【摘 要】
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林地作为陆地最重要的“碳汇”之一,对全球碳平衡具有关键性作用。伴随着国家一系列重大林业生态工程的实施,黄土高原的植被状况得到极大改善,林地面积不断增加。总初级生产力(Gross primary production,GPP)是全球陆地碳通量中的重要组成部分,在一定程度上能够反映陆地生态系统的质量状况,且对气候变化较为敏感。因此,探明黄土高原林地时空分布格局,量化林地GPP时空变化特征及气候因子对不
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林地作为陆地最重要的“碳汇”之一,对全球碳平衡具有关键性作用。伴随着国家一系列重大林业生态工程的实施,黄土高原的植被状况得到极大改善,林地面积不断增加。总初级生产力(Gross primary production,GPP)是全球陆地碳通量中的重要组成部分,在一定程度上能够反映陆地生态系统的质量状况,且对气候变化较为敏感。因此,探明黄土高原林地时空分布格局,量化林地GPP时空变化特征及气候因子对不同林地GPP的影响差异,对全面认识黄土高原林地变化特征和将来可持续管理具有重要意义。本研究利用多年土地利用数据将林地划分为天然乔木林、天然灌木林、人工乔木林、人工灌木林四种类型(注:本文将1980年已存在的林地定义为天然林,之后增加的林地为人工林),并依据近20年平均干燥指数(Aridity index,AI)划分成不同干湿区,进而较为系统地研究了黄土高原近20年林地变化特征,以及不同干湿区四种林地GPP年际变化和气候对其影响差异。首先,基于土地利用转移矩阵分析了多期林地转化情况;随后,采用一元线性回归分析方法探究了不同干湿区、四种类型林地GPP在年和生长季时间尺度的年际变化特征;最后,阐述了黄土高原近20年来的气候变化特征,并采用偏相关分析及广义相加模型揭示了气候对研究区及不同分区下四种林地GPP的影响差异。主要结果如下:(1)近20年来,黄土高原林地面积显著增加,林地净增加面积为256.58×10~3ha,与灌木林地(净增加面积为26.55×10~3 ha)相比,乔木林地净增加面积最大,达230.03×10~3 ha。空间上表现为陕西省林地净增加面积最大,其次,甘肃省东部、山西省北部、内蒙古自治区中部及南部等区域林地净增加面积也较多。在时间尺度上,2000-2005年期间林地面积增幅最明显,面积达199.53×10~3 ha,增加的区域主要集中在Ⅲ区(0.3<AI<0.4)和Ⅳ区(0.4<AI<0.5),其中乔木林地呈现出以“退耕还林”方式为主的净增加。(2)年时间尺度,黄土高原林地GPP年多年均值高于600 g C m-2的部分主要分布在以秦岭和吕梁山为分界线的东南一带,林地GPP年由Ⅴ区(0.5<AI<0.65)至Ⅰ区(AI<0.2)逐步减少。2001-2018年间,全域及不同干湿区下四种林地GPP年均呈增长趋势。其中,Ⅰ区林地GPP年(3.869-4.972 g C m-2 yr-1)增长速率较低,与最大增长速率(Ⅳ区)相差3倍左右;除Ⅴ区外,人工林GPP的增长趋势均低于天然林。生长季尺度,林地GPP的空间分布与年时间尺度相似,生长季在全年中贡献了主要林地GPP。此外,在全域及不同分区下生长季四种林地GPP年际变化趋势及变化特征与年尺度相似。(3)近20年,向下短波辐射是影响黄土高原四种林地GPP年值最大的因子。与研究区全域相比,不同干湿区下的气候因子与林地GPP年的偏相关性增强,同时影响情况也愈加复杂。其中,气压是Ⅰ区和Ⅱ区(0.2<AI<0.3)对四种林地GPP年负向影响较大的因子,而Ⅲ区、Ⅳ区和Ⅴ区则为向下短波辐射。空气比湿对Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区天然林地GPP年的正向影响较大且稳定,向下长波辐射则对人工林地的正向影响较大。由Ⅰ区至Ⅴ区,天然林地GPP年与向下短波辐射的偏相关性增强,而人工林地GPP年由Ⅲ区至Ⅴ区与向下短波辐射的偏相关性减弱。与年尺度相比,气候因子对生长季林地GPP的影响较为复杂。在全域,风速对四种林地GPP季的影响增强且起主导作用,而不同分区下,气候因子与四种林地GPP季的偏相关系数难以超过0.25。综上所述,近20年来黄土高原林地面积大幅增加,且林地GPP均呈上升趋势,较干旱区域的人工林地增长趋势略低于天然林地。同时,在年和生长季时间尺度下,气候因子对全域和不同干湿区四种林地GPP影响的异质性较大。该研究不仅可为我国林业生态工程成效评估、旱区生态环境监测等提供一定数据支撑,也可为黄土高原天然林保护和人工林管理以及气候变化应对等相关政策完善提供一定科技支撑。
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