陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应研究进展

气候变化显著影响陆地生态系统生产力以及水分利用格局,而水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是衡量生态系统碳水耦合关系的重要指标之一。研究陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应,有助于深入理解生态系统的变化规律,模拟和预测生态系统碳水过程的发展状况,从而为应对全球气候变化提供新的依据。为了更好地掌握生态系统水分利用效率研究现状以及其对温度、CO2等关键气候因子的响应情况,本文总结了陆地生态系统水分利用效率对气候变化响应的最新研究进展。首先介绍了相关的定义并归纳了两种不同计算方式的差异和特点;接着重点总结了陆地生态系统水分利用效率对大气温度、CO2、水分、干旱以及太阳辐射等影响因素的响应;最后文章总结了目前3个相关的研究态势,主要包括:(1)长时间序列水分利用效率与气候要素的关系研究;(2)土地利用/覆被变化对水分利用效率的影响及其对气候的反馈研究;(3)多尺度水分利用效率综合研究。本研究可为深入研究生态系统过程对气候变化的响应提供参考。     

森林生态系统可溶性碳和颗粒碳通量

可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和颗粒碳(particulate carbon,PC)通量作为森林生态系统碳收支的重要组分,在森林固碳功能的评价和模型预测中具有重要意义,但常因认识不足、测定困难等而在森林碳汇研究中被忽略。综述了森林生态系统DC和PC的组成、作用、相关生态过程及其影响因子,并展望了该领域应该优先考虑的研究问题。森林生态系统DC和PC主要包括可溶性有机碳、可溶性无机碳和颗粒有机碳,主要来源于生态系统的净初级生产量。DC和PC是森林土壤的活性碳库,主要以大气沉降、穿透雨和凋落物的形式输入森林土壤系统,并通过土壤呼吸、侧向运输及渗透流失的方式输出生态系统。从局域尺度看,DC和PC通量受根系分泌、细根分解、微生物周转等生物过程的影响较大;从区域尺度看,它们受土壤和植被特性、生态过程耦联关系、气候因子以及全球变化的综合影响。该领域应该优先考虑:(1)探索不同时空尺度下森林生态系统DC和PC通量的控制因子及其耦联关系,揭示其中的驱动机理;(2)探索DC和PC与其它森林生态系统碳组分的相互关系及转化,阐明DC和PC通量与其它养分之间潜在的生态化学计量关系;(3)探索全球变化,特别是人类活动(如森林经营)和极端干扰事件(如林火、旱涝、冰冻、冻融交替等)对森林生态系统DC和PC通量的影响。     

环境因子对森林净生态系统生产力的影响

净生态系统生产力(net ecosystem production,NEP)是生态系统净的碳积累速率,可以指示生态系统碳汇/碳源的状态,当NEP为正值时指征生态系统为碳汇,反之则为碳源。在全球环境变化背景下,NEP已作为生态系统碳循环的核心概念被深入研究。本文以NEP为出发点,综述了5个主要非生物环境因子(水分、温度、氮沉降、大气CO2浓度增加和时空尺度)对森林生态系统NEP的影响。从文献分析表明NEP受生态系统本身性质和各环境影响因子及其之间相互作用的调控。本文最后指出,合理运用Meta分析、生态学联网研究、设计和开展长期观测、多尺度与多因子的科学试验在未来研究中的重要性和必要性,相关研究的开展将有利于全面理解和正确评估环境因子对净生态系统生产力的影响,对研究和预测全球变化对陆地生态系统碳循环的影响具有重要意义。     

植物功能性状与湿地生态系统土壤碳汇功能

湿地生态系统碳平衡对气候变化极为敏感,是陆地生态系统碳循环响应全球变化的重要环节。然而,湿地生态系统碳汇调节机制仍不十分清楚,并且对影响因子的研究多集中在非生物因子上。综述了植物功能性状和功能性状多样性对湿地生态系统土壤碳汇功能的影响,阐明了生物因子对生态系统碳循环响应全球变化的重要性,介绍了植物功能性状对生态系统碳输入和输出过程的影响,简述了植物功能性状多样性的研究现状及其在指示生态系统碳汇功能现状和预测未来趋势等方面的应用。从优势植物、植物种间关系和植物-微生物种间关系3方面总结了植物功能性状多样性直接和间接影响生态系统碳循环的途径。展望了植物功能性状和功能性状多样性与湿地生态系统土壤碳汇功能的研究前景。     

南亚热带针阔叶混交林生态系统水分利用效率

针阔叶混交林是我国南亚热带针叶林向地带性常绿阔叶林演替的中间林分类型,研究其生态系统水分利用效率有利于预测环境变化对生态系统碳水过程的影响。基于我国南亚热带鼎湖山站2005—2010年涡度相关法通量数据及相应气象观测数据,分析了演替中期针阔叶混交林的生态系统水分利用效率的变化特征和主要环境因子对其影响作用。结果表明:(1)年尺度上,鼎湖山针阔叶混交林生态系统年平均水分利用效率为(2.85±0.22)g C·kg~(-1)H_2O,季节尺度上呈单峰变化,夏季低,春冬高,秋季次之,最低月均水分利用效率出现于2009年7月,为1.45 g C·kg~(-1)H_2O,最高月2006年1月平均水分利用效率为4.75 g C·kg~(-1)H_2O,研究期间,系统水分利用效率呈现出降低的波动趋势。(2)与环境因子的相关分析表明,年尺度上,生态系统水分利用效率变化的主要驱动因子为光合有效辐射(PAR)、水汽压亏缺(VPD)及气温。气温、VPD对干季的典型月份(11月—翌年1月)WUE影响显著(P0.001),PAR对湿季的典型月份(6—9月)影响显著(P0.001)。研究结果有助于明晰南亚热带地区森林生态系统碳水耦合程度,为气候变化下生态系统的管理提供服务。     

森林生态系统水文调节功能及机制研究进展

本研究从森林生态系统的水文过程出发,介绍了其相关概念及发展史,总结了目前森林生态水文学的研究成果,对森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)的水文过程、影响因素及生态水文模型等方面的国内外研究进展进行了系统的阐述,同时也对森林生态系统的水土保持、水质净化和物质循环过程进行了归纳和总结。目前的研究还需要从以下几方面加以深入:(1)森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)功能性状与环境因子对流域水分储蓄、循环、入渗与产流过程的影响及其机理;(2)森林生态系统水土保持、水质净化、元素循环三者之间耦合机制方面的研究;(3)森林生态系统的水文过程与能量流动、物质循环之间的相互关系;(4)在时间尺度和流域尺度上研究森林生态系统生态水文过程的变化情况。因此,今后的研究应加强对森林生态系统多学科、多尺度的综合研究,同时要结合现代高新技术方法来研究不同植被类型的功能性状对水文过程的影响及其机制,为森林生态系统的管理提供科学依据。     

Contribution of plant traits to the explanation of temporal variations in carbon and water fluxes in semiarid grassland patches

准确预测异质性景观碳水通量的时空变化,对于综合理解气候变化和植被动态对景观和区域碳水循环的影响至关重要。本研究通过野外观测试验来探究草地斑块碳水通量的季节变化及其与非生物和生物因子之间的关系。在生长季通过密闭同化箱法测定了三个类型草地斑块的日间碳水通量(包括生态系统净交换、总生态系统生产力、生态系统呼吸和蒸散发),同时测定了关键植物性状指标,并计算性状加权平均值和功能分异度。研究结果表明,碳水通量的时间变化受气象因子、土壤因子和群落功能性状的影响。考虑植物功能性状加权平均值和功能分异度可以极大地提高景观尺度碳水通量变异的解释度。比叶面积和叶片δ¹³C含量是影响气体通量变化的重要性状指标。群落加权平均值对碳通量的预测能力优于功能分异度,而功能分异度对蒸散发的解释度更高。我们的研究结果表明,生物量比假说和互补效应假说互不排 斥,但两者对不同的生态系统过程的相对重要性不同,群落功能性状对半干旱草地碳水通量时空变化的机理解释和模型预测具有重要作用。     

土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响,既可能成为碳源,也可能是碳汇。在国内外相关研究的基础上,综述了土地利用变化对全球及区域尺度上森林、草地和农业生态系统碳循环的影响。全球范围内,森林砍伐后向草地和农田的转化发挥碳源的作用,在毁林碳排放中占主导地位,其中热带地区森林转变为农田和草场的碳排放均高于温带和北方森林。另一方面,土地利用变化可促进森林的碳贮存,如退耕还林、改善森林管理等。各区域森林生态系统通过土地利用变化贮存碳的潜力存在显著差别,热带湿润和半湿润地区具有较大的碳汇潜力,而干旱地区减少碳排放的空间相对较少。开垦活动是影响草地生态系统碳储存最主要的人类活动,草地转变为农田伴随着土壤碳的流失。森林或草场转变为农田的过程伴随着植被和土壤碳储量的减少,生态系统碳储量降低,因此它是一个碳排放的过程。伴随着城市的扩张,农田向建设用地的转化也是一个碳排放的过程。当前评估土地利用变化影响的研究方法主要有遥感观测和遥感模型、统计估算、生态系统模型以及土地利用与生态系统模型的耦合。研究方法得到不断地完善和改进的同时,还存在着一些不确定性,因此需要建立统一的观测统计方法,降低数据中的不确定性;完善土地利用与生态系统模型的耦合研究;建立多尺度土地利用变化及生态系统综合技术方法体系;开展碳减排目标下土地利用最优化布局研究。     

中国陆地生态系统碳源/汇整合分析

国家尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程的研究对于提升地球系统科学与全球变化科学的科技创新能力、提高我国参与应对全球气候变化国际行动和维护国家利益的话语权、保障国家生态安全和改进生态系统管理都具有重要意义。近年来,我国已经在气候变化与陆地生态系统碳循环领域开展了大量的研究工作,主要包括国家清查、生态系统模型模拟、大气反演等手段。然而,由于大尺度陆地生态系统碳源/汇的估算存在很大的不确定性,目前尚未形成国家尺度的陆地生态系统碳源/汇的整合分析。通过搜集已发表的关于中国陆地生态系统及其组分碳源/汇的59篇文献,整合国家清查、生态系统模型模拟、大气反演3种研究手段,分析中国陆地生态系统碳源/汇大小以及时间尺度上的动态变化。结果表明,在1960s-2010s期间中国陆地生态系统碳汇整体呈上升趋势,平均为（0.213±0.030）Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌木生态系统碳汇分别为（0.101±0.023）Pg C/a、（0.032±0.007）Pg C/a、（0.043±0.010）Pg C/a和（0.028±0.010）Pg C/a。森林生态系统中的植被碳汇远大于土壤碳汇,然而这种格局在草地和农田生态系统却相反,而且1960s-2010s期间中国主要植被类型的生态系统碳汇总体上随时间呈增加趋势。融合多源数据（地面观测、激光雷达、卫星遥感等）、多尺度数据（样地尺度、站点尺度、区域尺度）以及多手段数据（联网观测、森林清查、模型模拟）,有助于全面准确地评估中国陆地生态系统碳源/汇及其对气候变化的响应。     

生态交错带宽度判定及其影响因子研究进展

生态交错带是相邻生态系统之间的过渡带,是生态系统结构和功能在时、空尺度上变化较快的区域,也是生物多样性丰富区、全球变化敏感区.生态交错带位置和宽度的判定是定量研究交错带生态过程的基础,对生物多样性保护、片断化森林生态系统的管理与恢复以及自然保护区的功能分区都具有重要意义.由于生态交错带本身的复杂性,在相当程度上依赖于尺度水平,并受到各种自然和人为因素的影响,以致于目前还缺乏公认的原理和方法定量研究生态交错带,对其位置、宽度判定和动态变化研究一直处于不断的探索中.在分析大量相关研究资料的基础上,文章对生态交错带宽度判定方法以及影响因子进行论述,并对生态交错带宽度判定的研究前景进行展望.     

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.     

大尺度森林碳循环过程模拟模型综述

森林生态系统碳循环是全球陆地生态系统碳循环的重要组成部分,而碳循环模型已经成为研究森林碳循环的必要手段。森林碳循环模型可以分为统计模型和过程模型,其中过程模型以其完整的理论框架、严谨的结构分析和清晰的过程机理,逐渐占据了主导地位。从地球化学过程模型、陆面物理过程模型和生物过程模型等3个方面综述区域尺度到全球尺度(本文称为大尺度)森林碳循环过程模型研究进展,论述了各类模型的主要特征、优缺点以及应用现状,探讨了森林碳循环模拟研究中存在的问题,并讨论了森林碳循环过程模型的主流研究方向。可为不同空间尺度下森林生态系统碳循环模拟模型的选择提供参考,以及为森林碳循环研究提供借鉴。     

陆地水-碳耦合模拟研究进展

在全球气候变化和水资源危机背景下,人类对土地、森林和水资源的适应性管理需求推动了生态系统水、碳耦合与制约关系的研究.在多时空尺度上研究水、碳耦合关系、以及探讨全球变化下生态系统水、碳平衡及其相互响应机制是现阶段的研究热点.本文在综述不同尺度水、碳耦合关系的基础上,探讨了其中关键过程与参数的涵义和测算方法,分析了大尺度上基于遥感技术的蒸散发模型的构建及其对水碳耦合研究的重要性,最后展望了多源数据同化技术等在未来气候变化背景下水碳耦合模拟中的应用.     

中国森林生态系统净初级生产力时空分布及其对气候变化的响应研究综述

植被生产力是表征植被活力的关键变量,能够反映陆地生态系统的质量状况。森林净初级生产力(NPP)对气候变化的响应研究,是理解森林生态系统碳收支的基础,有助于认识气候变化与森林生态系统的相互作用机制,因而对于深刻理解陆地碳循环和全球变化均具有重要意义。目前我国已有大量针对近几十年国家和区域尺度上植被NPP时空分布的研究,其中专门针对森林生态系统NPP的研究也有不少。研究尺度多为全国范围或者片段式区域,以行政区或流域尺度最为多见。然而,这些研究总体比较分散,其中部分研究的结果、结论并不一致甚至相悖,尚缺乏异同性分析与比较,也缺乏系统性和综合性。这并不利于全面掌握我国相关研究的整体情况、了解清晰明确的研究结论以及进行更深层次的规律及原因探究,也非常影响对森林NPP的精确评估及机理认识,因而,对相关研究成果进行梳理、整合和总结非常有必要。鉴于此,本文收集了近几十年我国植被NPP研究的相关文献,依据其研究结果,系统地综述了全国及区域尺度森林生态系统NPP的时空分布规律及未来可能变化趋势,揭示出NPP与气候因子(以CO_2、温度、降水为主)的关系及对气候变化的响应情况,并指出目前国家研究中存在的主要问题及未来重点研究方向,以期为以后进一步的研究起到一定的索引和参考作用。     

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微...     

亚高山森林生态系统过程研究进展

亚高山森林是以冷、云杉属为建群种或优势种的暗针叶林为主体的森林植被。亚高山森林在庇护邻近脆弱生态系统、保育生物多样性、涵养水源、碳吸存和指示全球气候变化等方面具有十分重要且不可替代的作用和地位,其多样化的植被和土壤组合为研究生态系统过程提供了天然的实验室。亚高山森林的群落演替与更新、生物多样性保育、水文生态过程、生物元素的生物地球化学循环以及亚高山森林生态过程对气候变化的响应等研究已取得了明显的进展。但有关全球变化条件下的亚高山森林土壤生物多样性和冬季生态学过程等研究明显不足。全球气候变化背景下的冬季生态学过程、极端灾害事件对亚高山森林生态系统过程的影响、亚高山森林生物多样性的保育机制、亚高山森林土壤生物多样性与生态系统过程的耦合机制等可能是未来研究的前沿科学问题。     

Spatial variability and controls over biomass stocks,carbon fluxes,and resource-use efficiencies across forest ecosystems

Key message

Stand age, water availability, and the length of the warm period are the most influencing controls of forest structure, functioning, and efficiency.

Abstract

We aimed to discern the distribution and controls of plant biomass, carbon fluxes, and resource-use efficiencies of forest ecosystems ranging from boreal to tropical forests. We analysed a global forest database containing estimates of stand biomass and carbon fluxes (400 and 111 sites, respectively) from which we calculated resource-use efficiencies (biomass production, carbon sequestration, light, and water-use efficiencies). We used the WorldClim climatic database and remote-sensing data derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer to analyse climatic controls of ecosystem functioning. The influences of forest type, stand age, management, and nitrogen deposition were also explored. Tropical forests exhibited the largest gross carbon fluxes (photosynthesis and ecosystem respiration), but rather low net ecosystem production, which peaks in temperate forests. Stand age, water availability, and length of the warm period were the main factors controlling forest structure (biomass) and functionality (carbon fluxes and efficiencies). The interaction between temperature and precipitation was the main climatic driver of gross primary production and ecosystem respiration. The mean resource-use efficiency varied little among biomes. The spatial variability of biomass stocks and their distribution among ecosystem compartments were strongly correlated with the variability in carbon fluxes, and both were strongly controlled by climate (water availability, temperature) and stand characteristics (age, type of leaf). Gross primary production and ecosystem respiration were strongly correlated with mean annual temperature and precipitation only when precipitation and temperature were not limiting factors. Finally, our results suggest a global convergence in mean resource-use efficiencies.     

Impacts of elevated carbon dioxide concentration on terrestrial ecosystems: problems and prospective

理解生态系统对过去、现在和未来CO₂浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO₂浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响, 碳氮周转, 生态系统渐进式氮限制(PNL)形成, 与其他胁迫因子(O₃污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展, 但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO₂浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点, 回顾了CO₂浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展, 重点论述了CO₂浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

全球气候变暖对凋落物分解的影响

凋落物分解作为生态系统核心过程,参与生态系统碳的周转与循环,影响生态系统碳的收支平衡,调控生态系统对全球气候变暖的反馈结果。全球气候变暖通过环境因素、凋落物数量和质量以及分解者3个方面,直接或间接地作用于凋落物分解过程,并进一步影响土壤养分周转和碳库动态。气候变暖可通过升高温度和改变实际蒸散量等环境因素直接作用于凋落物分解。气候变暖可引起植物物种短期内碳、氮和木质素等化学性质的改变以及群落中物种组成的长期变化从而改变凋落物质量。在凋落物分解过程中,土壤分解者亚系统作为主要生命组分(土壤动物和微生物)彼此相互作用、相互协调共同参与调节凋落物的分解过程。凋落物分解可以通过改变土壤微生物量、微生物活动和群落结构来加快微生物养分的固定或矿化,以形成新的养分利用模式来改变土壤有机质从而对气候变化做出响应。未来凋落物分解的研究方向应基于大尺度跨区域分解实验和长期实验,关注多个因子交互影响下,分解过程中碳、氮养分释放、地上/地下凋落物分解生物学过程与联系、分解者亚系统营养级联效应等方面。     

帽儿山3种森林生态系统土壤动物与土壤呼吸及其相互关系研究

土壤呼吸是森林生态系统碳循环的关键过程,土壤动物可通过自身代谢及影响微生物活动调控土壤呼吸,因此研究土壤动物与土壤呼吸的相互关系对进一步揭示生态系统碳循环的规律和机理具有重要意义。通过野外定点,以帽儿山3种森林生态系统的土壤呼吸及土壤动物为研究对象,探讨不同森林生态系统的土壤呼吸、土壤动物个体密度和生物量的时间变化规律及二者相互关系。结果表明:(1)3种森林生态系统土壤总呼吸速率与土壤异养呼吸速率均呈现先增强后减弱的时间动态变化(P<0.05),且不同森林生态系统土壤异养呼吸速率差异显著(P<0.05),表现为硬阔叶林最高,红松人工林最低;(2)3种森林生态系统土壤动物生物量也具有显著的时间动态变化(P<0.05),均在9月份达到最大,且不同森林生态系统土壤动物个体密度显著不同(P<0.05),蒙古栎林土壤动物个体密度显著小于红松人工林与硬阔叶林;(3)通过回归分析可得,土壤动物数量及生物量的增加抑制了土壤呼吸速率,尤其在生长季初期、末期。研究表明土壤动物可通过抑制微生物生命活动和降低根系呼吸从而对土壤总呼吸及异养呼吸产生负反馈作用,三者是不可分割的整体,与土壤温度、水分等环境因子共同调控着土壤呼吸。