干旱对陆地生态系统生产力的影响

该文综述了干旱对陆地生态系统生产力的影响,分析了其影响机制,并总结了植被对干旱的响应与适应及其机理机制。干旱通过抑制光合作用来降低陆地生态系统总初级生产力,干旱还可以降低生态系统的自养呼吸和异养呼吸。同时干旱还可以通过影响其它干扰形式来间接影响陆地生态系统生产力,如增加火干扰的发生频率和强度,增加植物的死亡率,增加病虫害的发生等。在生态系统水平上干旱可以降低碳固定,减弱碳汇功能,甚至把生态系统从碳汇改变成碳源。目前生态系统水平上的干旱影响研究主要通过两种方法实现,一种是模型模拟,另一种就是大型模拟实验。作为陆地生态系统生产力的实现者,在干旱胁迫条件下,植物也会采取积极的适应策略以减弱干旱对生态系统生产力的影响,其适应策略主要分以下3种:在一些周期性发生干旱的地区,植物会调整生长期以避开干旱或通过休眠来减弱干旱所造成的伤害;还有一些植物会通过调节体内的代谢过程,改变一些生理特性来抵御干旱;而长期生活在干旱条件下的植物则通过进化来改变了自身的生理生化代谢过程,形成耐旱机制。目前,植物对干旱响应的分子学机制,以及生态系统水平上对干旱的响应和适应仍然是薄弱的领域,也必然成为未来研究的重点。     

陆地生态系统臭氧通量观测和气孔吸收估算研究进展

近地面大气中臭氧(O3)对植物生长发育和产量会产生不良影响。工业和交通排放的增加使得全球地面O3浓度逐年增加,不断升高的O3浓度已开始影响到我国的粮食产量。O3对植物的影响是由于其进入植物体内发生生化反应所引起的,所以需要建立一种考虑到植物生理生态状况的评估指标来评估O3对植物的影响。其中基于O3通量(特别是植物气孔吸收)的评价指标和方法,被认为比传统的基于O3浓度的评价指标和方法更符合O3对植物的影响机理。介绍了O3对生态系统影响评估方法和评价指标,重点评述了生态系统尺度O3通量观测和气孔吸收估算的主要方法以及在不同生态系统上的研究进展分析了我国关于O3对植物和生态系统影响的研究现状,并对未来的研究工作进行了展望。     

东北地区陆地生态系统生产力及其人口承载力分析

 日益增长的人口及其生存环境问题已经成为人类社会生存与可持续发展的关键,亦是区域生态承载力的重要指标。生态系统生产力及其人口承 载力研究不仅可以弄清某一区域所能承载的最大人口数量,而且能为农业生态系统的宏观调控和长远发展规划提供依据。东北老工业基地地处 地球环境变化速率最大的东亚季风区,以气候变暖为标志的全球变化必将影响东北地区生态承载力,进而影响该地区的人口承载力。该研究基 于10 km×10 km 分辨率的东北地区1980～2002年共23年的气象资料,结合植物生理生态特点和水热平衡关系建立的自然植被净第一性生产力模 型和农业生产力模型,借助于地理信息系统软件,分析了东北地区4类生态系统类型：森林、农田、草地和湿地的生产力及其动态,指出东北地 区近23年来年均气温呈显著上升趋势、年降水总体上呈减少趋势。23年来东北地区植被年均总生产力为3.52×10¹¹ kg DM&;#8226;a^－1,其中森林、农 田、草地和湿地的年均总生产力分别为1.53×10¹¹、4.55×10¹⁰、1.07×10¹¹和4.63×10¹⁰ kg DM&;#8226;a^－1,森林、农田、草地和湿地的平均生产 力为5.73×10³、1.84×10³、5.64×10³和5.55×10³ kg DM&;#8226;hm^-2&;#8226;a^－1。在此基础上,以第一性生产-第二性生产之间的生态适应性和能量-物 质流平衡(在食物链上传递机制)为主线,通过对第一性生产力在人类直接消费与第二性生产之间以及各畜群(猪、肉牛羊、禽、奶牛和水产品( 鱼))之间的分配 ,估算了1980～2002年东北地区在宽裕型、小康型与富裕型3种消费水平下,不输出商品粮和每年向国家提供350×10⁸ kg商品 粮条件下的年均总人口承载力分别为2.61×10⁸、2. 15×10⁸和1.77×10⁸;和1.70×10⁸、1.40×10⁸和1.15×10⁸。因此,要确保东北地区每年 向国家提供350×10⁸ kg的商品粮,且在未来东北地区的生活水平要达到富裕型水平,必须控制人口数量。在此基础上,根据2020、2050、2070 和2100年的气候预估资料,预测了2020、2050、2070和2100 年东北地区在宽裕型、小康型和富裕型3种消费水平下的人口承载力分别为2.73× 10⁸、2. 25×10⁸和1.85×10⁸;2.88×10⁸、2.38×10⁸和1.95×10⁸;3.03×10⁸、2.49×10⁸和2.05×10⁸;以及 3.09×10⁸、2.55×10⁸和2.09 ×10⁸。该研究可为东北地区及各省的生态建设与土地资源可持续利用提供参考。     

散射辐射测量及其对陆地生态系统生产力影响的研究进展

全球变化,特别是大气成分变化引起的散射辐射变化已经并将继续影响陆地生态系统的生产力与碳收支。该文综述了散射辐射的影响因子及其估算方法,分析了散射辐射对植被光能利用率(light-use efficiency,LUE)、陆地生态系统生产力及其碳收支的影响过程与控制机理,在此基础上提出了未来拟加强研究的方面:1)散射辐射对植物光合作用影响的机理及其在不同时空尺度的反应;2)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对植物与冠层光合作用影响的定量描述;3)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对土壤呼吸作用的影响过程与控制机理;4)植物对散射辐射及其与其他环境因子相互作用的适应性研究;5)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对陆地生态系统生产力及其碳收支的影响过程与调控对策。     

中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素

为揭示气候变化背景下我国各陆地生态系统净初级生产力(NPP)的时空分布特征与驱动机制,引入重心模型分析2000—2017年我国NPP的空间分布格局变化,并利用相关分析方法结合Thornthwaite Memorial模型定量区分气候变化与人类活动影响NPP的相对作用。结果表明：(1)2000—2017年全国NPP均值为325.86 g C/m²,整体呈现出南方高北方低,东南向西北逐渐递减的特点。(2)近18年全国与各陆地生态系统NPP均呈现增长趋势,全国NPP增长速率为4.4597 g C m^-2 a^-1,总净增加约0.391 Pg C。空间上全国与森林、草地、荒漠生态系统的NPP重心向东北方向移动,农田与城市生态系统的NPP重心向西北方向移动,表明NPP在该方向上的增速和增量最大。(3)全国NPP在华北、西北地区与四川盆地主要受降水的影响,在青藏高原与云贵高原的东部主要受气温的影响,各陆地生态系统之间城市生态系统NPP对降水响应的敏感度相对最高,荒漠生态系统NPP对温度响应的敏感度相对最高。(4)气候变化和人类活动对全...     

中国陆地生态系统对全球变化的敏感性研究

根据自然植被净第一性生产力综合模型和农业净第一性生产力模型计算了我国自然植被及农作物的净第一性生产力,结果表明:在所有可能的气候条件下,我国陆地生态系统的生产力表现出由东南向西北递减的趋势及明显的条带状分布,并在新疆地区形成明显的低值区。在年平均气温升高2℃且降水不变的情况下,湿润地区生产力增加幅度最大,约增加1～2tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水增加20％的情况下,干旱、半干旱地区生产力增加幅度最大,约增加0.5～3.0tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水减少20％的情况下,湿润地区生产力提高约0.5～1.0tDW·hm~(-2)·a~(-1),干旱、半干旱地区生产力降低约0.5～2.0tDW·hm~(-2)·a~(-1)。     

城市污泥应用于陆地生态系统研究进展

随着城市化进程加快和人口剧增,城市污泥已成为世界许多城市面临的主要环境问题之一,且不合理的管理可引发严重的环境污染.城市污泥含有大量、微量元素和有机质,可能对土壤及其生产力有利,特别对退化土壤能进行有机修复,并改善土壤理化特性,譬如土壤结构和营养含量.目前,污泥作为一种有机肥料已成为普遍措施.但来自工业及生活污水的污泥常含有重金属、病原物及有毒有机物等,潜在的毒性可能对生态系统构成危险,因此必须经过污泥预处理才可安全施用.评述了近年来国内外污泥应用于陆地生态系统4个方面的主要研究进展:(1)污泥处理与处置方法;(2)污泥应用于农田、草地及森林生态系统;(3)污泥对土壤生态系统的影响,包括污泥对土壤理化性质、土壤酶及微生物的影响;(4)污泥应用的环境效应.提出未来我国污泥处置及利用需要重视的研究领域和方向.     

陆地生态系统植物功能群研究进展

从植物功能群角度探讨陆地生态系统功能与稳定性维持机理、植物对环境变化的适应与响应以及水分、养分利用效率等成为当前生态系统生态学研究的主要技术路线.植物功能群的提出和研究,为研究复杂的生态系统提供了一个良好的方法和途径.综述了陆地生态系统功能群方面的最新研究进展,介绍了植物功能群定义的发展历程,详细比较了植物功能群划分的依据及方法,对于植物功能群与群落稳定性之间的关系、植物功能群对群落生产力的影响以及植物功能群与环境因子的动态关系等进行了深入讨论.这些研究资料表明,植物功能群整合了功能及对环境响应相似的一类植物,但植物功能特征不是绝对的、单一的,所以对植物功能群就会有不同的理解,会有不同的定义及划分方法.许多研究者从不同的角度、尺度来对植物功能群进行研究,这些研究结果有不同的针对方向和目的,使人们可以从不同的角度更全面的理解复杂的陆地生态系统.学者们在研究生态系统时,或多或少地总要与植物功能群相联系,这大大拓宽了植物功能群的应用范围.所有前人的研究使植物功能群的概念、划分、方向、应用等诸方面越来越清晰.这要求应有一个规范、统一、明确的植物功能群研究方案,这样能使对植物功能群的研究更加深入,能整合全球所有植物功能群的相关研究.     

菌根真菌在陆地生态系统中的作用

对菌根真菌在陆地生态系统中与植物共生、固定土壤中的营养元素及水分、作为动物的食物以及影响植物群落的演替和区系组成以及调节生态系统中的资源配置、维持系统的物种多样性等方面的生态作用进行了讨论。     

宁夏陆地生态系统水分利用效率特征及其影响因子

生态系统水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)是表征生态系统碳水耦合程度的重要指标,能反映生态系统碳水循环规律及其相互作用关系。基于MODIS数据以及宁夏生态系统类型数据,分析2000—2017年宁夏不同生态系统WUE的变化特征,探讨了NPP和ET两种因子对WUE年际与年内变化的影响。结果表明:(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg·H_2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H_2O之间,总体上呈现南北高、中部低的特征。(2)不同生态系统的WUE差异较大,由高到低为水体及湿地、森林、农田、草地、聚落、荒漠和其他生态系统,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的亚类生态系统,其WUE也越高。(3)宁夏陆地生态系统WUE存在着每年0.0141 g·C/kg·H_2O的下降趋势,年内WUE呈典型的单峰形态,变化范围在0.02—2.16 g·C/kg·H_2O之间。(4)年际尺度上,宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散(Evapotranspiration,ET)有极显著负相关性(P0.01),而与净初级生产力(Net Primary Production,NPP)没有相关性;年内尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(P0.05),与NPP呈极显著正相关(P0.01),这与植被的年内季节性生长过程有关。(5)根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统水分利用效率特征划分为4类,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区。宁夏的生态恢复工程在增强植被生产力的同时,也增强了区域水分消耗,致使陆地生态系统整体水分利用效率下降,这为宁夏未来水资源调控和生态重建提供了科学依据。     

Grassland yield declined by a quarter in 5 years of free-air ozone fumigation

The sensitivity of seminatural grasslands to ozone (O₃) pollution is not well known, in spite of the important function of these common ecosystems for agriculture and nature conservation. A 5‐year field experiment was carried out at a rural, mid‐elevation site at Le Mouret (Switzerland) to investigate the effect of elevated O₃ on yield and species composition of a permanent, extensively managed, species‐rich old pasture. Using a free‐air fumigation system, circular plots of 7 m diameter were exposed to either ambient air (control plots) or to air containing O₃ of approximately 1.5 × ambient concentrations. The resulting accumulated O₃ exposure over the threshold of 40 ppb for one season ranged from 13.3 to 59.5 ppm h in the elevated O₃ plots, and from 1.0 to 20.7 ppm h in the control plots. Subplots in each ring were harvested three times each year, and harvested biomass was separated into functional groups (FGs) (grasses, legumes, forbs). Productivity in both treatments decreased over time, but the yield of O₃‐exposed plots decreased faster than that of the control plots, with the reduction being twice as large by the end of the fifth season. Compared with the ambient air control, loss in annual dry matter yield was 23% after 5 years. The change in annual biomass production because of O₃ stress was accompanied by a change in the fractions of FGs, with the legume fraction showing a strong negative response. Such long‐term effects of O₃ stress could have negative implications for the maintenance of biological diversity in rural landscapes across large areas of Europe. The results from this first long‐term experiment show that a moderately elevated O₃ level reduces the productivity of intact grasslands during a 5‐year exposure under real field conditions.     

Impact of tropospheric ozone on the Euro‐Mediterranean vegetation

The impact of ozone (O₃) on European vegetation is largely under‐investigated, despite huge areas of Europe are exposed to high O₃ levels and which are expected to increase in the next future. We studied the potential effects of O₃ on photosynthesis and leaf area index (LAI) as well as the feedback between vegetation and atmospheric chemistry using a land surface model (ORCHIDEE) at high spatial resolution (30 km) coupled with a chemistry transport model (CHIMERE) for the whole year 2002. Our results show that the effect of tropospheric O₃ on vegetation leads to a reduction in yearly gross primary production (GPP) of about 22% and a reduction in LAI of 15–20%. Larger impacts have been found during summer, when O₃ reaches higher concentrations. During these months the maximum GPP decrease is up to 4 g C m^?2 day^?1, and the maximum LAI reduction is up to 0.7 m² m^?2. Since CHIMERE uses the LAI computed by ORCHIDEE to estimate the biogenic emissions, a LAI reduction may have severe implications on the simulated atmospheric chemistry. We found a large change in O₃ precursors that however leads to small changes in tropospheric O₃ concentration, while larger changes have been found for surface NO₂ concentrations.     

大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理.在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的\"多过程耦合-多技术集成-多目标应用\"的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化...     

我国地表臭氧生态环境效应研究进展

针对当前我国大部分地区夏季出现的高浓度地表臭氧污染,综述了目前在地表臭氧的生态环境效应方面取得的研究进展及未来的研究展望。主要进展包括地表臭氧的污染水平,及其对植物的影响机制,具体包括地表臭氧对植物叶片的表观伤害、光合固碳能力、植物源挥发性有机化合物(BVOCs)释放、土壤微生物和土壤温室气体排放等方面的影响;在此基础上,提出了减少臭氧生态环境效应的管理措施。此外,对我国未来的研究进行了展望,建议加强在农田和森林布设臭氧浓度监测点、开展多因子同时存在的交互作用、气孔臭氧吸收量-响应(生物量或产量)关系以及臭氧对地下生态过程累积效应的长期定位等方面的研究,以期为我国地表臭氧污染的生态环境效应研究起到一定的推动作用。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。