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关键需要监视和预测陆地初级生产,生态系统功能的主要指标,在一个不断变化的全球环境。这里我们提供简要回顾三个主要的方法来监控和预测陆地主要生产:(1)地面实地测量,(2)基于卫星观测,和(3)基于过程的生态系统模型。不确定性存在于陆地总初级生产力的multi-approach估计(GPP)和净初级生产(NPP)。提高模型的模拟和预测的能力,有必要评估生态系统模型对地面和卫星测量和观察。为例,我们展示了动态土地生态系统模型的性能(DLEM)在不同尺度从网站向全球地区。我们还讨论陆地初级生产如何应对气候变化,增加大气CO₂和不确定性模型和数据。进一步进展监控和预测陆地初级生产需要一个多尺度观测和模型模拟的综合。在人类世时代的人类活动已经改变了地球的生物圈,因此,它是至关重要的社会经济组件合并到陆地生态系统模型准确地估计和预测陆地初级生产在不断变化的全球环境。

1。介绍

陆地净初级生产力(NPP)是指碳的净金额被植物通过光合作用单位时间在一个给定的时期,是一个能量和质量转换在陆地生态系统的重要组成部分。NPP是陆地生态系统的净碳保留后通过光合作用同化(总初级生产力(GPP))和损失由于自养呼吸(1]。NPP是基本重要的人类,因为最大的部分我们的食品供应来自陆地NPP (2]。此外,NPP是生态系统健康和服务的一个重要指标3- - - - - -5)和全球碳循环的重要组成部分,6,7)提供陆地生物群和大气之间的联系(8]。陆地GPP和NPP研究,特别是在地区和全球范围内,吸引了太多的关注(3,4,9- - - - - -11]。这是因为他们测量的能量转移到生物圈和地面有限公司₂同化,并提供一个基础广泛的生态过程的状态评估(12]。

NPP是一个重要的生态变量评估趋势在生物圈的行为13)和调查的模式食物、纤维和木材生产(4在广阔的时间和空间尺度上)。准确估计全球NPP可以提高我们理解atmosphere-vegetation-soil接口之间的反馈在全球变化的背景下14),促进气候政策的决定。先前的研究基于库存分析、经验和过程模型和遥感方法估计全球NPP的39.9 -80包括你⁻¹(3,15- - - - - -17]。在最近的一项荟萃分析研究中,伊藤(18]报道全球陆地NPP 56.4包括年⁻¹。然而,有很大的不确定性(±8 - 9包括年⁻¹)近年来在全球陆地NPP估算(2000 - 2010)很难评估能源和生态过程的状态的转移(18]。这些不确定性与灵敏度分析和偏见介绍卫星数据的填缝。此外,遥感算法不准确账户等环境压力加油深度尤其是在干旱地区植物使用深根访问和维持水的可用性(19]。

在全球范围内,多个环境因素包括气候、地形、土壤、植物和微生物特性和人为和自然干扰控制陆地NPP的时机和规模(20.];然而,这些环境因素对全球的相对贡献NPP变化在时间和空间。全球气候变化,包括温度和降水的变化对NPP相对小规模的积极影响期间(1982 - 199913]。然而,在过去十年(2000 - 2009),气候对全球NPP的影响一直是一个争论的话题。赵和运行6)报道说,气候变暖增加水压力和自养呼吸在南半球导致全球NPP全面下降,而波特et al。21)发现了一个迅速增加的趋势在全球NPP由于北半球气温变暖期间2000 - 2009。而气候变量,如太阳辐射、温度和降水一直被认为是一个关键因素控制陆地NPP [6,21),其他环境因素,如高有限公司₂、氮沉降和臭氧接触也同样重要的是在控制陆地NPP的时机和规模(22]。此外,自然和人为因素,如飓风、火灾、伐木、土地覆盖和土地利用变化,虫害对陆地NPP(也有重要影响23- - - - - -26]。准确地量化不同的环境因素包括气候的影响在全球陆地NPP需要控制生理和生态过程的理解,确定陆地碳吸收的时间和程度(27,28]。

因为我们有大量的不确定性知识的环境因素,控制陆地NPP的大小,连续监测全球陆地NPP对评估至关重要趋势在生物圈的行为13),调查大规模食品和纤维生产中的模式(4),和理解潜在的陆地生态系统对大气中的碳封存。陆地NPP被确定为主要监控变量的研究(4,29日)和感兴趣的组织(环境可持续性指数;http://www.ciesin.columbia.edu/indicators/ESI/国家研究委员会的报告;http://www.nap.edu/bookds/0309068452/html/);然而,全球陆地NPP的连续和一致的测量集成跨广泛的时间和空间尺度上的生态系统过程(30.没有可能的。尽管全球陆地NPP的定期监测可行使用图像和星载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器,这种方法受限于其粗分辨率和难以收敛与其他高分辨率数据集和基于过程的模型14,31日,32]。

尽管几种方法已经用于监视地面过去二十年来最严重的从初级生产位置观测(33- - - - - -35)大规模遥感(6,13和基于流程的建模3,36- - - - - -38),或位置的组合观测,遥感技术,和/或基于流程模型(8,9,39),这些方法有重大不确定性的关联不一致的估计陆地NPP是在应对全球变化40- - - - - -42]。大范围的不确定性来自升级网站或林分水平初级生产区域和全球范围内(14,43),结构易受forcing-data差异模型和参数值受到观察(44,45),和限制的参数化光利用效率(31日和光合有效辐射31日,46]。同样,陆地初级生产不是直接从遥感测量估计,而是被建模为一个函数的叶面积指数和光合有效辐射的一部分(fPAR)或绿色指数。这些索引用于估算陆地NPP是由大气污染粒子会发出具有误导性的信号卫星传感器(47]。此外,基于过程的模型集成生态和生理过程的理解从现场测量和尤为重要,确定陆地生态系统不同的环境压力的反应(23,48]。因此,必须整合位置,遥感,基于流程的建模方法来精确地监控和预测陆地跨越广阔的时间和空间尺度上的初级生产。

各种各样的评论已经解决NPP的各个方面18,49,50];然而,没有一个全面回顾了现有方法和相关的不确定性以及未来的需求。因此,本文的目的是(1)总结一般在多尺度估计GPP和NPP的方法;(2)审查重大环境因素控制GPP和NPP的大小和时间;(3)识别的不确定性与大规模GPP和NPP估计;(4)识别知识差距与未来可能的方向不断变化的环境条件。一般来说,三种方法被用来估计总值和陆地生态系统净初级生产力:(1)地面监测包括生物质库存(35和涡度相关测量9];(2)远程sensing-based观察(6];(3)空间显式生态系统建模(51]。在这里,我们提供了一个简短回顾这些方法的重点是基于卫星观测和陆地生态系统建模。

2。地面监测陆地初级生产

地面监测陆地初级生产提供了一个依据准确估计全球陆地NPP因为它提供了直接测量初级生产的扩大网站全球层面以及校准和验证卫星和基于模型的方法。地面测量地面主要生产依靠两种方法:生物量和通量测量。自国际生物项目(IBP, 1965 - 1974),大量的生态系统进行了调查测量全球陆地初级生产。传统上,陆地初级生产估计,使用生物质通过周期性的测量测量进行了根,茎,叶,果实生长。最近的技术进步使地面监测陆地NPP使用气象塔测量瞬时交流有限公司₂(净生态系统交换(NEE)大气和陆地生态系统之间的关系。陆地NPP计算间接通过添加异养呼吸娘家姓的。涡度相关技术(52]采用全球各地不同的生物群落包括森林、农田、草原和沙漠。下面,我们提供一个简要的概述两个最广泛使用的地面监测陆地主要生产:(a)生物质库存和(b)通量测量利用涡度相关技术。

2.1。生物质库存

生物量库存数据提供有价值的信息来源为估算森林生物量和NPP的农田和草地景观和区域尺度(53,54]。自1980年代初以来,区域或国家库存,与大量的统计上有效的阴谋,被广泛认为是一个强大的工具估算森林和农作物生物质在广泛的范围内(55,56]。Inventory-based方法估算森林生物量利用生物质扩展因数(性能),将干生物量占非商业组件的体积,也就是说,树枝,根,和树叶等等57- - - - - -59];然而,其他研究已经表明,茎总量随森林年龄、网站类,林分密度(60- - - - - -63年]。另一个树生物量估算方法包括异速生长的方程,它可以转化为有限公司₂等价物的比例(64年]。森林生物量的估算是基于一个异速生长的方程已经广泛地检查森林管理的影响(65年),土地利用变化(66年,增加大气CO₂(67年]。而异速生长的方程估算森林生物量,并广泛应用于重要的增长和收益模型(例如,森林植被模拟器),他们没有在识别和量化的相对贡献土地覆盖和土地利用变化和几个环境因素包括气候、高有限公司₂对二氧化碳的吸收,和空气污染。最近,霍顿(68年)已经认识到,保持土地覆盖和土地利用变化的环境变化是至关重要的,因为它有助于区分直接人为影响与间接或自然效果和较低的土地覆盖和土地利用变化的不确定性。

2.2。通量测量利用涡度相关技术

涡度相关技术估计有限公司₂汇率之间的气氛和植物树冠通过测量之间的协方差波动垂直风速和有限公司₂混合比(69年,70年]。涡度相关技术使人们有可能直接和连续测量垂直大气边界层内湍流通量在短期和长时间尺度上(30分钟的)。在生态系统规模,FLUXNET塔测量净生态系统有限公司₂交换(NEE) = GPP -生态系统呼吸(70年(即。,the quantity of CO₂气息奄奄的自养生物(植物)和异养生物(主要是细菌))。19世纪以来,已经有越来越多的兴趣估计网络有限公司₂交易所在陆地生态系统基于涡度相关测量71年]。涡度相关方法能够检测微小变化的净有限公司₂在陆地生态系统和大气之间交换在不同时间尺度(69年]。国际FLUXNET [52)建立了一个网络FLUXNET塔六七大洲,包括区域网络的涡度相关的测量(如CarboeuropeIP AmeriFlux Fluxnet-Canada, LBA, AsiaFlux, ChinaFlux, CarboAfrica, KoFlux, TCOS-Siberia,和Afriflux)。通量数据来源于这些网络提供前所未有的详细信息的广泛的社会科学家们需要通量数据测试,校准,验证和改进地表计划在气候模型,动态植被模型、遥感算法,水文模型和基于过程的生态系统模型。涡通量测量还提供了一个独特的工具,了解eco-physiological机制和环境控制的生态系统在全球变化的背景下,碳过程。然而,对于大型陆地初级生产,估计当前的涡度相关测量网站仍然太少且分布不均。碳存储能力从单一领域的区域外推网站整个研究区域/地区一直是基于一个假设该地区的生态系统功能的同质性,这带来了很大的不确定性。例如,肖et al。9)发现高档涡度相关地面初级生产(GPP)相接的MODIS相比高出14%。生物圈和大气之间的净碳交易所在区域范围内,然而,可能非常不同于汇率的站点的产品和地区因为陆地生态系统的面积微分反应由于植被类型,干扰历史、土壤和气候变量随时间和空间(72年]。除了升级问题,复杂的地形和不稳定的大气条件可以大大改变碳通量由于夜间引力或排流(73年),导致碳通量的差异相比,80 - 200%的范围,测量基于库存的方法(74年]。

3所示。卫星监测陆地初级生产

地面测量地面初级生产的范围通常在空间尺度上不到一个几百平方米很难估计陆地主要生产地区和全球范围内。此外,地面测量陆地NPP受制于地形的复杂性和其他不利的环境因素。卫星监测陆地初级生产尤为重要,在大区域地面方法(库存和涡度相关)是不可行的。卫星估计提供了一个重复的、一致的测量陆地跨越广阔的时间和空间尺度上的初级生产。下面我们提供简要概述陆地卫星监测的初级生产重点是美国宇航局的中分辨率成像光谱仪(MODIS)。

基于遥感的评估陆地初级生产的先进的在过去的几十年里,和这些数据集提供必要信息与CO的排放有关₂在区域到大气中,大陆和全球尺度。因为碳通量(GPP和NPP)是很难衡量的大区域由于高空间异质性,卫星观测提供一致的、空间上精细的估计(75年),允许我们监测生态系统模式和活动在更大的尺度上6]。塔克开创性工作以来的et al。76年在远程sensing-derived植被指数之间的相关性(即归一化植被指数(NDVI)和光合活动,卫星遥感已成为一个主要的数据来源区域生态系统和陆地的主要生产模式。此外,基于卫星的观测已经加上数学模型来量化全球碳通量。例如,在过去的几十年,生产效率模型(PEM)开发基于可用的卫星数据,监控初级生产和在大尺度上研究碳循环(31日,77年]。最有前途的一个工具来跟踪变化的陆地和海洋生态系统的生产力是基于GPP / NPP产品来自美国宇航局的中分辨率成像光谱仪(MODIS), satellite-mounted工具收集表面的光谱特征量化的变化在大面积地面初级生产。下面,我们详细描述算法对MODIS跟踪初级生产力的变化随着时间的推移提高我们理解如何使用卫星观测估算陆地的生产力。

详细信息MOD17算法可在MOD17算法理论基础文档(ATBD) [78年)或MOD17用户指南。这里我们提供一个简单的MOD17的概述。MOD17算法主要可以分为两个步骤。首先,我们计算每日GPP和MODIS产品(PSNnet)光合作用。每日GPP的函数转换效率计算,事件短波辐射,和光合有效辐射的一部分。PSNnet减去后得到维护日常GPP的呼吸。第二,我们计算年度NPP求和的密集PSNnet产品减去维修后呼吸活木和增长的整个植物的呼吸作用。下面,我们提供两个步骤的详细描述。

第一步是计算每日GPP (gC m⁻²d⁻¹gC)和PSNnet (m⁻²d⁻¹),PSNnet = GPP -维护呼吸(先生)(gC m⁻²d⁻¹)的树叶和细根,为每个密集期。标准全球密集复合MOD17A2产品由总和这些密集的日常GPP和PSNnet第一密集时期的儒略日MOD17A2时间信息在10度HDF-EOS文件名。计算每日GPP Heinsch et al(类似79年)如下: 在哪里是转换效率(即。,the amount of carbon a specific biome can produce per unit of energy) and SWrad (MJ m⁻²d⁻¹)是每日入射太阳短波辐射,这是乘以0.45 [80年估计分数的光合有效辐射fPAR;乔丹米⁻²d⁻¹)。SWrad数据同化的办公室(DAO)在NASA戈达德太空飞行中心(戈达德宇航中心),稍后将详细讨论。复合fPAR fPAR来自MOD15A2密集,赖,基于最大fPAR值。

每天(gC乔丹⁻¹从最大)计算在最优条件下(79年)当环境压力控制(低温和干旱)和计算如下: 在哪里在富水条件下最大biome-specific值,每日最低温度(°C), VPD是白天的蒸汽压赤字(Pa)。线性插值的功能和转换和VPD标量范围从1(最优条件)0(特别强调条件)。目前,对于一个给定的生态区是常数。在不同的日子里,天气条件、VPD SWradare变量;因此,将密切相关的不同的天气情况,GPP每天会改变。对于大多数生态系统来说,标量的控制光合作用在一个相对短的生长季节的开始和结束。在大多数的生长季节,标量的将1由于高和不会施加约束在同化VPD SWrad将两个主要气象因素管理日常GPP MOD17算法。

维护呼吸(先生,gC m⁻²d⁻¹),叶和根日均温度指数相关°C如下: 检索Leaf_Mass从MOD15A2赖使用biome-specific比叶面积(SLA)。Fine_Root_Mass估计从biome-specific常数比率之间的树叶和细根。是一种呼吸商在生物群落和分配是2.0。Leaf_mr_base和froot_mr_base树叶和细的维护呼吸亲爱的每单位质量20°C。

第二步是计算年度NPP (gC m⁻²y⁻¹)的总和所有密集复合PSNnet和减法生活木先生和增长的呼吸(GR, gC m⁻²y⁻¹全植物的)如下: Livewood_MR和Livewood_GR维持呼吸和生长呼吸生活的木头,分别。Leaf_GR、Froot_GR Deadwood_GR叶子的生长呼吸,细根,分别和无用的。

最重要的假设在MOD17逻辑生态区特定生理参数不随空间和时间。这些参数中概述生物群系属性查找表(BPLUT)。对于每一个像素,生物群落从MOD12Q1土地覆盖类型转换到MOD17生物群落。2001年MODIS GPP的初始评估产品是由比较MODIS GPP估计和地面GPP估计超过25公里²在北部地区硬木森林站点和北方森林站点。

除了评估NPP和植被模式、远程sensing-based观察(即提供输入数据。,land cover maps, leaf area index, fPAR, etc.) to set boundary conditions in the climate models, hydrological models, and process-based ecosystem models [81年]。在基于遥感的方法提供了连续、定量观察生态系统变化在大规模,他们受到大错误,如果不予以纠正。这些错误来自大气污染的遥感信号与臭氧、水蒸气、气溶胶和其他大气成分(82年]。此外,从地球表面大气霾和散射会严重降低数据一致性(83年]。需要验证基于遥感估算全球初级生产对地面景观和区域尺度上测量。另一方面,基于遥感估算陆地NPP不隔离的不同环境和人为因素的相对贡献。因此,更好地了解陆地初级生产需要集成基于流程模型与遥感方法和验证模型的输出与实地测量(生物质库存和涡度相关测量)。

4所示。基于过程的模型模拟和预测

陆地生态系统模型提供了一个强大的工具来集成我们的理解对生态系统过程和测量/观察多尺度研究净初级生产,以应对复杂的世界中的多个环境因素(38,51,84年]。自1990年代以来,出现了戏剧性的增加使用陆地生态系统模型的NPP估算陆地生态系统在不同空间和时间尺度。生态系统建模已经从经验建模,通常认为实证生态系统变量之间的相关性和气候因素(如温度、降水、和辐射)基于流程的建模,它是能够调查多个生态系统过程的反应环境和人为因素在两个区域(51,84年,85年)和全球尺度(3,48,86年]。基于过程的模型评估和预测中发挥核心作用的初级生产力和碳循环的陆地生物圈的过去,现在和未来条件(87年]。所以et al。3)提供第一NPP估算使用基于流程模型(陆地生态系统模型(TEM))在全球范围内,重点是陆地NPP气候和大气CO的反应₂增加。从那时起,一系列生态系统模型已经开发并应用于估计NPP受多种环境因素的影响,包括气候、大气有限公司₂、氮的可用性、自然干扰、空气污染、土地利用和土地覆盖变化(84年,88年,89年]。

建模表示光合作用和陆地生物圈中自养呼吸变化模型。在基于过程的生态系统模型,修改法夸尔模型通常是用来模拟总初级生产力。我们把土地生态系统动态模型(DLEM, (51)作为一个例子来解决GPP和NPP是如何在建模方案。在DLEM,树冠分为阳光和阴影层。GPP (gC米⁻²一天⁻¹)计算扩展叶同化率(μ摩尔公司₂米⁻²年代⁻¹整个树冠): GPP的地方_太阳和GPP_阴影总初级生产力的阳光和阴影树冠,分别;和是阳光和阴影树冠的同化率;Plai_太阳和Plai_阴影阳光和阴影叶面积指数;l是一天一天白天的长度(秒)。是一个常数改变单位的μ摩尔公司₂克C。

DLEM决定同化率最小的三个限制利率,,,,函数表示的同化率有限的效率(Rubisco-limited)光合作用的酶系统,PAR的数量被叶叶绿素(light-limited),和叶出口的容量或利用光合作用的产物(export-limited) C₃分别的物种。对于C₄物种,参考PEP羧化酶羧化作用的速度有限。树冠阳光和阴影碳同化率可以估计 在哪里内部叶有限公司吗₂浓度(Pa);是啊₂浓度(Pa);是有限公司₂补偿点(Pa);和Michaelis-Menten常量的公司吗₂和O₂分别;量子效率;是吸收光合有效辐射(W·M−2);是最大的羧化作用随温度、叶氮浓度、土壤水分: 在哪里25和价值吗是一种温度敏感参数;是温度的函数相关的代谢过程;是光合作用的氮标量与叶含氮量有关。是一个函数,从1到0,代表低土壤水分和温度对气孔阻力和光合作用的影响。

DLEM自养呼吸分为维护呼吸(先生,单位:gC m⁻²一天⁻¹gC)和生长呼吸(Gr、单位:米⁻²一天⁻¹)。Gr计算通过假设吸收C的固定部分将用于构建新组织(营业额或植物生长)。在这些过程中,吸收的25%应该是用作生长呼吸。维护呼吸与表面温度和生物量氮含量(51]。NPP是这样计算的

陆地生态系统模型是重要的工具,用于合成一个巨大数量的数据,分析和预测大规模生态系统过程,并提供一个动态约束不确定性在各种各样的复杂的生态系统过程的有关问题,以及启发式线索为实证研究(90年- - - - - -92年]。这种基于流程的建模方法避免了许多森林生物量库存的局限性,涡度相关测量,和逆模型通过会计生态系统过程和空间环境因素的变化。从理论上讲,使用空间明确的生态系统建模方法为我们提供了确定气候的相关角色的能力,有限公司₂、土地利用和土地覆盖变化,空气污染,干扰地面初级生产和其他碳通量的变化。然而,这种方法也有自己的局限性,因为估计的关键模型参数的不确定性以及生态系统过程的一个不完整的理解(84年,93年]。基于流程的建模的精度估计陆地初级生产取决于比较模拟NPP在广阔的时间和空间尺度上的观测在站立或景观层面(生物质库存和涡度相关技术)和基于卫星的估计在区域和全球层面。

5。基于过程的生态系统评估模型对地面和卫星观测

模型验证是至关重要的建立生态系统模型的可信度。Rastetter [92年)的各种方法验证生物地球化学模型分为四类:对短期(1)测试数据;(2)space-for-time替换;(3)重建过去的;(4)与其他模型进行比较。评估陆地初级生产的模拟精度,验证建模GPP或NPP实验和观测数据从实地测量和生物质库存并评估对卫星估计,尽管模型相互比较。在这里,我们使用DLEM模型为例来论证如何验证和评估生态系统模型。

5.1。对通量测量数据评估

DLEM-simulated GPP是与观测数据从AmeriFlux塔在美国东南部。这些网站包括杜克森林硬木,杜克森林火炬松Shidler高草草原网站,和ARM-Southern大平原(SGP)网站。我们从区域提取GPP模拟(8公里×8公里分辨率)特定网站和涡度相关估计相比较。我们的结果表明,DLEM-simulated GPP是在良好的协议与涡度相关基于GPP森林和草原的网站(数据1(一)- - - - - -1 (d))。一般来说,模型结果很适合观察GPP杜克硬木,杜克水洼,Shidler高草除了ARM-Southern伟大的网站。ARM-Southern大普通站点是一个农田的地方测量可用于有限时间植被不是最活跃的增长时期导致表现不佳的预测模型。

5.2。评估对站和地区生物质库存数据

DLEM-simulated NPP也比站点观测数据在美国南部(SUS)。我们选择138测量multibiome森林NPP数据集出版的橡树岭国家实验室(ORNL)分布式有源档案中心。我们从区域提取模拟NPP模拟输出(8公里×8公里每像素)来匹配这些138个站点的地理信息。之间有一个好的协议的模拟和测量地面NPP(图2(一个)、斜率= 1.09)。

为目的的区域验证,我们比较DLEM模拟作物NPP与调查报告基于黄等。94年在中国在国家层面上。我们DLEM模拟NPP匹配与黄et al。(94年)观察NPP收集在中国30个省(图2 (b)斜率= 0.96,)。此外,我们比较了模型模拟国家级南部生态系统的植被碳对报道价值基于森林调查数据集(http://www.fia.fs.fed.us/)。比较(图2 (c))表明,植被碳模拟DLEM匹配的结果来自森林库存数据库1987年和1997年。

5.3。评估对卫星估计

我们评估作物NPP的时序模式在中国1982 - 2005年期间对遥感数据集(图3)。我们尤其相比模拟作物NPP与全球生产效率模型的结果(GLO-PEM), 8公里的空间分辨率和运行在一个为期10天的时间步。GLO-PEM是几乎完全由采用卫星变量,包括归一化植被指数(NDVI)和气象变量(77年,95年]。我们覆盖GLO-PEM NPP图像与年度耕地分布数据,我们之前已经开发和提取。同样的,我们获得的中分辨率成像光谱仪(MODIS)国防部17从2002年到2005年NPP和先进的高分辨率辐射计(AVHRR)从1981年到2001年NPP [4]。结果表明,DLEM-simulated NPP有相同的时间模式,相对更高的价值比GLO-PEM和MODIS国防部提供的17岁。由GLO-PEM低估的一个可能的解释可能是由于氮不纳入模型。MODIS MOD 17结果可能受到赖,往往被低估的MODIS MOD 17 (96年]。类似地,输入数据的不确定性和参数采用DLEM可能导致更高的模拟NPP;例如,我们不包括蔬菜作物类型在这项研究中,假定所有农田被禾谷类作物类型占主导地位。

我们进一步评估DLEM性能的模拟全球GPP的空间格局和NPP陆地生物圈通过比较它与MODIS产品。建模的空间格局GPP和NPP与MODIS GPP和NPP一致(图4)。然而,MODIS的算法估计NPP是农田不校准。NPP的比较测量涡度相关通量塔在中国与MODIS-estimated NPP的农田97年]表明,NPP卫星MODIS大大低估了农田,这部分解释了高估计DLEM相对于MODIS产品。

最后,作为代理的直接验证,模型相互比对可用于检查各种生态系统模型的适用性(88年]。生态系统模型彼此间不同的不同的模型结构、参数和过程控制光合碳吸收量。陆地初级生产的估计模型,因此,依靠固有的假设和模型结构的复杂性和配方。例如,先前的模型相互比较研究[88年,89年,98年]报告表示植被结构的不确定性大,土壤水分动态和生态系统响应干旱或湿度压力导致大量陆地初级生产的差异模型。虽然这些模型假设不同、结构、参数和过程表示,他们相互比较能突出模型的弱点,不一致,和不确定性,这可能为进一步改进模型提供见解。此外,他们相互比对迫使我们检查之间的交互数据,模型结构、参数设置和预测的不确定性。

6。评估陆地初级生产应对气候变化和增加大气CO₂

以往的研究强调在全球变化因素如何影响陆地跨越广阔的时间和空间尺度上的初级生产。观测证据表明,地球表面的温度已经上升了0.76°C在过去的150年里,预计将增加1.5 - -6.4°C到21世纪的99年]。历史上,降水量在1900 - 2005年期间,但不同地区之间预计每十年增加0.5 - -1%在21世纪在全球层面(99年]。这些气候变化因素会显著影响生态系统结构和功能导致生长季节延长(One hundred.),碳损失(101年),和水平衡的变化102年]。此外,研究表明,高有限公司₂有助于增强在陆地初级生产67年,103年,104年];然而,这样的增强可能会抵消负面影响臭氧的105年,106年]。尽管对流层臭氧已被视为一个重要环境因素控制陆地净初级生产,其效果取决于不同地区(105年,106年),因此可以比其他重要环境因素在全球范围内。另一个因素可能导致地面主要生产是人为氮输入的变化。氮富集主要认为刺激陆地初级生产在温带森林107年];然而,过量的氮输入可能会导致土壤酸化,养分离子浸出,从而限制植物生长108年]。因此,在本文中,我们只考虑气候变化的效应和高有限公司₂因为他们的主要影响因素是陆地初级生产在全球范围内(6,13,21]。

6.1。气候变化对陆地初级生产的影响

气候因素(即。,temperature, precipitation, and radiation) are key drivers to control changes in terrestrial primary production [38]。植物通过光合作用,吸收碳排放增长的强烈影响的温度。植物也需要从土壤中营养物质(即。,nitrogen and phosphorus), and plant responses to climate change can be substantially modified by the nutrient availability. Nutrient availability itself can also be affected by climate factors, especially temperature, because the rate of soil nutrient mineralization strongly depends on temperature. Below the optimum temperature, the activity of photosynthesis increases with increasing temperature in accordance with the Arrhenius relationship [109年]。在更高的温度下,光合作用减少由于关键酶的构象变化。这种减少是可逆的适度高温但变得越来越不可逆转的高温暴露的持续时间和强度增加(110年]。先前的许多研究表明,全球变暖导致NPP的增加(13,111年]1982 - 1999年期间,尤其是在北部高纬度的生态系统。在低纬度地区,长期NPP模式的变化主要是由阳光和降水colimitations控制。

降水的时空模式也至关重要的陆地生态系统过程(38]。道等。112年)表明,降水是关键因素决定的空间分布和时间趋势NPP 1981 - 2000年期间在中国。赵和运行6)建议减少全球的NPP 0.55 Pg C由于大规模的干旱,特别是在南半球,NPP下降抵消增加的NPP在北半球。然而,波特et al。21)发现了一个增加的趋势在全球NPP由于快速的变暖趋势缓解热量限制在北半球高纬度生态系统期间2000 - 2009。此外,14个生态系统模型比较表明,水资源是NPP的主要限制因素在全球陆地生态系统模型113年]。

虽然政府间气候变化专门委员会(IPCC, 2007年)报道,地球温度预计将增加在21世纪能够很大程度上改变生态系统结构和功能,目前尚不清楚地面初级生产将如何应对未来气候变化。歌等。114年),使用一个动态土地生态系统模型,预计增加GPP和NPP 0.6 KgC m−2年⁻¹和0.2 KgC米⁻²年⁻¹分别在2000 - 2099(图5在美国东南部)。在全球范围内,Sitch et al。115年预计全球NPP四老场景(A1FI A2、B1和B2)使用五个全球动态植被模型(DGVMs),发现减少陆地NPP由于气候。而五应对气候模型显示差异,所有模型导致减少在热带地区NPP和extratropics。这些结果表明,气候对陆地NPP变化的估计效果取决于发射场景和模型结构和参数用于模拟植物对全球变化的生理反应。

虽然库存和基于卫星的方法提供的估计陆地初级生产在全球范围内,这些方法不允许我们单独的气候和提升公司的影响₂。例如,赵和运行6)发现,在南半球干旱等极端事件导致陆地NPP的下降,而波特et al。21报告增加NPP期间2000 - 2009。然而,这些研究不一定指定这样的下降是由于特定的气候因素或气候和提升公司的组合₂或其他环境的司机。在全球范围内,气候在缺乏高有限公司₂减少陆地NPP,加倍有限公司₂浓度变化的气候条件下全球NPP增加了25% (37]。

6.2。有限公司₂对陆地初级生产的影响

植物的主要反应升高大气CO₂浓度增加光合作用和减少气孔导度(116年]。气孔调节起着关键作用的水通过蒸腾作用和公司损失₂吸收光合作用和植物生长。为了优化公司₂吸收水和损失在快速变化的环境条件下,植物进化出了控制气孔导度的能力以应对多种环境因素如太阳辐射、温度、VPD及风速。机械的方案已经由法夸尔et al。109年)来描述叶级光合作用反应有限公司₂。球(117年]发达Ball-Berry经验模型来描述行为的气孔导度水蒸气作为环境条件和净光合速率的函数。这两个方案已广泛应用于现有的基于流程的模型来描述植物应对有限公司₂增加。

植被/生态系统建模和分析项目(VEMAP)分析了NPP的反应公司翻了一番₂从355年到710年之间ppmv三个生物地球化学模型和发现,对美国相接的,翻了一番大气CO₂导致NPP增加5 - 11% (10]。王等人。118年]生态系统动态的地理模型用于探索全球碳存储对大气变化的敏感性有限公司₂和气候;结果表明,大气CO的一倍₂从280 ppm到560 ppm增强平衡全球NPP 16.9%。在一个类似的模型相互比较研究使用五个全球动态植被模型(DGVMs) Sitch et al。115年)发现,气候和大气的互动有限公司₂增加了四个不同的陆地NPP sr场景在21世纪。

我们还DLEM-simulated NPP和GPP与先前的研究相比(表1基于观测、遥感、和其他基于过程的模型。DLEM模拟全球GPP包括116年⁻¹对2010年的范围包括109 - 119年⁻¹基于先前的研究。同年,DLEM模拟全球NPP 56.5包括年⁻¹比的范围包括44 - 66年⁻¹估计之前的研究。虽然大多数以前的研究(表1)是基于不同的方法,他们有自己的局限性的实地测量,精度与卫星的估计,和生态系统模型的准确性。例如,卫星测量大气化学变化很敏感。同样,生态系统模型结构的复杂性缺乏获取地下的过程(119年]。因此,有必要整合野外观察,基于卫星的方法和生态系统模型准确地量化陆地跨越广阔的时间和空间尺度上的初级生产。

6.3。估算陆地初级生产的不确定性

多种方法估算和预测陆地初级生产导致多元化的结论(表1)。不确定性的估计可能出现陆地初级生产力从输入数据集(气候、土地利用等)和库存数据集(模型校准和验证)以及模型结构本身。17模型的分析表明,全球NPP范围从39.9到80.5 Pg C [40]。许多因素如模型结构、参数输入数据,扩展可能负责如此大的不确定性。不确定性的一个主要来源是可用的库存NPP模型参数化数据集,校准和验证(120年]。NPP是在情节或字段的尺度上可能不能代表0.5°的NPP 0.5°网格单元由全球范围内常用的模型。因此,直接获得字段数据之间相互比较不同的研究或比较这些结果与粗分辨率模型可能会误导人。模型相互比较,所有的模型报告结果为0.5°0.5°网格大小,没有合适的和一致的领域NPP可用,因为大多数测量是进行小范围从< 1到几公顷(15]。可用库存数据集的第二个问题是地下的生物量测量。地下的生物量通常不是衡量而是估计使用标准的公式。这可能提供误导的结果。Lauenroth et al。121年)报道,相关的不确定性的估计NPP变化显著影响的输入数据。例如,由于更大的可变性在现场测量地下的数据比在地面上的数据,估计地下的NPP倾向于有更多的不确定性比地上NPP的估计。因此,缺乏可用的输入数据集提供了一个重要的不确定性模型,估计NPP在全球范围内使用粗分辨率网格的大小。

除了库存NPP模型校准和验证数据集,输入数据集,如土地利用和气候的其他来源的大多数模型的不确定性。在全球范围内,影响可能是很小的土地利用与气候和气象数据集(122年]。荣格et al。122年]估计GPP使用不同的土地覆盖地图、空间土地覆盖决议,气象数据集,和基于流程的陆地生态系统模型。他们的结果表明一个明确的层次结构的影响:一个小的影响使用不同的土地覆盖地图,有点高,但仍相对较小的影响空间分辨率土地覆盖,由于气象变化迫使很大影响,最大的影响通过使用不同的模型。通过这种方式,模型结构提供了最大的陆地初级生产力的不确定性。

模型,估计的不确定性的NPP来自不同生态过程的表征模型。因为陆地生态系统的组件和它们之间的相互作用是复杂或不清楚,简化的假设必须在数值模型来描述它们。不同的建模策略可能采用不同的简化假设,导致不同的模型复杂性和行为。模型的不确定性很大,无论是基于参数和模型结构的不确定性。模型的范围可以从简单的、经验、净初级生产力与气温和降水的相关性(例如,123年])的详细模型与详细的生物化学(例如DLEM LPJ, CLM)。

最近的研究表明,模拟碳吸收量总值的年际变化的主要不确定因素密切相关的方式,如果生物地球化学循环(二氧化碳、水和氮气)交互模型中控制他们对气象条件的敏感性(122年]。观察到的森林GPP和年平均温度之间的关系是密切相关的一个相应的梯度氮的可用性(124年]。因此,准确的相互作用模型表示碳,氮,和水周期的关键是减少不确定性在模拟陆地初级生产51,125年]。

7所示。对多尺度观测和模型模拟的综合

在大尺度上的NPP估算,没有上面提到的方法可以只填写我们的理解的差距。实验和观察总是在特定的范围内进行。多尺度实验和观测提供数据但不能够量化的潜在机制的变化在陆地初级生产受多种环境因素的影响。同时,建模研究发展通过集成的更好的理解和更表示生物和非生物过程。为了提供诊断、量化和归因的多尺度陆地初级生产在全球范围内,这是急需合成各种观测数据和模型输出在不同空间尺度上从全球站点地区和时间步骤从天到十年。更具体地说,(1)共同推动数据库需要发展的环境变化和驱动模型。数据库包括时间序列位点和网格气候、大气成分、土地利用/土地覆盖变化,和土地管理实践和辅助数据集在海拔,斜坡,方面,植被类型、土壤属性,等等。(2)大小、空间和时间模式陆地初级生产需要量化的各种方法和数据集,包括定位通量测量区域库存,MODIS-derived GPP / NPP和模型模拟multimodel的方式。(3)基于模型评价和相互比较,多个模型仿真实验需要进行区分和控制流程,以确定他们的相对贡献随时间和空间变化而变化。多尺度综合的努力需要提供有用的信息,以反映陆地初级生产的状态,这可能显示气候系统进一步的反馈,以及改善我们的理解机制负责陆地初级生产。 (4) Multiple approaches lead to diversified conclusions in terms of quantification and attribution of terrestrial primary production. Therefore, assessments of uncertainty will be an integral part of any synthesis project. In particular, uncertainties associated with each input driving dataset, model structure, parameters, scaling, and measurement need to be addressed. We expect that such a multiscale synthesis will provide a systematic assessment on terrestrial primary production and its driving forces at varied spatial scales.

此外,我们生活在人类世的新世界的人类活动已经改变了地球的生物圈132年,133年]。土地利用变化等人类活动一直是一个主要因素影响大小,空间和时间模式的全球陆地初级生产。从科学和政策的角度,因此,它是至关重要的社会经济组件合并到陆地生态系统模型更好的估计和预测陆地初级生产在不断变化的全球环境。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究支持了NSF年代际和区域气候预测使用地球系统模型(ags - 1243220, NSF动力学耦合的自然和人类系统(1210360),NSF计算机和网络系统(cns - 1059376),美国国家航空航天局土地覆盖/土地利用变化程序(NNX08AL73G_S01)和美国国家航空航天局跨学科的科学项目(NNX10AU06G NNX11AD47G)。