宏观植物生态模型的研究现状与展望

概述了3种主要植物生态模型的发展现状1)种群动态模型,主要模拟在一个生态系统中单个种的植物个体发芽、成长和死亡过程,及其种内竞争和种间相互作用,是研究开发最早的一类生态模型之一.该类模型主要应用于分析植物种群之间相互作用.2)演替模型,主要模拟植物种类(动物与此相伴)在整个生态系统发展过程的变化,包括植被类型的转变和相关的生物地球化学循环过程的改变.可用于研究生物群落对气候变化的响应.3)生态系统模型,是把生态系统当作一个功能整体来模拟的一类模型,主要有以下3类(1)SVAT模型,主要模拟地表生态系统过程,以BATS、SiB、SiB2和LEAF为代表,多用于气候研究;(2)BGC模型,主要模拟3个关键循环碳,水和营养物质循环.常用的BGC模型有FOREST-BGC、BIOME-BGC、CENTURY、TEM、DOLY以及由它们衍生而来的整合模型组;(3)BG模型,模拟群落、生物群区中植物分布,比较具有代表性的 BGMs包括BIOME2和MAPSS,它们主要用于研究因气候变化而引起的生物分布的变迁.最后,结合我们的实际工作展望了生态模型在未来几年内的几个发展方向1)与基础学科相结合,比如把物候学引入生态模型研究中来,以寻求新的支撑点;2)与现代非线性理论相结合,重新评价模型的假设基础;3)与现代科学技术相结合,利用3S技术和计算机技术为模型的发展提供更强大的技术支持;4)在研究方法上,从还原论转向整体论,尽可能地把生态系统当作一个功能整体来模拟研究.     

土壤线虫对气候变化的响应研究进展

全球变化对陆地生态系统功能具有重要而深远的影响。陆地生态系统地下部分具有重要的生态功能,其组成及结构对气候变化的响应将进一步减缓或加剧全球化进程。土壤线虫在各类生态系统中分布十分广泛,是地下食物网的重要组分,在维持土壤生物多样性及营养物质循环过程中发挥重要作用,其组成及结构对不同气候变化驱动因子的响应机制与模式不尽相同。增温及降水格局变化主要是通过改变线虫生境而直接影响其种群密度与结构,两者通常表现为正效应且作用效果随处理时间的延长而增强。CO2与大气氮沉降主要是通过影响地上植被,凋落物质量,土壤理化性质等间接过程影响土壤线虫。同时,不同的全球变化因子之间存在着复杂的交互作用,深入理解这些因子之间交互作用对线虫群落的影响模式与机制对于探讨未来气候变化情景下生态统生物多样性及养分循环过程具有重要的理论指导意义。     

植物-土壤反馈理论及其在自然和农田生态系统中的应用研究进展

植物-土壤反馈理论最早源于农业生产,近年来已成为生态学上研究植被动态变化、群落组成和功能,以及生态系统响应人为干扰、气候变化等众多热点问题的重要理论和方法支撑。总结了植物-土壤反馈定义和类型,分析了反馈机制,在此基础上综述了该理论在自然生态系统中的应用,包括物种入侵、群落演替、植物共存及多样性形成、植物多样性-生产力关系、多营养级交互作用以及响应气候变化等关键生态学命题。探讨了植物-土壤反馈理论在农田生态系统中的应用,介绍了该理论在提高多样化种植体系生产力、土壤污染修复、种植体系设计等方面的进展和潜在应用价值。提出了植物-土壤反馈理论在未来发展中进一步研究的方向,对应用该理论提高生态系统服务功能,促进可持续发展等方面进行了展望。     

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。     

陆地生态系统过程对气候变暖的响应与适应

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。     

深圳坝光银叶树群落结构与多样性

为了解深圳坝光银叶树群落的结构特征、物种多样性与演替情况以及群落内古树保护现状,采用样带法全面调查了深圳坝光银叶树群落,基于生境特点将群落分成3个不同生境类群,分析了不同生境群落多样性及演替趋势。结果表明:该群落由89个种群组成,隶属于35科73属,其中银叶树种群在乔木层、幼树层和幼苗层的重要值均为最高,阴香、九节、海芒果等也占有较大优势。群落中2.5 m以下的幼树占各种群数量的83.26%,其中78.37%的幼树是银叶树,表明银叶树群落的演替趋势处于"金字塔"型的正方向发展。3种生境类型群落多样性指数高低呈现为:邻海陆地生境群落远离海岸的陆地生境群落滨海沼泽湿地生境群落,随着群落的发展,邻海陆地和远离海岸的陆地生境群落种群的多度将增加,而滨海沼泽湿地生境群落则逐渐衰退。由于人为和自然因素的威胁,坝光银叶树已表现出一些濒危的特征,需加强保护。     

中国不同气候带植被挥发性有机化合物通量与生态系统演替的相关性

从群落水平和生态系统演替的角度对中国热带,亚热带和温带生态系统植物挥发性有机化合物（VOC）通量的研究表明,异戊二烯通量呈现出在生态系统演替的早期到中期阶段随着演替的的进行而升高,在先锋性灌木和乔木阶段达到高峰,然后又随着演替的发展而逐渐下降的演替格局,而其他VOC通量则有随着演替的进行而上升的趋势。生态系统不同演替阶段异戊二烯通量的变化可能与植物获取养分氮有关,根据植物VOC释放通量的生态演替格局,可以建立全球陆地生态系统的VOC模型,对大气化学过程中的VOC时空动态进行很好的模拟。     

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟, 陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展, 总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用, 并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。     

土壤微生物群落对全球气候变化响应的研究进展

全球气候变化对陆地生态系统过程和功能产生重要影响,土壤微生物群落在陆地生态系统几乎所有的生物地球化学循环过程起到关键作用。本文针对气候变化对土壤微生物的影响研究结果,主要从土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构对大气CO₂升高、增温、降水变化、氮沉降等全球变化单因子和多因子的直接或间接响应进行综述,并进一步阐述参与土壤碳氮循环过程的功能微生物对气候变化的响应机制与适应规律。全球变化因子改变了土壤微生物的群落组成,呈现降低、增加和无影响3种效应,且不同功能微生物也呈现不同的敏感性。多个全球变化因子对土壤微生物群落结构的交互效应可能存在加性、协同、拮抗作用,产生加和的、相互促进或抵消的整体效果。然而,目前对多种全球变化因子如三因子或四因子的组合作用,以及多因子的高阶交互作用研究较少;已有的研究地理分布不均匀,且时间和空间大尺度的研究不足;缺乏综合生态系统模型对全球变化的影响进行模拟和预测。最后指出今后的研究发展方向：进行多种全球变化因子、长时间、多生态系统点位、大空间尺度的土壤微生物群落动态研究;探究多种全球变化因子的高阶交互作用;建立综合响应的生态系统模...     

黄淮海平原农业景观非农生境植物功能群特征分析

植物功能群的划分有助于对生态系统结构、功能和服务的理解与认知,为更好的了解农业景观中残存的各非农生境在区域生物多样性保护和生态系统服务中的地位和作用。在黄淮海平原典型区域布点,对区内主要非农生境(林地、树篱、田间道路、沟渠)中的植物群落进行调查,并基于植物功能群分类结果探讨了其特征和在生态系统服务上的贡献。结果显示:(1)从物种数量来看,双子叶植物占绝对优势,单子叶植物在各生境中均较少,但却具有较高的群落地位,一年生和多年生植物物种丰富度及重要值基本一致;(2)从生境类别来看,田间道路和树篱等生境中一年生和单子叶植物更具有优势,随着人类扰动强度的减弱,在林地和沟渠生境中,开始有大量的多年生物种出现,尽管这些物种多为偶见种。(3)常见种多为一年生双子叶植物,种类不多,但群落地位极高,而偶见种中存在大量的多年生双子叶物种。深入分析认为,在黄淮海平原农业景观中,总体上各非农生境均处于群落演替早期,以一年生和单子叶植物功能群构成了群落主体,群落结构简单,优势种群明显,随着干扰强度的相对降低,林地与沟渠生境中的多年生和双子叶物种大量出现,偶见种增加,优势种地位下降。从物种多样性保护与生态系统服务提供综合考虑的角度看,尽管这些非农生境发挥了重要作用,但所能发挥的作用还很有限,未来仍需进一步减弱人类活动对非农生境的干扰,从而进一步提高区域生态系统服务的总体水平。     

土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳循环的影响

土地利用/覆盖变化是学术界最为关注的环境变化问题之一,它能够影响陆地生态系统的生物多样性、水、碳和养分循环、能量平衡,引起温室气体释放增加等其它环境问题。不同类型的土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的作用不同,由高生物量的森林转化为低生物量的草地、农田或城市后,大量的CO₂将释放到大气中。全球土地利用/覆盖变化具有很强的空间变异性,对生态系统碳循环的影响同样具有明显的空间差异:热带地区的土地利用/覆盖变化造成大量的碳释放,而中高纬度地区土地利用/覆盖变化则表现为碳汇。目前,土地利用/覆盖变化引起的生态系统碳循环变化主要是通过模型模拟来估算的。尽管土地利用/覆盖变化及其相关过程与生态系统碳循环的关系已经比较清楚,但是,由于土地利用/覆盖变化过程复杂且影响广泛,对于如何量化两者之间的关系还存在很多不确定性。目前的量化过程主要是利用经验数据来实现的,机理性不强,使得对土地利用/覆盖变化造成的陆地生态系统CO₂释放量的估测差异很大。除了进一步加强长期定位研究以获得土地利用/覆盖变化与生态系统碳循环过程的定量关系外,土地利用/覆盖变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型的耦合也是今后模型发展的主要方向之一。采用合理的管理措施能够大量增加土地利用/覆盖变化过程中的碳储存量,降低碳释放量,因此在模型中耦合管理措施来研究土地利用/覆盖变化过程对生态系统碳循环的影响是未来几年的工作重点。     

陆地碳循环研究中的模型方法

陆地碳循环是全球变化研究中的重要内容,碳循环模型已成为研究陆地碳循环的必要方法．其中气候变化、大气ＣＯ２浓度上升以及人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化导致陆地生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对陆地碳循环的影响是模型模拟的关键问题．生物地理模型和生物地球化学模型是碳循环模型的两大类型,建模方法、模型性质、特点和应用范围各异．碳循环模型的发展方向是综合两类模型的特点,建立全球动态碳循环模型．     

Stoichiometric flexibility as a regulator of carbon and nutrient cycling in terrestrial ecosystems under change

Ecosystems across the biosphere are subject to rapid changes in elemental balance and climatic regimes. A major force structuring ecological responses to these perturbations lies in the stoichiometric flexibility of systems - the ability to adjust their elemental balance whilst maintaining function. The potential for stoichiometric flexibility underscores the utility of the application of a framework highlighting the constraints and consequences of elemental mass balance and energy cycling in biological systems to address global change phenomena. Improvement in the modeling of ecological responses to disturbance requires the consideration of the stoichiometric flexibility of systems within and across relevant scales. Although a multitude of global change studies over various spatial and temporal scales exist, the explicit consideration of the role played by stoichiometric flexibility in linking micro-scale to macro-scale biogeochemical processes in terrestrial ecosystems remains relatively unexplored. Focusing on terrestrial systems under change, we discuss the mechanisms by which stoichiometric flexibility might be expressed and connected from organisms to ecosystems. We suggest that the transition from the expression of stoichiometric flexibility within individuals to the community and ecosystem scales is a key mechanism regulating the extent to which environmental perturbation may alter ecosystem carbon and nutrient cycling dynamics.     

How close are we to a predictive science of the biosphere?

In just 20 years, the field of biosphere-atmosphere interactions has gone from a nascent discipline to a central area of modern climate change research. The development of terrestrial biosphere models that predict the responses of ecosystems to climate and increasing CO2 levels has highlighted several mechanisms by which changes in ecosystem composition and function might alter regional and global climate. However, results from empirical studies suggest that ecosystem responses can differ markedly from the predictions of terrestrial biosphere models. As I discuss here, the challenge now is to connect terrestrial biosphere models to empirical ecosystem measurements. Only by systematically evaluating the predictions of terrestrial biosphere models against suites of ecosystem observations and experiments measurements will a true predictive science of the biosphere be achieved.     

Biogeochemical Change During Climate-Driven Afforestation: A Paleoecological Perspective from the Rocky Mountains

Shifts in an ecosystem’s state can alter biogeochemical cycling and the extent of nutrient conservation within a terrestrial landscape on multiple time scales. Transient biogeochemical changes may follow disturbance and succession, although persistent long-term differences may exist under different climates and vegetation types. We evaluate the potential for such biogeochemical changes in the context of long-term ecological history by measuring the nitrogen isotope composition of organic matter in a lake sediment core. We targeted Little Windy Hill Pond (LWH) in the Medicine Bow Mountains, Wyoming because reconstructions of the lake level, fire, and vegetation histories from the lacustrine sediments indicated a century-scale transformation from an arid, shrub-dominated landscape to a sub-alpine, tree-dominated ecosystem with extensive woody cover and large, live biomass pools. We demonstrate that the afforestation at the beginning of the Holocene transformed the Artemisia-dominated ecosystem, which had persisted for millennia during the Pleistocene. The changes affected nitrogen cycling dynamics, especially through intensified nutrient conservation when live biomass pools increased with greater woody cover. The LWH sediments record a baseline δ¹⁵N shift from 2.2–3.0 to 0.3–2.0‰ as less ¹⁵N-enriched organic matter accumulated in the lake. We also observed a transient pattern of maximum nutrient conservation and minimum δ¹⁵N values as terrestrial biomass increased during the aggradation (~175 years) and transition phases of ecological succession. Our nitrogen isotope results support theoretical expectations of long-term biogeochemical dynamics as nutrient conservation increases during afforestation.     

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。     

季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响

全球气候变化引发的雪被格局变化将深刻影响植被的凋落物分解、陆地生态系统的土壤养分循环等过程.森林是陆地生态系统的主体,在全球生物地球化学循环中起着不可替代的作用.本研究综述了季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响.全球气候变化情景下季节性雪被表现出因地域而异的增加或减少的变化格局,一方面通过改变环境温湿度、凋落物质量、分解者动态等直接影响分解过程,另一方面通过改变森林群落结构、植被物候、土壤养分等间接地作用于凋落物分解.同时,季节性雪被通过影响氮富集作用、雪被下土壤温湿度、冻融循环、森林群落、雪下动物和微生物等相关因子而改变森林土壤氮循环.本领域未来应开展的研究是: 1) 全面考虑全球气候变化情景下季节性雪被格局的变异性,开展不同季节性雪被格局变化的模拟研究;2) 开展季节性雪被融雪水淋溶作用对森林凋落物分解和土壤氮动态的影响研究;3) 阐明不同生态系统和气候带中季节性雪被格局变化对森林凋落物分解过程和土壤氮动态的驱动机制研究;4) 量化季节性雪被变化对森林凋落物分解和土壤氮动态在雪被覆盖期的瞬时影响和无雪期的延续影响,为阐明和模型预测陆地生态系统生物地球化学循环对全球气候变化的响应提供理论基础和数据支持.     

稳定性同位素技术与Keeling曲线法在陆地生态系统碳/水交换研究中的应用

稳定性同位素技术和Keeling曲线法是现代生态学研究的重要手段和方法之一。稳定性同位素能够整合生态系统复杂的生物学、生态学和生物地球化学过程在时间和空间尺度上对环境变化的响应。Keeling曲线法是以生物过程前后物质平衡理论为基础,将CO₂或H₂O的同位素组成(δD、δ¹³C或δ¹⁸O)与其对应浓度测量结合起来,将生态系统净碳通量区分为光合固定和呼吸释放通量,或将整个生态系统水分蒸散区分为植物蒸腾和土壤蒸发。在全球尺度上,稳定性同位素技术、Keeling曲线法与全球尺度陆地生态系统模型相结合,还可区分陆地生态系统和海洋生态系统对全球碳通量的贡献以及不同植被类型(C₃或C₄)在全球CO₂同化量中所占的比例。然而,生态系统的异质性使得稳定性同位素技术和Keeling曲线法从冠层尺度外推到生态系统、区域或全球尺度时存在有一定程度的不确定性。此外,取样时间、地点的选取也会影响最终的研究结果。尽管如此,随着分析手段的不断精确和研究方法的日趋完善,稳定性同位素技术和Keeling曲线法与其它测量方法(如微气象法)的有机结合将成为未来陆地生态系统碳/水交换研究的重要手段和方法之一。