基于植物生理生态过程-遥感耦合模型的长江口湿地植被生产力动态研究

Natural coastal wetlands have been identified as the valuable carbon sinks. To accurately estimate the primary productivity of plants in wetlands is important to studying the biogeochemical cycle of carbon, and the combined consideration on eco-physiological characteristics and spatio-temporal dynamic distribution pattern of different types of vegetation is the developing trend of research on regional primary productivity of plants. This project will take Yangtze estuarine wetland and the typical saltmarsh vegetation - Phragmites communis (native C3 grass) and Spartina alterniflora (introduced C4 grass) as the research objects. .Based on the controlled experiments (according to water tables and salinity variations of different types of tidal flat) and field survey, the aims of this study are (1) to investigate the eco-physiological mechanism processes of photosynthetic enzymatic responses, autotrophic respiration, carbon fixation and biomass allocation of Phragmites communis and Spartina alterniflora, as well as the adaptive mechanism of eco-physiological processes to the treatments of water table and salinity, (2) to construct, parameterize and validate a process-based productivity model with C3 and C4 eco-physiological processes under different treatments of water and salinity, (3) based on the information extraction (construction features of wetland) and parameter retrieval of vegetation season-phase characteristics (LAI etc.) of Phragmites communis and Spartina alterniflora, to analyze the driving mechanism of spatio-temporal dynamics of primary productivity of the typical plants in Yangtze estuarine wetland, by the adaptive features of eco-physiological processes scaling from individual to community and to region, based on the integration and optimization of "process-remote sensing" model. This project looks forward to order to providing a scientific basis for the conservation strategies on capacity of carbon sink in eastern coastal wetlands of China.

滨海湿地具有较高的碳汇价值，准确评估湿地植被初级生产力是研究生态系统碳循环过程的关键环节，而结合不同植被类型的生理生态学特性与时空分布格局动态是区域性植被初级生产力研究的发展趋势。本项目以长江口湿地及典型盐沼植物-芦苇（土著C3植物）和互花米草（外来C4植物）为研究对象，根据不同潮滩类型的水位与盐度条件设置控制实验和野外观测，1）研究完整生命周期的植物光合酶促作用、自养呼吸、碳固定和生物量分配等过程，及其对不同实验处理的适应机理；2）构建基于C3和C4植物生理生态过程的生产力模型，并针对不同水/盐条件下的芦苇和互花米草进行模型参数化与验证；3）采用多源的遥感数据进行信息提取和植被季相参数反演，耦合并优化"植物生理生态过程-遥感"模型，根据"个体-群落-区域"尺度上植物生理生态过程的环境适应特征，研究互花米草引入以来（自2000年），长江口湿地典型植被初级生产力的时空格局动态及其驱动机制。

滨海湿地具有较高的碳汇价值，准确评估湿地植被初级生产力是研究生态系统碳循环过程的关键环节，而结合不同类型植被的生理生态学特性与时空分布格局动态是生态系统初级生产力研究的发展趋势。本项目以长江口湿地典型盐沼植物-芦苇（土著C3植物）和互花米草（外来C4植物）为研究对象，根据不同潮滩类型的水位与盐度条件设置控制实验和野外观测，开展了“滨海盐沼湿地不同植被光合固碳能力差异及其对环境因子的响应”、“基于植物生理生态过程的盐沼湿地初级生产力模型构建”、“植物生理生态-遥感耦合模型与区域初级生产力时空格局动态”、“潮间带植被群落-物理环境相互作用机制”等研究。并额外开展了“长江口滨海湿地碳储量时空格局研究”和“海平面上升对滨海湿地的影响及脆弱性评估”等工作。.本研究通过测定不同盐度处理下植物气孔导度、光饱和净光合速率、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶最大羧化效率、最大电子传递效率、磷酸烯醇式丙酮酸羧化效率（C4植物），以及生物量生长等指标。结果显示，互花米草的净光合速率高于芦苇。随着盐度的增加，芦苇光合速率显著降低（在15‰盐度下降约30%，在30‰盐度下降约50%）。互花米草对盐度的耐受性较高。因此，在长江河口咸淡水交界处较适合互花米草的生长，但并不属于芦苇的最适生长区域。.本研究通过涡度相关通量监测和C3/C4植物“气孔－单叶－植株－冠层－群落”尺度光合固碳模型，辨析了我国滨海湿地典型土著物种和外来物种光合固碳能力及对环境压力的耐受性，进而通过“生态过程－区域遥感”耦合建模技术，在景观尺度上反演了滨海湿地初级生产力的时空格局动态。研究结果指出，互花米草已经成为长江口滨海湿地植被初级生产力的优势贡献者（> 60%），并可能长期显著地影响湿地的碳循环过程，盐沼湿地初级生产力格局受到植被结构组成、气候因子和潮滩水文特性的综合影响。.本研究自主研发了基于过程的滨海湿地时空动态模型，验证了滨海湿地盐沼植物生命周期过程（种子库形成、种子萌发、次生苗扩散及定居、营养体和繁殖体生长）与湿地物理环境因子（潮水动力、泥沙沉积、水淹胁迫）的相互作用机制。在此基础上，构建了气候变化影响下长江口滨海湿地生态系统脆弱性评估模式，筛选出适用于长江口滨海湿地脆弱性评估的指标体系，给出了脆弱性计算方法并进行了空间评价分析。该研究针对国家应对气候变化的重大需求，为保障海岸带生态系统安全提供了科学依据。