚀等诸多方面的生态系统功能和过程的影响 。
全球变化条件下的景观动态的研究是在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ观尺 度上研究全球变化与自然生态系统生物物理过 程以及生物化学循环过程的关系。
绪论
气候变化反映了生态系统主要的外在自然驱动 力的改变，而土地利用与土地覆盖变化则体现 了人类活动对生态系统的直接影响。
本研究以皇甫川流域的五分地沟小流域为例， 野外实验和模型模拟相结合，从植物的叶片尺 度到生态系统尺度，再到景观尺度，进行了小 流域的景观系统动态模拟分析的研究。
空间直观景观模型(Spatial Explicit Landscape Model)的发展在最近十几年内 极为迅速
绪论
气候变化对净第一性生产力的影响
短 尺 度 气 候 变 化
植
被
温度
气候变化 降水
CO2含量
土壤碳
N
库
P
P
土壤氮
库
气候变化对NPP作用机制
长 尺 度 气 候 变 化
土
壤
绪论
气候变化对生产力影响的研究方法
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
小流域景观系统分析
很多区域尺度上的研究基于的气候变化的背景都是降 雨量减少，温度上升，却得出了不同的结论，正如喻 梅等(2001)研究指出的，中国北方的净第一性生产力对 于气候变化的响应机制是复杂的，值得更进一步去研 究。
降雨是研究区净第一性生产力和生态系统净第一性生产 力的制约因子，温度只能加强或者减弱降雨造成的影响 ，因此，作为中国北方半干旱地区的一个例证认为在温 度显著增加，降雨显著减少的情况下，净第一性生产力 和生态系统净第一性生产力将产生下降趋势。
实验方法 模型方法
静态的经验性模型：MIAMI， Penman， CHIKUGO模型，还有周广胜的净第一性生产力模型 ，以及基于遥感植被指数的生产力模型等。 动态机理性的模拟（或仿真）模型：生物地 理模型（MAPSS，BIOMEII，DOLY），生物地化学 模型（BIOME-BGC，TEM，CENTURY），动态耦合模 型（全球植被动态模型（DGVM），BIOME3）。
研究区的土地利用变化分析表明，研究区的土地 利用变化受人为干扰极大，当地曾实施了大力度 的水保措施和植树造林工程。
生理生态学参数 根系分布
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
模型的参数化
生长相关系数
土壤相关参数
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
模型的实施和验证比较
的叶片水平的耐旱和抗旱特性，但其气孔导度对土壤水分的
不敏感意味着在干旱条件下维持光合作用的同时，也可能会
导致过多的水分损失。柠条具有很强的耐旱性，且其气孔导
度对土壤水分的变化敏感，可以在土壤水较好的情况下，维
持较大的气孔导度以满足光合作用的需要，且在土壤水分胁
3 陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
模型中使用的属性数据主要有DEM，坡度，坡向，土 壤类型，土地利用图。
气候变化及土地利用变化特征分析 模型的参数化 模型的实施和验证比较
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
气候变化特征分析
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
气候变化特征分析
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
对于温度有着较高的敏感性。
生态系统多年平均的土壤侵蚀量以农作物(糜子)最大，百 里香群落次之。沙打旺群落体现了较好的抗蚀性。所有生 态系统的多年平均水分供应量和消耗量基本平衡，各生态
系统的总耗水量表现出与土壤水分含量基本相反的趋势。
小流域景观系统分析
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
绪论
1.2 研究现状
景观动态研究进展 气候变化对净第一性生产力的影响 皇甫川地区相关研究进展
绪论
景观动态研究进 景观格局动态展研究
景观过程的动态研究
景观内生态系统过程与景观内各种生态系 统类型的分布格局之间的关系是景观生态 学研究的核心问题之一。景观分布的破碎 度对于景观的动态过程而言是一把双刃剑
合能力最强，其次是糜子，向日葵，北沙柳，野艾蒿也有较
强的光合能力，而油松的光合能力最低，柠条和草木樨的光
合能力也相对较低，油松的同化能力较强。
油松，柠条表现出较强的耐旱特征，沙棘，紫花苜蓿，玉米
的耐旱性最差，小叶杨，油松，糜子，柠条抗旱性较好，旱
柳，紫花苜蓿，玉米，马铃薯的抗旱性较差。油松具有最好
第四类的油松属于针叶树种， 同化物的积累能力相对较弱， 生长相对缓慢。
植物叶片尺度的生理生态模拟
五分地沟小流域 18种植物气孔导度模型非线性回归结果
植物叶片尺度的生理生态模拟
第一个大类属于抗旱 性和耐旱性较差的植 物种
第二类草木樨和沙打 旺，属于抗旱性较强 的植物种，但由于其 对于水汽压亏缺不敏 感，耐旱性较差。对 于光都较敏感
2.1 光合模型 2.2 气孔导度模型 2.3 叶片尺度生理生态模拟结果分析 2.4 小结
植物叶片尺度的生理生态模拟
2.1 光合模型
基于植物生物化学机理建立的光合模型，Farquhar的C3植物 模型，以及Berry 和Farquhar的C4植物模型(简称Farquhar 模型)在生态系统模型模拟中得到了广泛的应用。
TESim2.0模型结构图
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
3.1 TESim模型
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
3.2 TESim-L在五分地沟小流域的应用
基础数据准备
本研究中的气象数据使用的是沙圪堵气象站19761999年的9指标数据，包括总云量，降水，风速，相 对湿度，日照时数，蒸发，均温，最高温，最低温 。
绪论
皇甫川地区相关研究进 展
80年代开始的水土保持工作使得土壤侵蚀 ，泥沙运动方面的研究资料非常丰富
植物生理生态研究：水分生态 缺乏主要植物长期生长观测等数据
绪论
1.3 研究目的和内容 研究目的
本研究的目的是应用模型模拟小流域景观内部 植物生理生态和生长消亡过程、水分在土壤-植物大气连续体内的循环过程，以及土壤侵蚀过程，及 其在气候变化，土地利用变化影响下的动态响应， 探讨小流域景观动态规律。
生态系统动态分析
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
生态系统的动态分析表明，3月份和4月份由于气温上升， 大风频繁，相对湿度低，又缺乏降水的补充，成为油松群 落和柠条群落的敏感时期。除百里香群落外，其他生态系 统净第一性生产力的年际变化同降雨量之间显著相关，与 油松群落的相关系数最高。不管是季节NPP的变化规律还 是多年NPP与最低温度之间的相关系数都表明，柠条群落
Thornley 和 Johnson(1990)提出的基于叶片尺度的光合 模型(简称TJ模型)，强调了气孔导度的控制作用，在机理 上相对简单，目前在生态系统模型中的应用比较少。
Gao et al.(2004)对黄土高原11种植物进行了两个模型的 行为比较，结果证明形式简单的TJ模型并不比涉及到极复 杂的生理过程的Farquhar模型的非线性拟合的结果差，相 反，Farquhar模型在高值区的模拟值偏低，而且TJ比
本研究对于Ball-Berry-Leunning模型(BBL模型) (Leuning, 1995) ，高琼等2002年提出的气孔导度模型 （Gao模型）(Gao et al., 2002)进行了比较。
BBL气孔导度模型
植物叶片尺度的生理生态模拟
Gao气孔导度模型
植物叶片尺度的生理生态模拟
BBL模型平均可以解释77.6%的结果，Gao模型平均可以解释 59.3%的结果，从表面上看，似乎BBL模型的效果要好一些 。但Gao模型作为一个机理性的模型，其参数具有明确的物 理意义。我们模拟了一天中光合有效辐射，叶片温度的变 化，并对土壤水势，水汽压亏缺设定了不同的梯度，对模 型进行了敏感性分析。分析的结果说明，用BBL计算的气孔 导度一般大于Gao模型，BBL模型对于干旱胁迫下的土壤水 分亏缺没有响应, 因而不适合用作干旱半干旱区的植物生 理生态学分析和生态系统模拟。具体的参数分析见下节。
植物叶片尺度的生理生态模拟
2.3 叶片尺度生理生态模拟结果分析
五分地沟小流域 18种植物净光合速率非线性回归结果
第一类的特点是 羧化速率系数大 ，光合能力强
第二类植物种的 光合能力相对较 大
第三类植物种的 光量子速率系数 中等，羧化速率 系数中等，光呼 吸速率系数较小
植物叶片尺度的生理生态模拟
糜子，油松和柠条各自成一类，但他们的相似之处是对于土 壤水分的变化都不敏感。柠条对于水汽压亏缺的敏感性要高 于油松，所以油松的耐旱性要逊于柠条。
2.4 小结
植物叶片尺度的生理生态模拟
对于光合参数的分析表明，玉米和糙隐子草都属于C4植物种 ，光量子效率较其他物种都高，光合能力也较强。玉米的光
(Gao et al., 2005b)在斑块尺度上验证了植物的生长
模块和土壤侵蚀模块，认为TESim模型可以很好的模拟植物 的碳循环和土壤侵蚀过程。
研究区本身缺乏NPP的常年观测数据，故采用临近地区 的观测数据进行比较。
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
3.3 TESim-L模型模拟结果分析
)为暗呼吸速率;
2.2 气孔导度模型
植物叶片尺度的生理生态模拟
在叶片尺度上，植物气孔导度对土壤和空气的水分胁迫 的关系反应了抗旱性及耐旱性的重要特征。基于可靠的 ，恰当的机制建立的气孔导度模型可以减少外推法的风 险，对于生态系统模拟和分析也是非常重要的，从而可 以得到生态系统对于未来环境变化的响应。
Farquhar模型对气孔导度的变化更为敏感。
植物叶片尺度的生理生态模拟
TJ 光合模型
(
)为植物的净光合速率, (kPa)是大气压,
(
)为氧气的气孔导度, (
)为二
氧化碳的气孔导度, (
) 为羧化速率系
数, (
) 光呼吸速率系数, (
)
为光量子效率, (
)为光合有效辐射, (kPa)
为大气二氧化碳分压, (kPa)为大气中氧气的分压, (
1.4 研究区概况
绪论
地质地貌 气候 植被 土壤

绪论
1.5 研究方法和技术路线
2 植物叶片尺度的生理生态模拟
植物的叶片尺度上，光合作用和蒸腾作用是两个关 键性过程。植物通过光合作用吸收辐射能，并将之转化 为化学能，是植物生长的基础和能量积累的关键环节。 蒸腾作用又使得植物从土壤中吸收水分，经植物体内传 输，由叶片表面的气孔输送到大气中去。
气候及土地利用变化影响下.ppt
论文提纲
1 绪论 2 植物叶片尺度的生理生态模 拟 3 陆地生态系统模拟模型 TESim 2.0 的应用 4 景观系统动态对气候及 土地利用变化的敏感性分析 5 讨论和结论
1 绪论
1.1 引 言
气候和土地利用变化交互作用下的空间异质的 景观和区域生态系统动态是当前生态学领域的 热点和难点。这是因为空间异质生态系统的状 态不仅由局部生态系统过程决定，还受到相邻 生态系统物质和能量流动的控制。
小流域景观系统分析
NPP和NEP的年际变化波动非常相似，分析指出NPP 和NEP的年平均值之间的相关性很好，相关系数达 到了0.922 (sig<0.001)。NPP和NEP在1984年， 1996年，1998年出现了三个较为明显的峰值，NPP 和NEP最低值都出现在1997年
土壤侵蚀与NPP，NEP之间都存在显著相关的关系
土地利用变化特征分析
阔叶林 针叶林 灌木 人工草地 天然草地 农作物
陆地生态系统模拟模型TESim2.0的应用
气候变化及土地利用变化特征分析
研究区气候变化的特点是，降雨的季节性变化很 大，分布极不均匀，降雨最高的月份是七月和八 月，最高温出现在七月份。多年变化趋势来看， 降雨的有下降的趋势，但这个趋势不显著，温度 则呈现显著增加；