科研进展

张稳等-EI: 中国北方草地地上和地下净初级生产力的高精度制图与因子分析

植被净初级生产力(NPP;包括地上和地下两个部分)是草地碳循环的关键组分,在大尺度、高精度水平上评估量化草地NPP并探索其主要环境控制因素,对于准确理解全球碳循环,以及草地生产力不同组分对未来气候变化的潜在响应至关重要。

中国草地分布广泛,占国土总面积约40%。然而,由于气候和人为因素的综合影响,中国90%的天然草地正在退化,表现为植被生产力降低和生物多样性丧失。作为评估草地生态系统功能的核心指标,净初级生产力(NPP),尤其是地下部分(BNPP),对维持草地生态系统健康至关重要。然而,传统BNPP观测方法存在测量误差大、耗时耗力等问题,限制了对大尺度草地BNPP的准确评估。对此,中国科学院大气物理研究所和北京师范大学的研究人员综合使用了508个地面调查样点的ANPP数据与卫星NPP产品MODIS的数据(图1),来计算站点尺度的BNPP,并与部分实地观测数据进行了校验。此外,研究人员利用机器学习模型定量评估了气候、地形、土壤等环境因素对地上地下净初级生产力(ANPP和BNPP)的贡献,并绘制了中国北方天然草地ANPP和BNPP的1公里高分辨率空间分布图(图2和图3)。

研究结果表明,中国北方草地的ANPP和BNPP平均值分别为154 g m-2和273 g m−2,其中BNPP占总NPP约62%。空间上,东北部草地生产力高于西南。气候因素是影响ANPP的主要驱动力,地形因素对BNPP的影响更为显著(图4)。这表明,未来气候变化可能导致ANPP波动加剧,而BNPP相对稳定。由于BNPP是草地土壤碳库的最重要碳输入来源,草地土壤碳库对未来气候变化可能表现出一定的韧性。该研究深化了对中国北方草地ANPP和BNPP时空格局及其环境驱动因素的认识。

图1 中国北方草地地上(ANPP)和地下(BNPP)净初级生产力观测样点分布

图2 地上净初级生产力(ANPP)的空间格局(a)和不确定性(b)

图3 地下净初级生产力(BNPP)的空间格局(a)和不确定性(b)

图4地上净初级生产力(ANPP)和地下净初级生产力(BNPP)对环境因子的响应。图中显示了基于随机森林模型的预测因子对ANPP(a)和BNPP(c)的相对重要性。图中还展示了ANPP(b)和BNPP(d)对五个最重要控制因素的偏依赖图。

最近,上述成果以“Distinct environmental controls on above- and below-ground net primary productivity in Northern China’s grasslands”为题发表在Ecological Indicators上,论文第一作者为中国科学院大气物理所博士研究生郑浩钧,通讯作者为北京师范大学地理科学学部王国成副教授。北京师范大学地理科学学部宋长青教授、杨晓帆教授、中国科学院大气所张稳研究员、植物所孙文娟研究员共同参与了这项研究。研究得到了国家自然科学基金项目“内蒙古草地碳汇变化和固碳潜力研究”(42375116)的资助。

【论文信息】

Zheng, H., Yang, X., Song, C., Zhang, W., Sun, W., & Wang, G. (2024). Distinct environmental controls on above- and below-ground net primary productivity in Northern China’s grasslands. Ecological Indicators, 167, 112717.

https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112717


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