国家生态数据中心资源共享服务平台

国家生态科学数据中心在生态观测网络空间代表性和生态系统呼吸升尺度方面取得研究进展

：数据中心
：2023-01-19

生态观测网络的空间代表性描述了在一定空间内进行的观测对空间内实际条件的反应程度。量化观测网络空间代表性的强弱能够体现该观测网络重现观测区域内研究对象及其驱动因素的空间特征或过程的能力，代表性越强表明重现能力越强。通过对现有观测网络的代表性开展定量评估并对新增观测站点进行合理设计，可提高该观测网络空间代表性并使得新观测网络布局达到最优化。此外，为保证生态观测网络能够观测区域内生态系统的碳水通量时空变异特征，生态观测数据从站点到区域进行尺度扩展的前提是该观测网络具有较高的空间代表性。

国家生态科学数据中心何洪林研究团队结合国家现有的生态地面观测站基础，基于自主研发的CEVSA-ES模型模拟的长期生态系统功能指标，首次提出通过定量评估空间代表性和异质表面均值估计法建立及优化我国陆地生态系统综合监测站和定位监测点两级地面生态监测站系统。研究成果发表在地学领域国际主流期刊Science of The Total Environment（IF：10.753）。

结合我国各个部门生态地面观测网络（包括中国科学院中国生态研究网络生态站（CERN）、国家生态系统观测研究网络（CNERN）、生态环境部生态监测站网、中国森林生态系统定位研究网络（CFERN），图1），按照森林、草地和荒漠生态系统类型，针对中国陆地生态系统净初级生产力等生态系统功能指标，使用基于像元方法定量评估和提高我国现有生态系统长期定位台站的空间代表性提出综合观测站优化布局方案；然后基于主导生态功能使用异质表面均值估计法对定位观测点进行优化；最终利用专家知识决定地面观测网络中需要增加的综合观测站和定位观测点的数目和位置。

图1 我国现有主要生态地面观测站点分布图

按照上述设计方案，中国陆地生态系统监测网络共布局60个综合监测站和176个定位监测点，共计236个站点。其中森林生态系统共布局39个综合观测站，其中31个来自现有监测网络（图2），建议在尚未布局的青藏高原高寒植被区和温带荒漠区，以及现有台站空间代表性较差区域（温带草原区和热带雨林季雨林区）布设8个台站(1, 3, 2, 2)。布局优化后前三个生态区空间代表性分别提高了51.58％、68.11％和75.55％。草原和荒漠生态系统布局21个核心站，其中18个来自现有监测网络，建议在尚未布局的南方草山草坡区和站点分布稀疏的青藏高原区布设3个台站(1, 2)。布局优化后代表性分别提高了21.60%和44.88%。

图2 中国陆地生态系统地面观测网络布局优化图

在考虑空间代表性的基础上，团队还以生态系统呼吸（RE）为例进行尺度扩展，使用分布于中国高寒和温带草地的18个通量站点数据（图3）估算中国北方草地生态系统呼吸。生态系统呼吸（RE）在陆地碳循环中起着关键作用，RE区域尺度的估算对于理解气候变化与碳动态之间的相互作用至关重要。以往研究的过程模型及半经验模型等多未考虑呼吸作用的时空关系，而时空关联性对于模拟生态系统碳循环非常重要。

图3 中国高寒和温带草地的18个通量站点

研究采用了考虑时空注意力机制的GEOMAN模型，并将土壤因素加入到模型中，突出了土壤因素的重要作用。GEOMAN将长短时记忆神经网络LSTM和注意力机制相结合，在学习时空关联性的同时可以获取不同时间和驱动变量的相对重要性。GEOMAN与其他传统机器学习模型和半经验模型相比有效地提高了中国北方草地生态系统呼吸的估算精度（R²提高1.16%-38.09%，RMSE降低17.02-68.29%）。研究成果发表在地学领域国际主流期刊Remote Sensing（IF：5.349）。

研究结果表明，2001-2015年中国北方草地年平均RE为366.53 g C m^-2 yr^-1，空间异质性明显。然而，15年RE的空间格局没有显着变化。青藏高原高寒草原年平均RE为467.44 g C m^-2 yr^-1，呈现出由东南向西北明显递减的梯度。内蒙古温带草原年平均RE为 270.43 g C m^-2 yr^-1，表现出从东北向西南明显递减的梯度。统计结果表明矮嵩草草甸和典型草原的生态系统呼吸占中国北方草原呼吸总量的60%以上。

图4 2001-2015年中国北方草地RE空间分布（a）和中国北方草地多年平均RE分布（b），7种草地亚型的年平均RE大小以及占总RE的面积加权百分比 (c)。

2001-2015年，中国北方草原的RE以1.81 g C m^-2 yr^-1的速度增加。青藏高原高寒草地RE以2.36 g C m^-2 yr^-1的速度增加，高于内蒙古温带草原1.28 g C m^-2 yr^-1的增加速度。通过进一步分析了2001- 2015年7种草地亚型中RE的增速发现增速最大的是灌丛高寒草甸，而荒漠草原具有最小的RE增速。青藏高原草地RE增幅大于内蒙古温带草原的RE增幅，说明青藏高原在全球气候变化背景下具有更强的反馈响应。

图5 2001-2015年中国北方草地RE的年际动态（a）和7种草地亚型RE增长率（b）。