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黄土高原生态工程实施下基于日光诱导叶绿素荧光的植被恢复生产力效益评价
薛金儒, 吕肖良
植物生态学报    2022, 46 (10): 1289-1304.   DOI: 10.17521/cjpe.2022.0226
摘要   (450 HTML18 PDF(pc) (4438KB)(311)  

基于日光诱导叶绿素荧光(SIF)揭示黄土高原大面积实施生态工程后植被恢复区域的植被生产力效益。通过分析遥感观测的地表绿度特征变化和土地利用动态, 该研究首先识别了近20年来黄土高原植被恢复区域和原有植被的空间分布范围, 在此基础上, 使用SIF和气象数据, 根据改进机理光响应模型(rMLR)计算了植被总初级生产力(GPP), 对比分析了植被恢复区域绿度特征变化下GPP的差异。结果显示: 空间上, 由于生态工程的广泛实施, 黄土高原整体绿化情况得到了明显改善。在2001-2020年间, 黄土高原上林地恢复面积约3.5万km2, 占区域总面积的7.42%; 草地恢复面积11万km2, 约占区域总面积的25.25%。整体上, 林地恢复区域的光合能力和生产力水平均低于原有林地, 而草地恢复区域较原有草地高; 恢复林地的GPP相当于原有林地GPP的83.86%, 恢复草地的GPP相当于原有草地的121.10%。在相同的叶面积指数(LAI)等级下, 植被恢复区域与原有植被的生产力呈现不同的差异性, 当LAI较大时植被恢复区域与原有植被的GPP差距较大。由裸地转变而来的植被恢复区域生产力效益最差, 而林地生长区域和退耕还草的植被恢复区域分别是林地恢复和草地恢复中的最优模式。植被恢复区域的LAI增长速率和恢复年限也影响了生产力, LAI增长速率越大的区域生产力效益越高, 林地恢复年限越久越利于生产力的提升, 草地恢复年限较短的区域有较高的生产力。总体上, 由于生态工程的实施, 虽然黄土高原上的植被覆盖面积和生物量得到了显著提高, 但植被生产力(尤其是林地)并没有获得同等程度的恢复, 影响了生态工程的生态效益。



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图6 黄土高原2020年不同叶面积指数(LAI)等级下植被恢复区域和原有植被区域的总初级生产力差异(GPPD)。A, 不同LAI等级下的林地恢复GPPD。B, 不同LAI等级下的草地恢复GPPD
正文中引用本图/表的段落
在不同的LAI等级下, 黄土高原植被恢复区域与原有植被的生产力呈现不同的差异性(图6A、6B)。在LAI第一到第四等级(LAI逐渐变大)中, 恢复林地和草地的GPP相比原有植被区域的GPP, GPPD均随着LAI等级的增加而变小, 在夏季6-8月尤为突出, 这表示当LAI增加时, 黄土高原上植被恢复区域的生产力效益变小。这也表征了通过SIF所量化的GPP所揭示的在地表绿度特征增加下的植被生产力效益。在GPPD值最小的LAI等级四中, 林地恢复和草地恢复区域的GPPD范围分别为-3.34-0.02 g·m-2·d-1和-2.47-1.24 g·m-2·d-1。在最高LAI等级中, GPPD又开始回升, 表示当恢复植被趋于稳定时, 其生产力和同一LAI等级下的原有植被逐渐趋近。
本研究提取了2001-2020年生态工程实施下黄土高原林地、草地显著绿化的区域, 提取和计算了这些地区的SIFTOC和GPP, 评价了黄土高原地表大面积变绿下的植被生产力效益。卫星观测的LAI常被用来评估地表绿色植被生物量和指示冠层结构特征, 因此, 本研究首先通过结合LAI趋势和土地利用的变化情况提取了2001-2020年黄土高原植被恢复的区域。植被恢复的定义不仅是土地利用类型的转变, 同时也具有地表绿度显著增加的特征, 除此以外, 本研究还关注了那些可能经历了自然植被生长扩张或保护区构建带来的林地(草地)恢复的区域。为了客观分析, 本研究采用了比较分析的方法, 以黄土高原上的原有植被SIFTOC和GPP作为参考, 通过计算GPP的差值来体现植被恢复的生态效益。本研究使用根据MLR模型改进的rMLR模型为机制框架(Liu et al., 2022), 在不依赖传统的统计回归方法情况下, 基于SIF和光合作用内在联系的机理, 根据卫星观测的SIF计算了植被GPP。结果显示, 不论是在黄土高原整体上(图5), 或是在相同的绿度等级下(图6), 植被恢复区域与原有植被的生产力仍具有一定差异。这说明了由于生态工程的实施, 黄土高原上的植被覆盖面积和生物量得到了显著提高, 主要表现在地表绿化程度的提升, 但是在这些大面积绿度提高的区域中, 植被的生产力并没有真正获得同等程度的恢复。也更加证实了与提供关于植被结构和生长信息的绿度指数相比, SIF提供了更深层次的基于生理学的植被功能信息(Jeong et al., 2017)。
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