植物物候对气候变化的响应

植物物候的变化可以直观地反映某些气候变化,尤其是气候变暖.植物生长节律的变化引起植物与环境关系的改变.生态系统的物质循环（如水和碳的循环）等过程将随物候而改变.不同种类植物物候对气候变化的响应的差异,会使植物间和动植物间的竞争与依赖关系也发生深刻的变化.目前欧洲、美洲、亚洲等许多地区均有关于春季植物物候提前,秋季物候推迟,使植物的生长季延长,从而提示气候变暖的趋势.植物物候的模拟模型构成生态系统生产力模型的重要部分.     

基于OTCs模拟增温方式探讨气候变暖对青藏高原草地生态系统的影响

开顶式生长室(OTCs)增温实验是研究全球气候变化与陆地生态系统关系的主要方法之一,已广泛应用于青藏高原地区。该文通过对近些年国内外研究文献的回顾,分别从植物物候、群落结构、生物量和土壤方面综合分析青藏高原草地生态系统对OTCs模拟增温实验的响应。研究发现:增温使群落返青期提前、枯黄期延迟,生长季延长;有利于禾本科植物的生长;高寒草甸地下生物量分配格局向深层转移;高寒草地生态系统对模拟增温的响应存在不确定性,受到地域、群落类型和实验时间的影响;在增温条件下,降雨和冻土融化引起的土壤水分变化通过调控生态系统的物候、生产力、土壤等途径控制着生态系统对气候变暖的响应。并在此基础上,提出了将来应着重研究的几个方面。     

高寒草甸植被-土壤系统对气候变暖响应的研究进展

低温限制环境下发育的高寒草甸对气候变暖响应极为敏感,因此,研究高寒草甸响应气候变暖特征对预测未来气候变化下高寒生态系统可能产生的变化具有重要意义。为进一步加深高寒生态系统响应气候变暖机制的理解,从植物个体水平、群落水平特征,以及土壤物理、化学、生物特性等方面,综述了气候变暖对高寒草甸植被-土壤系统的影响,并指出现有研究存在的不确定性,同时对今后的工作做了展望。温度升高促进高寒草甸植物生长发育。在适度增温下植物的光合呼吸、生物量、物种多样性有所增加,然而不同植物种类具有不同的生理结构和生态位,加之增温幅度和时间不同,导致植物光合呼吸强度、生物量分配、物候期出现差异;而温度过度升高则会导致高寒草甸物种趋于单一化,引起物种多样性降低,对群落演替产生重要影响。同时,温度升高增加高寒草甸土壤温度,减少土壤含水量,从而导致土壤有机碳含量降低或增加。在短期增温下,土壤碳和酶活性升高,土壤呼吸速率增加;但随着时间延长,土壤呼吸速率不再增加,表现出对增温的适应性。因此,高寒草甸生态系统不同组分和各生命过程对温度响应模式的差异,导致了气候变暖对高寒草甸植被-土壤系统各组分的影响存在很大不确定性,建议深入开展不同增温幅度和时间下高寒草甸植被-土壤系统各组分正负效应的定量化阈值判断及其生态-分子生物学响应机制研究。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

气候变暖对陆生植物的影响

温度是影响植物生长、发育和功能的重要环境因子,是调节许多陆地生态系统生物地球化学过程的关键因素之一.全球气候持续变暖直接或间接地对陆生植物产生不同程度的影响.本文从不同方面分析了植物对温度升高及其它生态环境因子变化交互作用下的生理生态适应机制,包括生态系统的土壤呼吸、植物的气体交换、水分关系、生物量和生产力的响应等方面的研究进展,并就未来开展陆生植物对气候变暖响应研究提出加强和改进的设想.     

土壤呼吸组分对气候变暖的响应研究进展

气候变暖正在深刻地改变全球碳循环过程.土壤呼吸作为全球碳循环的重要环节,连接着植物-土壤-微生物之间的碳转移过程.土壤呼吸可分为异养呼吸和根源呼吸(根系呼吸和根际微生物呼吸)等组分.土壤呼吸各组分的发生部位与利用的有机碳源不同,其对气候变暖的响应可能存在显著差异.然而,目前的研究还不能完全实现土壤呼吸各组分的精确区分和量化,气候变暖对土壤呼吸各组分的影响及其具体机制仍存在很多悬而未决的问题,这极大地限制了人们对土壤碳循环评估的精确性以及对气候变暖背景下陆地生态系统碳收支格局变化的认识.本文系统综述了目前国内外土壤呼吸组分区分技术,分析了土壤呼吸组分区分的研究结果,并论述了土壤呼吸各组分对气候变暖的响应研究进展.提出仍需发展新的土壤呼吸组分区分技术或者改进和创新现有技术,未来的研究重点应放在精确区分野外条件下根源呼吸组分,同时开展土壤呼吸组分对多种环境因子变化的响应研究,以期更全面地认识土壤碳循环过程以及全球变化背景下陆地生态系统碳收支的变化趋势.     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

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。     

植物物候与气候研究进展

植物物候及其变化是多个环境因子综合影响的结果,其中气候是最重要、最活跃的环境因子。主要从气候环境角度分析了植物物候与气候以及气候变化间的相互关系,概述了国内外有关植物物候及物候模拟等方面的研究进展。表明,温度是影响物候变化最重要的因子;同时,水分成为胁迫因子时对物候的影响也十分重要。近50a左右,世界范围内的植物物候呈现出了春季物候提前,秋季物候推迟或略有推迟的特征,从而导致了多数植物生长季节的延长,并成为全球物候变化的趋势。全球气候变暖改变了植物开始和结束生长的日期,其中冬季、春季气温的升高使植物的春季物候提前是植物生长季延长的主要原因。目前对物候学的研究方向主要集中在探讨物候与气候变化之间的关系,而模型模拟是定量研究气候变化与植物物候之间关系的重要方式,国内外已经开发出多种物候模型来分析气候驱动与物候响应之间的因果关系。另外遥感资料的应用也为物候模型研究提供了新的方向。物候机理研究、物候与气候关系以及物候模型研究将是研究的重点。     

植物物候变化研究进展

全球变化背景下,植物物候对气候变暖的响应已经成为研究热点。本文就植物物候对温度、水分、光照等气象因子的响应做了总结,并对国内外物候研究方法进行概述,特别是综合了近年来国内物候变化研究的文献,对我国植物春季物候变化情况作了统计:全球变化对我国大部分地区植被的影响主要是生长季提前,但新疆干旱区植被生长季开始日期在区域尺度上没有显著提前或者延迟趋势。由于物候研究方法的差异以及研究尺度的不同,在一定程度上弱化了研究结果的可比性,建议我国应基于目前的中国通量观测网以及各级生态监测网络,建立统一的物候监测平台,同时完善通量数据提取植物物候信息的方法,特别是阈值判定标准,为分析植物物候响应气候变化提供参考。     

增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响

草地生态系统作为世界陆地生态系统的主体类型,其土壤呼吸和生态系统呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,土壤呼吸是未经扰动的土壤由于代谢活动而产生CO2的过程,生态系统呼吸包括地下部分的土壤呼吸和地上部分植被的自养呼吸。研究增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响,可为预测未来气候变化条件下的全球碳收支以及草地的可持续经营与管理提供重要的科学依据。该文扼要综述了关于草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应方面的研究。结果表明:草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应非常复杂,受多种因素的综合影响,无论是增温还是放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响均具有不确定性,因草地类型、增温幅度、增温时间、放牧强度、放牧频度和放牧方式的不同而不同。在此基础上,指出了以后应加强研究的方向,草地的利用离不开放牧,对于未来气候变化条件下的草地,温度升高和放牧这两个因素必然是同时存在的,以前多数实验是单独研究增温或放牧对它们的影响,然而,这两者对草地生态系统的影响并非可加的,因此,需要加强增温与放牧的耦合试验,同时加强关于生态系统呼吸不同组分对两者的响应的研究,以便更好地理解增温和放牧的影响机制。另外,草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应会随着时间的推移而发生变化,因而加强长期连续的试验观测很有必要。     

Effects of permafrost degradation on ecosystems

Permafrost, covering approximately 25% of the land area in the Northern Hemisphere, is one of the key components of terrestrial ecosystem in cold regions. As a product of cold climate, permafrost is extremely sensitive to climate change. Climate warming over past decades has caused degradation in permafrost widely and quickly. Permafrost degradation has the potential to significantly change soil moisture content, alter soil nutrients availability and influence on species composition. In lowland ecosystems the loss of ice-rich permafrost has caused the conversion of terrestrial ecosystem to aquatic ecosystem or wetland. In upland ecosystems permafrost thaw has resulted in replacement of hygrophilous community by xeromorphic community or shrub. Permafrost degradation resulting from climate warming may dramatically change the productivity and carbon dynamics of alpine ecosystems. This paper reviewed the effects of permafrost degradation on ecosystem structure and function. At the same time, we put forward critical questions about the effects of permafrost degradation on ecosystems on Qinghai–Tibetan Plateau, included: (1) carry out research about the effects of permafrost degradation on grassland ecosystem and the response of alpine ecosystem to global change; (2) construct long-term and located field observations and research system, based on which predict ecosystem dynamic in permafrost degradation; (3) pay extensive attention to the dynamic of greenhouse gas in permafrost region on Qinghai–Tibetan Plateau and the feedback of greenhouse gas to climate change; (4) quantitative study on the change of water-heat transport in permafrost degradation and the effects of soil moisture and heat change on vegetation growth.     

近30年来青藏高原高寒草地NDVI动态变化对自然及人为因子的响应

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在调节气候、水土保持、防风固沙、保护生物多样性等方面发挥着重要作用。青藏高原是全球海拔最高的独特地域单元，平均海拔超过4000 m，素有“世界第三极”之称，亦是我国重要的生态安全屏障，其对气候变化敏感且易受人类活动的影响，属于气候变化敏感区和生态脆弱带。近年来，由于气候变化和人类活动的不断加剧，青藏高原区域气候和环境发生了重大变化，气候变暖、水污染、草地退化和沙化等问题已严重阻碍了当地社会经济的可持续发展。高寒草地是青藏高原主要的植被类型，在气候变化和人类活动加剧的背景下，青藏高原高寒草地植被的动态变化受到人们的广泛关注。归一化植被指数（Normalized difference vegetation index, NDVI）因能有效地反映植被覆盖程度和生长状况而被广泛应用于植被动态的研究中。气温与降水被认为是影响青藏高原植被动态的主要气候因子，放牧强度与人口数量则是主要人为因子。因此，研究高寒草地植被对气候变化和人类活动的响应机制对预测未来草地变化有着重要的意义。基于青藏高原生长季草地的NDVI、气温、降水、放牧强度及人口数量等数据，在县区尺度上，采用趋势分析法探究了1982—2013年青藏高原143个县区生长季草地NDVI动态变化、气候变化及人类活动的变化，同时采用面板数据模型分析了32年来青藏高原143个县区气候、人为因子变化对草地NDVI变化的相对贡献。研究结果显示：（1）青藏高原高寒草地生长季NDVI总体呈增长趋势，草地植被生长状态呈现“整体改善、局部退化”趋势；（2）青藏高原生长季平均气温与降水量整体增加，气候呈现“暖湿化”趋势；（3）在长时间尺度上，气候因子主导了青藏高原高寒草地NDVI的变化，降雨和气温的增加促进草地NDVI的增加，放牧强度的持续增加则导致草地NDVI的减少。     

Belowground carbon responses to experimental warming regulated by soil moisture change in an alpine ecosystem of the Qinghai–Tibet Plateau

Recent studies found that the largest uncertainties in the response of the terrestrial carbon cycle to climate change might come from changes in soil moisture under the elevation of temperature. Warming‐induced change in soil moisture and its level of influence on terrestrial ecosystems are mostly determined by climate, soil, and vegetation type and their sensitivity to temperature and moisture. Here, we present the results from a warming experiment of an alpine ecosystem conducted in the permafrost region of the Qinghai–Tibet Plateau using infrared heaters. Our results show that 3 years of warming treatments significantly elevated soil temperature at 0–100 cm depth, decreased soil moisture at 10 cm depth, and increased soil moisture at 40–100 cm depth. In contrast to the findings of previous research, experimental warming did not significantly affect NH ₄ ⁺‐N, NO ₃ ⁻‐N, and heterotrophic respiration, but stimulated the growth of plants and significantly increased root biomass at 30–50 cm depth. This led to increased soil organic carbon, total nitrogen, and liable carbon at 30–50 cm depth, and increased autotrophic respiration of plants. Analysis shows that experimental warming influenced deeper root production via redistributed soil moisture, which favors the accumulation of belowground carbon, but did not significantly affected the decomposition of soil organic carbon. Our findings suggest that future climate change studies need to take greater consideration of changes in the hydrological cycle and the local ecosystem characteristics. The results of our study will aid in understanding the response of terrestrial ecosystems to climate change and provide the regional case for global ecosystem models.     

Warming Reduces Carbon Losses from Grassland Exposed to Elevated Atmospheric Carbon Dioxide

The flux of carbon dioxide (CO₂) between terrestrial ecosystems and the atmosphere may ameliorate or exacerbate climate change, depending on the relative responses of ecosystem photosynthesis and respiration to warming temperatures, rising atmospheric CO₂, and altered precipitation. The combined effect of these global change factors is especially uncertain because of their potential for interactions and indirectly mediated conditions such as soil moisture. Here, we present observations of CO₂ fluxes from a multi-factor experiment in semi-arid grassland that suggests a potentially strong climate – carbon cycle feedback under combined elevated [CO₂] and warming. Elevated [CO₂] alone, and in combination with warming, enhanced ecosystem respiration to a greater extent than photosynthesis, resulting in net C loss over four years. The effect of warming was to reduce respiration especially during years of below-average precipitation, by partially offsetting the effect of elevated [CO₂] on soil moisture and C cycling. Carbon losses were explained partly by stimulated decomposition of soil organic matter with elevated [CO₂]. The climate – carbon cycle feedback observed in this semiarid grassland was mediated by soil water content, which was reduced by warming and increased by elevated [CO₂]. Ecosystem models should incorporate direct and indirect effects of climate change on soil water content in order to accurately predict terrestrial feedbacks and long-term storage of C in soil.     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

增温增水对草地生态系统碳循环关键过程的影响

生态系统碳循环是生态系统过程的重要组成部分,对碳循环关键过程机理的研究有助于更好地理解生态系统过程。目前,气候变化（全球变暖、降水时空格局变化）对草地生态系统过程产生了重要的影响。综述了气候变化（温度和降水变化）对草地生态系统碳循环关键过程（植物生产力、植物物候、植物根系周转、生态系统呼吸和生态系统净碳交换）的影响,在此基础上指出了目前气候变化（温度和降水变化）控制试验研究的不足,并进一步提出了今后应该加强研究的方向。     

Different responses of ecosystem carbon exchange to warming in three types of alpine grassland on the central Qinghai–Tibetan Plateau

Climate is a driver of terrestrial ecosystem carbon exchange, which is an important product of ecosystem function. The Qinghai–Tibetan Plateau has recently been subjected to a marked increase in temperature as a consequence of global warming. To explore the effects of warming on carbon exchange in grassland ecosystems, we conducted a whole‐year warming experiment between 2012 and 2014 using open‐top chambers placed in an alpine meadow, an alpine steppe, and a cultivated grassland on the central Qinghai–Tibetan Plateau. We measured the gross primary productivity, net ecosystem CO₂ exchange (NEE), ecosystem respiration, and soil respiration using a chamber‐based method during the growing season. The results show that after 3 years of warming, there was significant stimulation of carbon assimilation and emission in the alpine meadow, but both these processes declined in the alpine steppe and the cultivated grassland. Under warming conditions, the soil water content was more important in stimulating ecosystem carbon exchange in the meadow and cultivated grassland than was soil temperature. In the steppe, the soil temperature was negatively correlated with ecosystem carbon exchange. We found that the ambient soil water content was significantly correlated with the magnitude of warming‐induced change in NEE. Under high soil moisture condition, warming has a significant positive effect on NEE, while it has a negative effect under low soil moisture condition. Our results highlight that the NEE in steppe and cultivated grassland have negative responses to warming; after reclamation, the natural meadow would subject to loose more C in warmer condition. Therefore, under future warmer condition, the overextension of cultivated grassland should be avoided and scientific planning of cultivated grassland should be achieved.