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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8 黄土高原2020年不同植被恢复时间的植被恢复区域和原有植被区域的总初级生产力差异(GPPD)。A, 不同恢复时间下的林地GPPD。B, 不同恢复时间下的草地GPPD
正文中引用本图/表的段落
考虑到植被恢复年限可能对GPP的影响, 本研究根据2000-2020年的土地利用数据对林地恢复和草地恢复区域的恢复时间进行了提取, 并计算了GPPD。结果发现对于林地来说, 最早(2000-2005年)发生了土地利用类型转变的林地恢复区域, 其GPP与原有林地的GPP差距最小(即GPPD的范围为-2.10- -0.02 g·m-2·d-1), 而最近期(2015-2020)恢复的林地GPP差距最大(-3.56- -0.15 g·m-2·d-1), 各个转变时间内每个月林地恢复区域GPPD仍均为负值(图8A), 表示黄土高原林地恢复区域各林龄段下所产生的植被生产力均不及原有林地, 但恢复年限越久, 对恢复林地的光合能力的提升越有利; 草地的GPPD随着恢复时间的缩短显示出递增的趋势, 且GPPD基本为正值(2000-2005年草地GPPD的范围为-0.25-1.81 g·m-2·d-1, 2015-2020年为0.00-3.07 g·m-2·d-1), 表示发生转变时间越短的草地产生了越高的生产力, 且在每个转变时间范围内, 新生草地的生产力相比原有草地均较高(图8B)。
本文的其它图/表