中国草地作为典型的生态系统类型,对维持自然生态系统格局、功能和过程具有特殊的生态意义。草地生态系统生产力结构和碳储量核算研究是当前全球变化背景下的热点问题,其中,相关研究在北方温性草地和青藏高原高寒草地开展较多,而面向南方草地相对较少或仅在南方的部分样地进行。本文以南方草地为研究对象,根据IGBP的植被分类方案和改进的草原综合顺序分类法将南方草地科学分类,区分不同的草地类型,研究时空分布特征；同时,以MODIS数据和其它气候数据作为数据输入源,驱动综合顺序分类指数模型、CASA模型、GLO-PEM模型、LPA模型和BIOME-BGC模型对南方草地生态系统生产力(NPP、NEP)的时空格局进行模拟估算,并且从源汇关系、土地利用与覆盖变化、放牧及水热影响等方面开展研究；最后,通过分析NDVI与生物量之间的关系建立模型对研究区不同类型草地的碳储量进行核算。通过四年的研究,取得了如下研究结果：(1)土地利用变化对林草生态系统分布存在较大的影响。在1990年～2010年20年间,张家港农用耕地显著减少,从1990年的4.45×104ha下降到2010年的3.55×104ha,减少了20.2%；城镇用地从1990年的3.0×104ha增加到2010年的3.4×104ha,增加13.3%；林草地从1990年0.5×104ha下降到2010年的0.4×104,减少了20.0%,道路交通用地也逐期增加。表明张家港的城市化进程在加快,正由一个农业为主的城市转变为一个新兴工业城市,是人口因子、政策因子、经济增长因子、农业结构调整因子、交通因子等多种因素综合作用的结果。林草生态系统是结合南方中小城市的实际特点的一类特殊的土地覆盖类型,从土地利用变化强度分析,林草地的利用变化强度1990年～1995年、1995年～2000年、2000年～2005年3期都是负值,而2005年～2010年林草地的利用变化强度为正值,表示林草地利用朝积极地保护利用的方向发展,面积较以前有一定程度地增加,将是全球变化研究领域的一个重要碳汇区域。(2)土地利用变化对张家港生产力结构变化具有较大的影响。在张家港的城市化进程中,由于土地利用和土地覆盖方式的改变损失了大量的NPP,城市区域年净初级生产力以较大幅度减少；林草生态系统的NPPlucc较低,农业用地由于灌溉、施肥、田间管理等,导致其具有比潜在NPP更高的生产力,在所有用地类型中NPPlucc最低。张家港市的NPPlucc在城乡梯度上的变化呈现出从城市中心到农村纵深地区逐渐下降的趋势,其中在城乡结合部位、在农村工业区有2个上升的峰状突起。研究认为,可通过政策管理措施和工程技术手段,改善对自然生态系统的干扰,进而减少由于土地利用／覆盖变化和人类活动对周边植被干扰造成的NPP损失,是降低人类社会对净初级生产力的占用的可行途径,也是解决人们广泛关注的生物资源耗竭性问题与可持续发展问题的有效手段。(3)江苏草地资源动态变化监测研究。依据草场分布可划分为北部丘陵、宁镇扬丘陵、宜溧丘陵山地和东南沿海4个区域；20年间,江苏草地面积减少了75477.18ha,约占18%；草场类型主要有草甸类、草丛类、灌丛类、灌木林类、疏林林类、盐生草甸类、林下草场和农林隙闲地类草场,与1984年相比,以草甸类、草丛类、灌丛类、农林隙闲地草场面积变化幅度最大,呈现减少趋势,疏林草地和盐生草甸类呈现微降趋势,灌木林类草场基本保持不变,林下草场稍有增加；牧草的适口性及营养指标较80年代有所下降。在载畜量方面,当前测算的125984.5头黄牛单位平均载畜量比80年代调查的全省天然草场可载畜183657.7头黄牛单位明显减少,减幅达31.4%。江苏草地是南方草地资源的重要组成部分,研究江苏草场资源的变化及成因分析对整个南方草地的研究具有一定的参考价值。(4)不同放牧利用强度对安徽山地草原化草甸的光合与呼吸作用的影响明显不同。轻度放牧草地的净光合速率>围栏草地>中牧>重牧,不同放牧利用强度的净光合速率日变化均呈双峰型,上下午各出现一个峰；随着采食压力的增加,光合速率的上午高峰会相对推迟,轻牧与围栏的高峰值一般在上午8：00左右到达,而中牧利用方式下的峰值在9：00左右到过,重牧利用方式下的峰值则在10：00左右才能到达；与光合速率相对不同的是,不同放牧利用强度草地的光呼吸速率以轻度放牧>围栏>中牧>重牧,日变化特征呈现先升后降的单峰型变化,且峰值均出现在下午1：00左右。分析原因,光合速率主要与光合有效面积、光强及光合酶活性等有关,而光呼吸速率主要与呼吸底物和环境温度存在关系。在南方山地草原化草甸开展放牧管理措施对光合与呼吸作用的影响研究对碳循环的放牧响应、资源的合理利用和草地的科学管理等方面具有重要的意义。(5)利用改进的综合顺序分类法对南方草地进行分类研究。对传统的草地综合顺序分类法进行改进,保持湿润度K的级数不变,将大于0℃的年积温由原先的7级变为5级,将原先的寒温与微温两个热量级合并为一个热量级,将暖温与暖热两个热量级合并。将南方草地主要分为冻原草地类组、草原草地类组、灌草混交草地类组和山地草甸草地4个类组和亚热灌草混交草地、山地草原化草甸、温性草甸、亚热林灌混交草地、典型山地草甸、森林草原、多雨冻原、山地林草甸、稀疏灌丛等9个类。与原先的综合顺序分类法相比,改进的草地综合顺序分类法更加适合南方地区的具体情况,将原先的南方大部分常绿阔叶林地区分为了常绿阔叶林和灌草混交草地类组及山地草甸草地类组。本研究在实践中进一步推进了草原综合顺序分类法的发展,对南方草地的类型划分与面积确定具有重要的意义。(6)利用综合顺序分类指数模型对南方草地生产力结构进行了模拟核算。NPP分布呈现自东向西,自南向北的下降趋势,南方NPP低值区(<700gC.m-2.yr-1)主要分布在青藏高原的东南部、四川北部,NPP中值区(700～1200gC.m-2.yr-1)主要分布在江苏、安徽、湖北的北部以及青藏高原东南部、四川、重庆南部、云贵高原的部分地区。南方地区较为广阔的地区NPP值大于1200gC.m-2. yr,这些地区包括,江苏、安徽、湖北、云南、贵州的南部和江西、浙江、福建、广东、广西、海南、台湾的全部地区。这在一定程度上验证了NPP的分布与地区水热条件有着密切的关系。在NPP总量方面,草原草地类组最大,为48.44TgC,占南方地区草地NPP总量的70.76%；灌草混交草地类组的NPP总量次之,为16.54TgC,占南方地区草地NPP总量的24.17%,山地草甸草地类组的NPP总量为3.22TgC,占南方地区草地NPP总量的4.70%；冻原草地类组NPP总量最小,为0.25TgC,仅占南方地区NPP总量的0.37%。(7)利用CASA模型对南方草地的生产力结构进行了模拟核算。2001年南方地区草地生态系统平均NPP为266.75gC.m-2.yr-1,2010年为149.71gC.m-2.yr-1,2001年南方草地净初级生产总量为0.22Pg,2010年为0.11Pg；10年间只有四川、云南和青藏高原东南部的部分地区NPP呈现增加的趋势,其它大部地区的NPP呈现减小趋势。空间格局上,海南省平均NPP最大,为402.68gC.m-2.yr-1,其次为云南省,为325.44gC.m-2.yr-1,再次为福建省,为315.79gC.m-2.yr--,西藏自治区东南部NPP最小,仅为188.89gC.m-2.yr--;草地类型上,稀树草原NPP最大,其值为228.11gC.m-2.yr-1,其他依次是多树草原、典型草地、湿地草地、稀疏灌丛,NPP值分别为213.19,204.40,201.66,177.53gC.m-2.yr-1;在NPP总量方面,多树草原最大,为68.52TgC,典型草地次之,为44.00TgC,其他依次是稀树草原、稀疏灌丛和湿地草地,分别为13.89,11.47,1.88TgC,如此较大差异与不同草地类型的分布面积直接相关。研究对明确南方地区草地碳源/汇关系起到重要的作用。(8)利用GLO-PEM模型对南方草地的生产力时空格局进行核算。1981—2000年的20年间,云贵高原、广东、广西、海南等地是NPP最高的地区,最高可达2500gC.m-2.yr-1左右,云贵两省的北部、湖南、湖北、浙江等省的草地年NPP一般介于800～1200gC.m-2.yr-1,青藏高原东南部和四川西北部的草地年NPP相对较低,一般介于2500gC.m-2.yr-1左右；在时间格局上,NPP年均总量具有增加的趋势,尤其是1981—1990年,增加趋势较为明显(R2=0.469),20年间平均值为0.758PgC.yr-1;草地类型上,不同类型的草地年平均NPP差异较大,最高的是湿地草地和稀树草原,分别为1192.85gC.m-2.yr-1和1136.65gC.m-2.yr-1,其次是多树草原,为1087.47gC.m-2.yr-1,典型草地和稀疏灌丛的年均NPP相对较低,分别为708.91和689.42gC.m2.yr-1。模拟结果较为可靠,与实测值之间存在较大的相关性(R2=0.8361)。研究明晰了南方不同类型草地的生力格局,是中国草地资源碳源汇关系研究的重要组成部分。(9)利用LPA模型核算了南方草地的净初级生产力分布特征。2010年南方地区草地NPP平均值为389.14gC.m-2;进一步分析NPP最大的区域位于长江流域沿线、云贵两省的南部以及南部沿海地区,此区域的NPP最大值一般大于800gC.m-2.yr-1, NPP的区域较小的区域主要位于青藏高原的东南部部分地区,其值一般不超出200gC.m-2.yr-1;经实测验证并与其它模型模拟结果进行比较,说明LPA模型是一种适合草地NPP估算研究的模型,模型精度较为合理；将NPP值与水热因子进行相关性比较,发现在南方地区,草地NPP与年均温度的相关系数(r=0.5025)大于与将降水量的相关系数(r=0.3449),说明限制南方草地NPP的主要因子是温度,这与南方地区的降水相对充裕有一定关系。LPA是一种全新的遥感参数模型,结合了一些NPP估算模型的优点,尤其适合草地的生长发育特点。(10)利用改进的BIOME-BGC模型核算了2001—2010年南方草地NPP、NEP。山地草原化草甸NPP、NEP平均值分别为357.17和3.25gC.m-2.yr-1:典型草山草坡样地NPP、NEP平均值分别为232.4gC.m-2.yr-1和21.28gC.m-2.yr-1;典型山地草甸样地NPP、 NEP平均值分别为191.96和81.96gC.m-2.yr-1。3种类型草地NPP、NEP与温度之间存在显著的相关关系,与年平均降水量之间未发现明显的相关关系。未来气候情景C1P-1T1下(CO2浓度倍增,年均温增加2℃,降水减少10%),山地草原化草甸样地NPP增加26.93%,NEP增加160%；典型草山草坡样地NPP增加62.20%,NEP增加153%；典型山地草甸样地NPP增加135%,NEP增加206%。研究进一步明晰了南方不同类型草地的碳源汇关系,预测了未来可能气候情景下的碳循环特征。(11)通过遥感参数建模的方法,对南方不同类型草地的碳储量进行了初步核算。利用IGBP的土地覆盖分类方案,估算出研究区草地面积为729136km2,其中最大的是多树草原面积为390371km2,占53.54%,其次是典型草地(38.90%),其它依次是湿地草地、稀疏灌丛和稀树草原,分别占总面积的3.96%、2.16%和1.45%；通过模型估算的南方各类型草地的生物量碳密度分别为198.87、244.35、237.72、174.60、178.57gC/m2；总碳储量为155.69TgC,其中稀疏灌丛生物量碳储量为3.13TgC,占总碳储量的2.01%；多树草原生物量碳储量为95.39TgC,占61.27%；稀树草原为2.51TgC,占1.61%；典型草地为49.52TgC,占27.41%；湿地草地为5.15TgC,占2.80%。我们认为论文的主要创新之处：一是围绕南方草地资源时空分布特征、分类、生产力变化(包括NPP和NEP)及其影响因子(土地利用变化和放牧管理)、碳储量的核算进行了碳系统生态学的集成研究,在国内外首次解决了南方草地的生产力与碳储量核算及影响因素评价等基础科学问题；二是面对传统的草地综合顺序分类法将南方区域基本上全部分为森林,不能分类出现实存在的各类型草地的情况,本文将传统的综合顺序法进行了改进,改进后的草地综合顺序分类法将南方草地分为4个类组和9个类。改进后的草地分类结果与南方草地的实际情况更加接近,可以与IGBP的土地分类方案互为补充和验证。三是利用5种不同的模型对南方草地NPP的时空分布格局进行模拟分析,结果之间横向比较,筛选出LPA模型为适合草地上应用的模型；同时利用BIOME-BGC模型对南方3种不同类型草地NEP进行模拟,并结合IPCC未来气候情景分析了不同情景下NPP与NEP的变化趋势。总之,借助遥感数据产品和信息技术软件,利用数学模型对南方草地资源时空分布特征、类型、生产力结构和碳储量进行了初步研究。