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汤旭光教授课题组在喀斯特生态系统全球变化响应领域取得系列研究进展

发布时间:2021-07-29 04:00:25     作者:汤旭光    浏览次数: 次

我国是世界上喀斯特连片分布面积最大、发育最强烈的地区之一,出露地表的喀斯特总面积达1.3×106 km2,约占全国国土面积的13.5%,主要集中分布在西南地区。该区域水资源分布极度不均,形成了结构性缺水、水污染严重、土地贫瘠、生态脆弱的岩溶水土资源环境系统,对气候变化的响应更为敏感。近年来,西南地区干旱事件频发,如2009年秋季遭受了百年一遇的大旱,导致大面积的植被枯死和粮食减产,危及长江上游生态安全。而重大生态工程的实施对于改善区域生态系统结构、功能和服务具有明显的积极效应。以西南喀斯特生态脆弱区为研究区,汤旭光教授课题组综合集成多源数据及遥感产品,围绕喀斯特生态系统全球变化响应取得了系列进展。

1)揭示了过去40年间,西南地区极端干旱事件爆发的频率和强度都在显著增加,且以春旱和夏旱为主;重点评估了2009/2010秋冬春连旱和2011年夏旱两次典型干旱事件对喀斯特生态系统碳水循环的影响,即2009/2010连旱导致早期WUE增加,之后显著低于正常年份,相比降低了约-18.2%,而2011年夏旱开始阶段,GPPET均高于正常年份,WUE显著低于平均,且随时间加剧减少,主要由ET的增加导致。在此基础上,阐明了不同干旱条件下喀斯特生态系统的响应与恢复机制。20213月,论文在环境与生态学国际知名期刊《Science of the Total Environment》(中科院1区,IF 7.96)在线发表,硕士研究生王敏同学为第一作者。

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1 西南喀斯特生态系统碳水循环对极端季节性干旱事件的响应差异

2)评估了生态恢复工程时空动态格局及其对区域生态系统GPP的影响。本研究通过土地利用变化轨迹分析方法(Trajectory analysis),基于年尺度的土地覆被数据,有效提取了西南地区2001–2015年间生态工程驱动的主要土地利用活动。研究表明,造林和植草是西南地区主要的生态恢复措施,近96%的活动与二者相关;此外,与MODIS GPP相比,基于生态过程模型的BESS GPP 与西南地区站点GPP具有更好的一致性,能够较好地反映西南地区的GPP变化趋势;造林和植草面积不到西南地区总面积的1%,但该区域对全区域年GPP增加的贡献超过了1%。其中,造林贡献最为明显,其对生态恢复区GPP的增加贡献约为 14.94%BESS GPP)和24.64%MODIS GPP)。20213月,论文在遥感领域国际期刊《Remote Sensing》(中科院2区,IF 4.848)在线发表,博士后丁智为第一作者。



2 20012015年间西南地区生态恢复工程时空动态

3 20012015年西南区域造林和植草对GPP实际增长的贡献

3)通过土地利用变化分析途径,重点探究了生态工程能否抵消城市扩张减少的GPP。结果表明:2001–2015,西南地区近52%的土地利用变化与造林相关,仅20%与城镇扩张相关。造林增加的累积GPP5.26 Tg C2倍于城镇扩张减少的GPP2.52 Tg C),有效促进了生态恢复,且这种积极效应在喀斯特区域尤为明显。然而,城镇扩张速率(~15.01% per year)远大于造林增加速率(~0.13% per year),表明城镇扩张会进一步削弱植树造林的积极效应。因此需要重点关注该区域过度的城镇开发活动。20214月,论文在环境与生态学国际知名期刊《Ecological Indicators》(中科院2区,IF 4.958)在线发表,博士后丁智为第一作者。

4 西南喀斯特和非喀斯特区域主要土地利用变化导致的多年累积GPP变化

5 西南区域主要土地利用类型变化趋势

4)喀斯特区域存在典型的结构性缺水问题,揭示生态工程对该区域生态系统水分利用效率的影响,对于该区域的生态恢复成效评估具有重要参考意义。研究表明:2001–2015期间,造林是西南地区主要的生态恢复措施;喀斯特区域年均生态系统水分利用效率(WUE)要低于非喀斯特区域,但其年增长率要高于非喀斯特区域;生态恢复措施(造林、植草)对喀斯特区域年均WUE增加的贡献略低于非喀斯特区域。但造林、植草等对多年累积WUE增加的贡献明显高于非喀斯特区域。因此,造林、植草等生态工程对于改善喀斯特区域碳汇的水分消耗具有积极效应。20217月,论文在环境与生态学国际知名期刊《Ecological Engineering》(中科院2区,IF 4.035)在线发表,博士后丁智为第一作者。

6 20012015西南全区域(A)和生态工程区域(B)喀斯特和非喀斯特的生态系统水分利用效率(WUE

7 20012015 生态恢复措施区域生态系统水分利用效率年际变化率(A)和多年累积变化率(B

以上科研进展得到了国家自然科学基金重点项目、重庆市巴渝学者资助计划及中国博士后科学基金等项目的支持。

相关论文列表:

  1. Min Wang, Zhi Ding, Chaoyang Wu, Lisheng Song, Mingguo Ma, Pujia Yu, Bingqing Lu, Xuguang Tang*. Divergent responses of ecosystem water-use efficiency to extreme seasonal droughts in Southwest China. Science of The Total Environment. 2021, 760: 143427.

  2. Zhi Ding, Hui Zheng, Ying Liu, Sidong Zeng, Pujia Yu, Wei Shi, Xuguang Tang*. Spatiotemporal patterns of ecosystem restoration activities and their effects on changes in terrestrial gross primary production in Southwest China. Remote Sensing. 2021, 13: 1209.

  3. Zhi Ding, Hui Zheng*, He Li, Pujia Yu, Weidong Man, Mingyue Liu, Xuguang Tang*, Ying Liu. Afforestation-driven increases in terrestrial gross primary productivity are partly offset by urban expansion in Southwest China. Ecological Indicators. 2021, 127: 107641.

  4. Zhi Ding, Ying Liu, Lunche Wang, Yanan Chen, Pujia Yu, Mingguo Ma, Xuguang Tang*, Effects and implications of ecological restoration projects on ecosystem water use efficiency in the karst region of Southwest China. Ecological Engineering. 2021, 170:106356.