生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点.在系统介绍生态化学计量学与碳氮磷元素循环研究进展的基础上,重点从土壤C:N:P化学计量比的分布特征、指示作用、对碳固定的影响,以及人类活动对C:N:P比的影响等方面探讨了C:N:P比在养分限制、生物地球化学循环、森林演替与退化等领域中的应用等问题,并展望了生态系统碳氮磷平衡的元素化学计量学未来研究的发展方向.通过对生态化学计量学理论和方法的研究,可以深入认识植物-凋落物-土壤相互作用的养分调控因素,对于揭示碳氮磷元素之间的相互作用及平衡制约关系,为减缓温室效应提供新思路和理论依据,具有重要的现实意义.     

海洋微藻的生态化学计量学与微藻增养殖氮磷化学计量条件的应用与研究进展

总结关于元素化学计量的文献基础上, 回顾了化学计量的起源和发展, 从不同层面介绍了海洋浮游植物的生态化学计量学, 阐述了几种应用较为广泛的生态化学计量模型, 同时介绍了氮磷化学计量学在海洋微藻增养殖中的应用, 分析了常用培养基配方中氮和磷的组成特征。该领域的研究已证明, 浮游植物的生长率控制与环境因子、细胞元素组成及其培养基的组成有着密切的关系。重要的是氮磷比不是决定浮游植物增殖的唯一因素, 而应该同时考虑氮和磷绝对浓度的影响, 特别是在解决营养限制问题时尤其需要综合考量。     

生态化学计量学：复杂生命系统奥秘的探索

 20世纪以来,生物科学的发展异军突起,成为发展最快的学科,不仅学科分类逐渐细化,而且研究领域也逐渐深入,然而,这种分化和深入也可能会掩盖生物的一些最普遍特征。地球上的生物是否具有统一的、更本质的特征？能否把不同生物学领域和不同层次的知识联系起来？随着对这些问题的不断探索,一门新兴的学科——生态化学计量学,在最近20年悄然兴起。生态化学计量学结合了生物学、化学和物理学等基本原理,是研究生物系统能量平衡和多重化学元素（主要是C、N、P）平衡的科学。这一研究领域使得生物学科不同层次（分子、细胞、有机体、种群、生态系统和全球尺度）的研究理论能够有机地统一起来。目前,生态化学计量学已经广泛应用于种群动态、生物体营养动态、微生物营养、寄主_病原关系、生物共生关系、消费者驱动的养分循环、限制性元素的判断、生态系统比较分析和森林演替与衰退及全球C、N、P生物地球化学循环等研究中,并取得了许多研究成果。该文概述了生态化学计量的概念、历史起源和基本理论,重点介绍了生态化学计量学理论在消费者驱动的养分循环、限制性养分元素判别以及全球C、N、P循环等方面的应用进展,并对生态化学计量学未来的研究方向进行了展望,期望引起国内同行的重视并有助于推动我国在此领域开展相关研究。     

生态化学计量学在水生态系统中的研究与应用

生态化学计量学主要是研究碳、氮、磷等元素在各种生态过程中平衡的一门科学,其核心问题是揭示生物体元素组成的差异对生态功能的影响。由于生态化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来,因此生态化学计量学已成为许多生态系统的新兴研究工具。目前,生态化学计量学的研究与应用已深入到生态学的各个层次(分子、细胞、个体、种群、群落、生态系统及区域等不同尺度)。该文围绕生态化学计量学的两个重要组成理论,并结合笔者近年来的研究,归纳总结了生态化学计量学在水生态系统中的研究与应用及未来研究重点,希望有助于推动我国生态化学计量学在水生态系统中的应用研究。     

生态化学计量学理论的应用、完善与扩展

生态化学计量学结合生物学、化学和物理学等基本原理, 研究碳、氮、磷等化学元素在各种生态过程中的平衡。由于生态化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来, 因此生态化学计量学已成为许多生态系统的新兴研究工具。目前, 生态化学计量学研究已深入到生态学的各个层次(分子、细胞、个体、种群、群落、生态系统)及区域等不同尺度。由于C、N、P 对有机体和生态系统的结构和功能的重要作用, C∶N∶P 化学计量学成为各种生态过程研究中的核心内容, 其基本理论(动态平衡理论、生长速率理论)围绕C∶N∶P 化学计量比而展开阐述。将生态化学计量学理论应用于全球格局下的生态系统研究时, 产生了许多崭新的成果(如植物营养全球格局等)。希望对生态化学计量学的概念、核心理论和全球格局下的应用以及该学说的完善与发展状况的简单介绍, 能有助于推动我国在此领域的相关研究。     

N:P化学计量学在生态学研究中的应用

化学计量学很早就被应用于生态学研究中,但长期以来几乎被生态学家所忽视.近年来,由于认识到化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来,因此元素化学计量学成为近年来新兴的一个生态学研究领域.氮磷作为植物生长的必需矿质营养元素和生态系统常见的限制性元素,在植物体内存在功能上的联系,二者之间具有重要的相互作用.近年来由于人类活动的强烈影响,这两种元素的循环在速度和规模上都发生了前所未有的改变,导致一系列环境问题的出现,因此N:P化学计量学研究就显得极为重要.本文论述了N:P化学计量学在物种、群落、生态系统等各层次的应用现状,同时从分子生物学角度分析了应用N:P化学计量学的可行性,并指出了N:P化学计量学研究的应用前景和存在的缺陷.     

浮游动物化学计量学稳态性特征研究进展

稳态性是有机体的基本属性,也是生态化学计量学理论成立的前提和基础。一般来讲,浮游植物的元素组成变化较大,而浮游动物具有明显的稳态性特征。浮游动物稳态性特征的研究不仅有助于了解水生生态系统的能量流动和物质循环,同时也对研究营养元素如何调节生物生长、繁殖和代谢起到促进作用。在综述生态化学计量学研究的基础上,主要介绍了稳态性的概念和浮游动物稳态性特征的基本框架及变化规律,以期为促进国内相关研究工作的开展提供参考。     

中国典型生态脆弱区生态化学计量学研究进展

在人类活动和自然环境变化的相互作用下,生态脆弱区生态系统随之变迁,荒漠化、盐碱化、水土流失、植被生产力下降等是生态脆弱区面临的重要问题。生态化学计量学作为当前多学科交叉研究的热点领域,强调从生态系统能量与元素平衡角度,揭示元素生物地球化学循环和生态系统对环境变化的调控机制。为了促进对生态脆弱区碳（C）、氮（N）、磷（P）生态化学计量的深入理解,本文重点总结了近年来有关我国典型生态脆弱区植物、凋落物、土壤和土壤微生物量C、N、P生态化学计量及其对环境变化响应的研究成果,并展望未来研究方向,以期促进生态化学计量学的发展和生态脆弱区生态保护与恢复研究。研究表明,植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统C、N、P化学计量具有较强相关性,并受土壤因子、气候因子、生物因子和人类活动的显著影响。在生态脆弱区,我国北方荒漠及荒漠化地区由于较高的N∶P比值易受P限制,而青藏高原脆弱区、西南岩溶石漠化地区和黄土高原脆弱区等生态脆弱区更易受N限制;随着植被恢复,养分限制逐渐由N限制向P限制转变。生态脆弱区相对较低的养分含量和C∶N∶P比值或许可在一定程度上解释植被生产力较低的原因,而具有较高N、P化学计量内稳性的植物在贫瘠环境中具有较强竞争力和更高稳定性。今后可加强多尺度、不同生态系统植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统生态化学计量和长期、多因子交互控制实验的研究。     

N：P化学计量学在生态学研究中的应用

化学计量学很早就被应用于生态学研究中,但长期以来几乎被生态学家所忽视。近年来,由于认识到化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来,因此元素化学计量学成为近年来新兴的一个生态学研究领域。氮磷作为植物生长的必需矿质营养元素和生态系统常见的限制性元素,在植物体内存在功能上的联系,二者之间具有重要的相互作用。近年来由于人类活动的强烈影响,这两种元素的循环在速度和规模上都发生了前所未有的改变,导致一系列环境问题的出现,因此N：P化学计量学研究就显得极为重要。本文论述了N：P化学计量学在物种、群落、生态系统等各层次的应用现状,同时从分子生物学角度分析了应用N：P化学计量学的可行性,并指出了N：P化学计量学研究的应用前景和存在的缺陷。     

海洋病毒——海洋生态系统结构与功能的重要调控者

摘要：作为海洋生态系统中的重要成员,海洋病毒在调节海洋生态系统中的群落结构、种群数量、物质循环、生物间遗传物质的转移以及气候变化等方面起着重要的作用。本文概述了近年来对海洋病毒的研究进展,讨论了海洋病毒对海洋生态系统结构和功能的重要调控作用,并对海洋病毒的研究前景进行了展望。     

Metagenome-based analysis: A promising direction for plankton ecological studies

The plankton community plays an especially important role in the functioning of aquatic ecosystems and also in biogeochemical cycles. Since the beginning of marine research expeditions in the 1870s, an enormous number of planktonic organisms have been described and studied. Plankton investigation has become one of the most important areas of aquatic ecological study, as well as a crucial component of aquatic environmental evaluation. Nonetheless, traditional investigations have mainly focused on morphospecies composition, abundances and dynamics, which primarily depend on morphological identification and counting under microscopes. However, for many species/groups, with few readily observable characteristics, morphological identification and counting have historically been a difficult task. Over the past decades, microbiologists have endeavored to apply and extend molecular techniques to address questions in microbial ecology. These culture-independent studies have generated new insights into microbial ecology. One such strategy, metagenome-based analysis, has also proved to be a powerful tool for plankton research. This mini-review presents a brief history of plankton research using morphological and metagenome- based approaches and the potential applications and further directions of metagenomic analyses in plankton ecological studies are discussed. The use of metagenome-based approaches for plankton ecological study in aquatic ecosystems is encouraged.     

2000—2010年我国重点生态功能区生态系统变化状况

分析了2000—2010年我国水源涵养型、水土保持型、防风固沙型、生物多样性维护型重点生态功能区的生态系统结构、质量与核心服务的变化.结果表明: 近11年来,水源涵养型重点生态功能区的森林、草地面积减少,水体与湿的面积增加,森林、草地、湿地生态系统水源涵养总量增加了2.9%,该类区域需要遏制森林、草地的减少趋势.水土保持型重点生态功能区的农田面积减少,而森林、草地、水体与湿地的面积增加,土壤侵蚀总量减少了28.2%,生态系统土壤保持总量增加了38.1%.防风固沙型重点生态功能区的农田、森林面积增加,草地、水体与湿地的面积减少,单位面积土壤风蚀量下降,单位面积防风固沙服务量有所提升,该类区域多位于干旱半干旱区,需要减少农田面积,优先保护原有生态系统.生物多样性维护型重点生态功能区的草地、荒漠面积减少,其他类型的面积有所增加,人类扰动呈现微弱的上升趋势,该类区域需要减少人类干扰.重点生态功能区应该针对核心服务和保护目标,分类分区开展生态系统保护、改善及其效果的定量综合评估.     

The impact of marine nutrient abundance on early eukaryotic ecosystems

The rise of eukaryotes to ecological prominence represents one of the most dramatic shifts in the history of Earth's biosphere. However, there is an enigmatic temporal lag between the emergence of eukaryotic organisms in the fossil record and their much later ecological expansion. In parallel, there is evidence for a secular increase in the availability of the key macronutrient phosphorus (P) in Earth's oceans. Here, we use an Earth system model equipped with a size‐structured marine ecosystem to explore relationships between plankton size, trophic complexity, and the availability of marine nutrients. We find a strong dependence of planktonic ecosystem structure on ocean nutrient abundance, with a larger ocean nutrient inventory leading to greater overall biomass, broader size spectra, and increasing abundance of large Zooplankton. If existing estimates of Proterozoic marine nutrient levels are correct, our results suggest that increases in the ecological impact of eukaryotic algae and trophic complexity in eukaryotic ecosystems were directly linked to restructuring of the global P cycle associated with the protracted rise of surface oxygen levels. Our results thus suggest an indirect but potentially important mechanism by which ocean oxygenation may have acted to shape marine ecological function during late Proterozoic time.     

溪流潜流层大型无脊椎动物生态学研究进展

溪流潜流层是溪流表层水和地下水相互作用的群落交错区,生物多样性丰富,是溪流生态系统的重要组成部分.大型无脊椎动物位于潜流层食物网的顶层,直接影响着潜流层物质和能量动态,是河流健康潜在的指示生物,调节着潜流层的环境净化和生态缓冲功能,对溪流生态系统发挥着至关重要的作用.潜流层大型无脊椎动物类群按生活史划分为偶入动物、非典型潜流层动物和典型潜流层动物.潜流层孔隙大小、孔隙水流速、溶解氧、温度、可利用的食物源、渗透系数和水力停留时间是影响大型无脊椎动物在潜流层分布的主要因素.对于潜流层这样一个特殊的生态界面,针对不同的研究目的应该选择合适的取样和调查方法.潜流层大型无脊椎动物的生活史和生活史对策,在溪流生态系统物质循环和能量流动中作用的定量化分析,基于潜流层大型无脊椎动物的河流健康评价体系,以及潜流层作为“庇护地”对于大型无脊椎动物分布和进化的生态学意义,都值得进一步关注和深入研究.     

Synergistic Effects of Climate and Fishing in a Marine Ecosystem

Current climate change and overfishing are affecting the productivity and structure of marine ecosystems. This situation is unprecedented for the marine biosphere and it is essential to understand the mechanisms and pathways by which ecosystems respond. We report that climate change and overfishing are likely to be responsible for a rapid restructuring of a highly productive marine ecosystem with effects throughout the pelagos and the benthos. In the mid-1980s, climate change, consequent modifications in the North Sea plankton, and fishing, all reduced North Sea cod recruitment. In this region, production of many benthic species respond positively and immediately to temperature. Analysis of a long-term, spatially extensive biological (plankton and cod) and physical (sea surface temperature) dataset suggests that synchronous changes in cod numbers and sea temperature have established an extensive trophic cascade favoring lower trophic level groups over economic fisheries. A proliferation of jellyfish that we detect may signal the climax of these changes. This modified North Sea ecology may provide a clear indication of the synergistic consequences of coincident climate change and overfishing. The extent of the ecosystem restructuring that has occurred in the North Sea suggests we are unlikely to reverse current climate and human-induced effects through ecosystem resource management in the short term. Rather, we should understand and adapt to new ecological regimes. This implies that fisheries management policies will have to be fully integrated with the ecological consequences of climate change to prevent a similar collapse in an exploited marine ecosystem elsewhere. Author Contributions  RRK conceived the project and GB analysed the data. RRK, GB and JAL co-wrote the paper.     

冻融作用对陆地生态系统氮循环关键过程的影响效应及其机制

冻融作用是中、高纬度及高海拔地区土壤普遍存在的一种自然现象,是非生长季陆地生态系统氮循环的重要影响因素.冻融作用主要通过改变土壤的理化性质及生物学性状来影响氮素在土壤中的迁移与转化.目前,冻融作用对陆地生态系统氮循环各个过程影响的研究结果不尽一致,理论机制尚不明晰,研究方法也需进一步地探索与创新,因此有必要对现有成果进行梳理和分析,以更好地把握冻融作用下的氮循环过程.本文结合国内外已有研究成果,论述了冻融作用对陆地生态系统氮循环关键过程（氮矿化、固持、硝化与反硝化过程、氮淋溶及气态损失）的影响效应及其主要机制,对目前研究中存在的不足进行了剖析,并对未来研究中迫切需要关注的重点研究方向进行了探讨与展望.     

生态化学计量学研究进展

生态化学计量学结合生物学、化学和物理学等基本原理,研究能量和碳、氮、磷等化学元素在生态系统中,特别是各种生态系统过程(如竞争、捕食、寄生、共生等)参与者中的变化,以及它们之间的动态平衡,并分析这种平衡对生态系统的影响。目前,C∶N∶P化学计量学研究已深入到生态学的各个层次(细胞、个体、种群、群落、生态系统)及区域等不同尺度。近年来,由于认识到化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来,因此生态化学计量学已成为许多生态系统的新兴研究工具。其中,C∶N∶P化学计量学是各种生态过程研究中的核心内容。论述了生态化学计量学在物种、群落、生态系统等各层次的应用现状,并指出了C∶N∶P化学计量学研究的应用前景和发展趋势,以期引起同行的重视并推动该领域的进一步发展。