新疆作为我国典型的干旱与半干旱地区,其植被受气候变化和人类活动干扰影响最为敏感。而草地是新疆最重要的植被类型,其面积位居全国第三位。在全球变化及其区域响应研究热潮下,草地作为碳汇的功能逐渐浮现在公众的视线。为系统的研究新疆植被和草地生产力的时空变异特征及其对气候的响应特征,明晰人类活动和气候变化两大驱动因子的相对作用以及未来气候下其碳源汇变化特征,并为草地土壤碳库的估算提供新的技术手段。本文分别借助实测样地的高光谱数据进行了地面草地光谱特征、地下土壤有机碳的估算研究,同时利用基于卫星遥感数据—MODIS数据的CASA模型对新疆植被和草地生产力的时空分布、影响因素(土地利用变化、气候波动)、及其气候响应进行了系统研究,并对两大驱动因子—气候变化和人类影响对植被生产力的相对作用进行了定量的评估和有效区分。并借助BIOME-BGC模型对新疆3类草地生态系统生产力(NPP、NEP)的时空格局进行模拟估算,并且从源汇关系角度和未来气候变化情景下分析了该3类型草地生态系统生产力(NPP、NEP)的响应特征。通过三年的研究,取得了如下的研究结果:(1)基于高光谱技术,对新疆3种主要草地类型进行了实地光谱测量,并结合导数光谱变换技术,分析和比较了 3种草地类型的光谱反射特征和不同草地类型的植被指数特征。在可见光波段,干荒漠类草甸植被,除角果黎外,其冠层反射率要低于低地山地草甸和蒿属荒漠草地。而在近红外波段,角果黎、骆驼蓬、梭梭冠层光谱反射率明显高于低地山地草甸植被和部分蒿属荒漠草甸植被。同一类型草地中,由于植被类别间的差异以及叶片内部结构的不同,冠层光谱反射率差异较大。3类草地类型不同植被的红边特征参数表现为干荒漠类草甸的梭梭红边位置最高,低地山地草甸的博洛塔绢蒿红边位置最低;蒿属荒漠类草甸的骆驼蓬的红边斜率和红边面积最大,低地山地草甸的苔草红边斜率和红边面积最小。对6种代表性的植被指数分析得出,PRI、OSAVI、MCARI指数均表现为蒿属荒漠类草甸<低地山地草甸<干荒漠类草甸。NDVI植被指数则表现为低地山地草甸最大,而干荒漠类草甸最小。GNDVI指数表现为低地山地草甸最大,蒿属荒漠类草甸最小。高光谱遥感对于草地植被的分类监测和遥感反演等具有重要的意义。(2)新疆草地植被NPP空间分布特征受区域水热条件的制约,草地植被大体上呈现出由北向南依次出现高山与亚高山草甸、平原草地、草甸、荒漠草地和高山与亚高山草地,其NPP也逐渐由395gCm-2a-1减少到接近0gCm-2a-1。10年间,新疆草地NPP总量平均值为56.47TgC。新疆不同草地类型的NPP存在较大差异。其中,草甸的平均NPP最高,为155.29gCm2a-1;荒漠草地的平均NPP最低,为57.68gCm2a-1;总体表现为草甸>高山与亚高山草甸>平原草地>高山与亚高山草地>荒漠草地;新疆地区草地植被NPP整体水平较低,其中,高山与亚高山草甸、平原草地和草甸属于较低生产力的生态系统;而荒漠草地和高山与亚高山草地则属于最低生产力的生态系统。新疆主要草地植被6-8月NPP占全年NPP的63.17%。不同草地类型的平均NPP月际变化差异较大,均在7月达峰值。前7个月平均增长速度最快的是高山与亚高山草甸,最慢的是高山与亚高山草地;后5个月平均下降速度最快的是草甸,最慢的是荒漠草地。除草甸呈增长趋势外,其它4种草地类型的平均NPP总体上表现出一定的下降趋势,其中,平原草地的平均NPP下降速率最快。全区草地植被NPP总量在2007年达最高值,为60.21 TgC a-1,最低值出现在2006年,为53.41 TgC a-1。草甸是新疆5种草地类型中NPP总量唯一呈逐渐增长的草地类型,而其它4种草地类型均呈现下降趋势,其中,平原草地的NPP总量下降速率最快。近10年来,新疆全区草地植被总NPP的年际变化较大,有进一步下降趋势。(3)2001-2010年新疆自治区草地植被净初级生产力(NPP)的时空变化特征及其对气候变化的响应特征分析研究。2001-2010年新疆全区草地NPP总量呈波动减少的趋势,年平均减少值为0.225 TgC a-1,全区草地平均NPP在100.05-112.78 gCm-2 a-1 10年平均NPP总量为56.47 TgC a-1,单位面积NPP多年均值为105.79 gCm-2 a-1。10年间,新疆草地NPP总体上呈减少趋势。其中占全区草地面积18.29%的高山与亚高山草甸NPP的下降速率为0.59;占全区草地面积22.45%的平原草地NPP的下降速率最快,为-1.17;全区面积最大的荒漠草地的NPP下降速率为0.20;草甸是新疆唯一 NPP呈增长趋势的草地类型,增长速率为0.23;高山与亚高山草地的NPP的下降速率为-0.07。NPP下降趋势最明显的草地主要分布在天山西部和伊宁部分地区,其变化速率约为-20～-10 gCm-2a-1。不同地区草地NPP增减速率在空间上存在明显的差异。2001-2010年间,新疆草地大部分地区植被NPP的年际波动的相对变率基本都在0.30以内,其中阿尔泰山东北部、天山山脉西南部和昆仑山南部等地的部分地区NPP年际波动小,南疆东部地区靠近青海省附近的部分草原区,NPP相对变率较大。新疆草地年NPP与降水的关系比较明显,地区差异性大。天山山脉中东段和昆仑山北部地区的草地NPP与降水的关系最为明显,相关系数大都在0.45-0.80之间,除个别区域外,新疆草地的年NPP与对应的年均温相关性并不如降水量明显,其中阿尔泰山南部和昆仑山北部草地NPP与年均温呈现较强的负相关,部分地区相关系数达-0.96--0.45,可能是由这些地区水热不同期造成的,也可能是该地区植被的生长与水分的关系更为密切。(4)利用MODIS-NDVI数据、土地覆盖分类数据、气象数据等,基于改进的基于光能利用率的净初级生产力(NPP)遥感估算模型对新疆植被2001-2010年的NPP进行估算,并计算基于像元的NPP与降水、温度之间的相关系数,分析NPP时空变异与气候变化的相关性。2001-2010年新疆植被年平均NPP分布范围是在59.29-65.98 gCm-2a-1之间,平均为62.10gCm-2a-1,呈现自南向北逐渐增加的趋势,NPP的分布与海拔高度呈较显著的相关性;新疆的植被在空间上的分布强烈依赖于降水,与气温的分布呈负相关;2001-2010年,新疆植被总NPP的变异范围是96.28-107.14 TgCa-1,平均值为100.84 TgCa-1。新疆中北部和西南部NPP变异系数最大,塔里木盆地和准格尔盆地NPP年际间变异较小;10年间新疆大部分地区植被NPP的变异系数都在0.5以下,约占全区面积的96.01%。NPP年减少速率在0-10 gCm-2a-1之间的面积占新疆全区面积的45.41%;而NPP年增加速率介于0-10 gCm-2a-1之间的面积占新疆全区面积的53.92%。新疆植被年总NPP和年平均温度之间的相关关系不显著(R=-0.318,p>0.05,n=10),与年平均降水量显著正相关(R=0.69,p<0.05,n=10)。降水对于新疆地区植被生长具有主导性的作用,降水量的增加会明显地促进新疆地区植被的生长和NPP的积累,气温的升高对新疆地区植被的生长表现为负作用。不同植被类型的气候变化响应特征不同,4种植被类型NPP年际变化与降水量年际变化的相关系数均大于其与气温的相关系数。在所有的植被类型中,荒漠的NPP年际变化与降水量年际变化的相关系数最高,其次为草地。从气候因素敏感程度上划分,新疆占全区31.06%区域为降水型;占12.65%区域为温度型;约有12.53%为降水和温度综合型;约有43.76%的区域为不敏感型。(5)评估了 10年间新疆土地利用和土地覆盖变化(LULCC)特征及其对生态系统生产力的影响研究。采用净初级生产力(NPP)作为干旱和半干旱生态系统生产力重要的表征因子来评估2001-2009年新疆土地利用和覆被变化(LULCC)对生态系统净初级生产力的影响。在研究时间段内,新疆的森林面积相对于其它土地覆被类型净增加9093平方公里。2001-2009年间,最明显的土地覆被变化来自草地转化为森林和草地与荒漠之间的相互转化。新疆全区植被NPP总量9年间增加了252.51 Gg C。其中,森林的NPP总量表现出最明显的增长,净增长量达1,782.88 GgCyr-1。新疆NPP的增加主要得益于森林的扩张。在2001-2009年间,森林、草地和荒漠的平均NPP均有轻微的下降,而农田和自然植被交错区的平均NPP有略微的增长。通过利用2001年的气候条件对新疆2009年的NPP进行了模拟,研究了土地利用和覆被变化和气候变化对区域NPP的影响。研究表明,人类活动与气候变化相比对总NPP的增加方面产生了明显的积极作用,尤其是对森林。总的来说,人类积极活动如生态恢复工程等对新疆区域森林面积的扩张和NPP的增长产生了积极的影响。(6)气候变化和人类活动是土地退化过程中两个主要驱动因子,它们的作用已经逐渐成为全球环境变化研究的重要领域。利用潜在NPP和人类占用NPP(HANPP)评估了气候和人为因素对土地退化和恢复的作用。作为反映人类活动对生态系统生产力影响的显示因子,HANPP表征的是潜在NPP与实际NPP之差。研究发现人类活动是导致北疆土地退化的主要因素,退化面积为172,228.5km2,占总退化面积的61.85%;由气候变化导致的退化面积为68,146.5km2,占总退化面积的24.47%。对于植被恢复来说,由人类活动主导的植被恢复面积为61,514.5km2,占总恢复面积的56.42%;由气候变化导致的植被恢复面积为36,338km2,占总恢复面积的33.33%。2001-2010年间,人类活动是北疆植被退化和恢复的主导因素。由人类活动主导的森林和草地的植被恢复主要归功于相关生态恢复工程,如退耕还林还草、植树造林等。本研究结果同时也证实了生态恢复相关工程在北疆能够有效地缓解土地植被退化现象,并在一定程度上促进北疆植被的恢复。(7)通过结合土壤光谱反射率变化特征和逐步线性回归的方法对新疆草地土壤有机碳的进行了预测研究。利用ASDFieldSpecFR(350-2500nm)高光谱仪在室内条件下测定了 60个风干土壤样品的可见—近红外光谱,分析了新疆不同草地类型的土壤光谱反射率曲线形状变化和土壤有机碳含量的变化特点,并针对新疆草地土壤的土样光谱反射率不同变换形式与有机碳含量进行了相关性分析,并建立了高光谱土壤有机碳预测模型。新疆草地土壤的有机碳含量与土壤光谱反射率的主要响应波段介于400～750nm范围之间。通过对土壤光谱反射率的导数变换,发现有机碳含量与土壤二阶导数光谱相关性较原始光谱和其他变换形式最强。基于最优波段和逐步回归方法建立的两种高光谱预测土壤有机碳模型对草地土壤有机碳均有良好的预测效果,均方根误差(RMSE)<5.0。研究发现使用可见—近红外光谱全波段的预测效果要好于仅使用可见光波段。基于光谱二阶导数的多元线性逐步回归分析建立的模型A的预测效果较好,其决定系数达0.894,同时均方根误差为0.322。本研究表明,对于草地土壤,结合土壤光谱特征和数理统计方法能对土壤有机碳进行较好的预测。(8)利用生物地球化学过程模型BIOME-BGC模型对2001-2010年新疆低地山地草甸、干荒漠草地和蒿属荒漠草地的净初级生产力(NPP)、净生态系统生产力(NEP)进行了模拟研究,并分析NPP、NEP年际变化对气候的响应以及未来气候变化情景下NPP、NEP的响应。不同类型草地样地NPP和NEP变化趋势相对不同,低地山地草甸NPP平均值为122.65 gCm-2a-1,NEP平均值为8.36 gCm-2a-1;干荒漠类草地NPP平均值为134.64 gCm-2a-1,NEP平均值为8.79 gCm-2a-1;蒿属荒漠草地NPP平均值为134.20 gCm-2a-1 NEP平均值为9.26 gCm-2a-1。3种类型草地NPP与温度无明显的相关性,与降水的相关性要优于与温度的相关性,降水量是控制该地区三类草地NPP年际变化的主要气候因子。NEP与温度之间呈弱负相关,除低地山地草甸NEP与降水之间呈正相关外,其它两种草地类型也呈负相关关系。未来气候变化情景分析表明,CO2浓度倍增下,NPP与NEP值有一定的增加。在C02浓度不增加条件下,NPP正向响应了降水单独变化和温度升高且降水增加情景,NEP反向响应温度的变化,而正向响应了降水的变化;当C02浓度倍增和气候同时改变时,预测的NPP正向响应了降水的变化和温度的升高,预测的NEP反向响应了温度和降水变化。本研究进一步明晰了内陆干旱与半干旱地区不同类型草地的碳源汇关系,预测了未来气候情景下可能的碳循环特征。我们认为论文的主要创新之处:一是结合新疆干旱与半干旱地区的气候特点围绕其植被和草地资源时空分布特征、生产力变化(包括NPP和NEP)及其影响因子(土地利用变化和气候波动)进行了系统的集成研究,为全球变化的干旱区植被区域响应研究提供了科学依据。二是利用潜在NPP和反映人类活动对生态系统生产力影响的显示因子—人类占用NPP(HANPP)评估了气候和人为因素对土地退化和恢复的作用。分别从定性和定量的角度对气候变化和人类活动对植被退化的相对作用进行了评估。并对新疆地区大范围的植被退化或恢复的主导驱动因子进行了明晰和面积估算。明确了新疆地区不同区域的气候和人类活动因子对植被动态变化的影响特征。三是利用高光谱遥感技术对新疆草地土壤有机碳进行了光谱特征分析,并结合数理统计等方法,建立了两种高光谱土壤有机碳预测模型。进一步筛选和确定了最适合新疆草地土壤有机碳的预测模型,并对预测模型进行了预测效果评价和精度检验。对于草地土壤,该基于高光谱数据的模型能对土壤有机碳进行较好的预测,并为新疆草地土壤有机碳库的估算提供了新的技术手段。总之,利用3S技术和各种模型,以及气候和遥感数据,对新疆草地植被的光谱特征和土壤有机碳的估算、生产力时空分布特征与驱动力、气候响应及碳源汇变化特征进行了系统的研究。