地球生物学发展的机遇与挑战*

地球生物学已经引起了人们的广泛关注, 目前面临着机遇与挑战并存的发展局面。得益于现代技术方法的大发展, 地球生物学的研究对象经历了从宏体动植物向微体古生物再向地质微生物和地质病毒的发展, 研究主题从气候环境对生物演化的影响进一步拓展到生物演化如何影响气候环境乃至深地过程, 进而回答生命是如何塑造地球的宜居性这个地球科学的根本性难题。研究对象和研究主题的拓展也提升了地球生物学服务人类社会的能力, 资源能源安全的保障、气候—环境—生物多样性危机的协调应对等都需要地球生物学的支撑。同时, 地球生物学的发展也面临着诸多挑战。它首先需要技术方法的进一步革新来带动认识的创新, 其次需要回答生物演化的驱动力问题, 更需要破解生物演化如何影响深地过程, 包括板块运动、火山活动等地质过程, 只有这样才能全面而正确地评估生物是否改变了宜居地球的演化方向, 以及如何应对当前人类所面临的诸多全球性难题。     

尕海湿地草甸土退化过程土壤氮矿化演变特征

氮矿化是生态系统循环的重要环节之一,影响着生态系统功能和氮素生物地球化学循环,因此研究高寒湿地退化过程中土壤氮矿化演变特征,对揭示气候变化和人为活动干扰背景下的湿地土壤氮素循环过程具有重要意义。以尕海湿地4种不同退化梯度(未退化、轻度退化、中度退化、重度退化)土壤为研究对象,采用野外树脂芯原位培养方法,通过对植物生长季不同生长阶段(生长初期、生长盛期、枯萎期)土壤氮素矿化作用研究,分析湿地退化演替过程中土壤氮矿化时空变化特征及其与土壤环境因子和酶活性之间的关系。结果表明：尕海湿地退化对土壤氮矿化过程有显著抑制作用,与未退化(0.143 mg kg^-1 d^-1)相比,轻度退化、中度退化、重度退化的土壤净氮矿化速率分别减小了0.018 mg kg^-1 d^-1、0.025 mg kg^-1 d^-1、0.020 mg kg^-1 d^-1;随着退化程度加剧,土壤净氨化速率逐渐减小或者不变,而净硝化速率却增大。随时间推移,各退化...     

基于土地利用变化与生态系统服务供需的中国野生亚洲象时空迁移特征分析

2021年4月,我国15头野生亚洲象(Elephas maximus)从西双版纳一路北迁至昆明市受到了全世界的关注,分析我国野生亚洲象分布区土地利用变化、生态系统服务供需关系如何影响野生亚洲象分布,对保护亚洲象与提高当地人类福祉具有重要的意义。利用生态系统服务价值当量因子法和生态系统服务需求模型计算中国野生亚洲象分布区1990、2005、2015年生态系统服务供给价值与需求指数,通过空间标准化匹配出四种生态系统服务供需模式,探究我国野生亚洲象偏好分布的供需模式。结果表明,林地、草地和耕地是最主要的土地利用类型,1990—2015年,林地、草地和耕地的面积变化率分别为1.09%、-4.82%、-4.86%。1990、2005、2015年生态系统供给总价值分别为6108.55亿元、7434.41亿元、13973.37亿元;生态系统服务需求不断提高,整体呈现中间高,四周低的分布格局。在研究的25年内,亚洲象分布于高供给-高需求与高供给-低需求区域,且有向高供给-高需求区域迁徙的趋势。     

1981—2018年新疆草地归一化植被指数时空特征及其对气候变化的响应

在新疆开展长时间序列的草地监测,分析草地生长的时空变化特征,有利于草地环境压力分析和草地生态健康预测。以NOAA-AVHRR NDVI为数据源,采用最大值合成、一元回归分析与相关性分析,分别在年际尺度和多个空间尺度(全疆、南北疆与各地区及其11种草地类型)上探讨了1981—2018年新疆草地归一化植被指数(NDVI)时空特征及其对气温、降水的响应。结果表明：(1)1981—2018年,新疆草地NDVI多年均值0.326,变化范围0.259—0.386,具有轻微年际波动特征;(2)北疆、南疆草地NDVI均表现为轻微增加趋势;全疆占草地总面积41%的区域NDVI呈显著增加趋势,9%为显著减少区域,北疆草地NDVI显著增加的面积是南疆的1.7倍;(3)由于垂直地带性及区域差异,新疆草地NDVI由山区向盆地的荒漠降低;北疆草地NDVI是南疆1.4倍,总体上北疆各地区草地NDVI高于南疆各地区;(4)草地类型植被NDVI对降水的显著响应高于气温,其中温性荒漠类、温性荒漠草原类与温性草原类草地NDVI对降水变化的响应明显高于其余草地类型,降水对草地NDVI的影响更为显著,表明降水引起的地表水分变化...     

三江源国家公园草地地上生物量时空动态及其气候影响

三江源区位于青藏高原腹地,作为长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地,是我国重要的生态安全屏障。基于三江源区域草地AGB的野外调查数据,本研究采用多种机器学习算法集成分析的方式构建模型,实现了高精度的三江源国家公园草地AGB时空估算。基于AGB时空模拟结果,分析了近19年(2000—2018年)三江源国家公园区域草地AGB的时空动态变化。研究结果显示：(1)通过多种机器学习结合贝叶斯平均模型,草地AGB模拟值与实测值的r为0.88,RMSE为71.60g/m²,表明多模型集成分析的方式对草地AGB估算获得了较好的模拟效果。(2)三江源国家公园区域草地AGB的空间分布具有明显的空间异质性,呈从东南向西北递减的趋势。(3)2000—2018年长江源国家公园、黄河源国家公园和澜沧江国家公园区域草地AGB多年平均值分别为82.96 g/m²、117.54g/m²和168.39 g/m²。(4)近19年间,在黄河和长江源园区受到温度上升的影响草地AGB呈现出非显著性上升趋势;澜沧江区域,由于2015和2016年的...     

变化环境下火干扰研究进展

火是地球系统的重要过程,也是一种剧烈的环境干扰因素。火是生态系统变化的驱动力和催化剂,调节着生态系统的结构和功能,同时反馈给气候系统。近年来,世界多个国家相继爆发了历史上罕见的极端火事件,使得火干扰、气候变化和人类活动之间的相互作用关系得到了空前的关注。主要从3个方面回顾了变化环境下火干扰研究的进展,包括(1)火干扰的时空格局;(2)火干扰的驱动机制;(3)火干扰的生态效应。概括起来,遥感技术的发展使得火监测精度不断提高,对火时空格局的刻画由过去侧重火燃烧面积单一因素转向具有多重属性的火干扰体系。气候变化和人类活动共同决定着火干扰的分布格局、频率和强度,考虑气候的季节性能够提高火干扰的预测能力。火干扰调节着生态系统的草木平衡,对于生物多样性和生境的维持非常重要。此外,火干扰通过生物质燃烧释放的大量温室气体影响大气组成和空气质量,同时通过改变地表状况和陆-气相互作用来影响气候系统。正确理解气候-植被-火之间的相互作用和反馈机制有助于未来火干扰体系的预测。随着高温、大风、干旱等极端气候事件增多,未来全球大部分区域火发生的风险增加,但是人类活动可能会使火和气候之间的关系发生解耦。可持续的火管...     

热岛效应下亚热带城市植被叶气孔权衡特征及其与叶功能性状的关系

叶片气孔不仅是植物平衡光合-蒸腾关系的重要门户,也是影响大气碳循环与水循环的关键结构。分析热岛效应下福州市乔木、灌木、草本3种生活型和常绿、落叶2种叶习性植物的气孔性状间的差异及其与其他叶功能性状间的权衡关系有助于探究不同类型植物在热环境下的适应策略。以福州市区的自然和半自然植被为研究对象,测定441个植物样本的气孔特征、化学计量特征和形态特征,结果表明：（1）3种生活型、2种叶习性植物的气孔长度（SL）、气孔密度（SD）差异显著（P<0.05）,潜在气孔导度指数（PCI）不存在显著差异（P>0.05）。草本的SL高于灌木和乔木,乔木的SD最高,灌木次之,草本最低;落叶植物的SL高于常绿植物,SD低于常绿植物。（2）SL与SD间的权衡关系稳定存在于3种生活型和2种叶习性植物中,且随着不同生活型和落叶习性植物的生态策略而呈现各异的权衡特征,即当SL一定时,乔木的SD最大,灌木的SD最小,常绿植物的SD大于落叶植物。（3）气孔性状和叶片形态、化学计量特征紧密联系,SL与比叶面积（SLA）正相关（P<0.01）,与叶面积（LA）负相关（P<0.01）;SD与叶氮含量（LNC）、叶磷含量（LPC）、SLA负相关（P<0.01）,与LA正相关（P<0.01）;PCI与LNC、SLA负相关（P<0.01）,与叶厚度（LT）正相关（P<0.05）。（4）复杂的环境是气孔性状变异的重要驱动因素,SL、PCI均与年均温（MAT）负相关（P<0.05）。     

低碳发展背景下北京市土地利用与生态系统服务多情景模拟研究

在全球气候变化的背景下,合理协调低碳减排与经济效益之间的关系,进而指导土地利用优化配置,对于推动经济社会低碳转型与生态系统服务价值的提升具有重要意义。通过耦合多目标规划(MOP)与斑块生成土地利用模拟模型(PLUS),针对北京市构建了自然演变、经济优先与低碳发展这3种未来发展情景,并对不同情景下2030年土地利用与生态系统服务价值进行模拟评估。在此基础上,进一步对北京市未来生态系统服务提升区域进行识别,将传统的多情景土地利用模拟研究进行了延伸与扩展。结果表明：(1)3种情景下的土地利用结构与空间布局存在差异,低碳发展情景下东南部平原区建设用地的扩张与耕地面积的减少趋势得到了有效控制,西北部山区的林地面积有较大幅度的增长。(2)低碳发展情景下的生态系统服务价值总量约为590亿元,高于另外两种情景,且从空间分布上来看,该情景下服务价值提升区域的面积也显著高于其他情景。(3)低碳发展情景下,北京市生态系统服务提升潜力较大的区域面积占比约7.98%、潜力中等区域的面积占比约26.57%,潜力较低区域的面积占比约65.45%。     

河滨湿地不同植物群落根系分布特征与土壤理化性状的关系——以黄河中游荥阳段为例

在黄河中游郑州荥阳段,选择了5种河滨湿地植物群落进行根系和土壤性状特征研究,以期阐明不同植物群落的根系分布规律与土壤性状的关系,为河滨湿地植物群落组成以及土壤质量恢复提供科学参考。结果表明(1)在0—40 cm土层,根生物量密度与根长密度的平均值均表现为：芦苇群落(Phragmites australis)和芦苇-狗牙根(Cynodon dactylon)群落均大于芦苇-拂子茅(Calamagrostis epigeios)-狗牙根群落、拂子茅-狗牙根群落、拂子茅-狗牙根-水莎草(Juncellus serotinus)群落。拂子茅-狗牙根、芦苇-拂子茅-狗牙根、拂子茅-水莎草-狗牙根三种植物群落类型下根生物量密度、根长密度在0—20 cm表层土壤较大,芦苇群落和芦苇-狗牙根群落的根生物量密度、根长密度在10—40 cm的土层较大。(2)黄河河滨湿地芦苇群落、芦苇-狗牙根群落的土壤以粉粒为主,拂子茅-狗牙根群落、芦苇-拂子茅-狗牙根群落、拂子茅-狗牙根-水莎草群落的土壤主要以砂粒为主。在0—40 cm土层,芦苇群落、芦苇-狗牙根群落的土壤含水率、土壤有机质、有效氮和有效磷含量均显著高于...     

家燕营巢特征及其对城市环境的适应性

城市面积在全球范围内迅速扩张,一些鸟类种群通过改变营巢特征,在与自然生境截然不同的城市中筑巢繁殖。但目前城市环境对于鸟类营巢影响的研究较缺乏。为了解鸟类营巢对城市环境的适应,于2016、2019年在黑龙江哈尔滨的城市与乡村环境,分别测量家燕（Hirundo rustica）巢（如,大小及形状）及巢址特征等（如,距地面和屋顶距离）参数,以探究：（1）家燕巢特征在乡村及城市生境是否存在差异？（2）家燕巢特征在年际间是否存在变化？并为城市家燕种群的保护提供理论依据及合理建议。研究采用Kruskal-Wallis秩和检验以及Wilcoxon秩和检验比较分析所测量的巢特征参数在城乡之间、年际间的差异,并对组间参数进行线性判别分析（LDA,Linear Discriminant Analysis）。结果发现,城乡间具有显著差异：（1）与乡村相比,城市巢距离屋顶更远,距地相对更近（P<0.05）;（2）城市巢更浅（P<0.05）;（3）从2016到2019年,城市和乡村巢都变得更深,半径更大（P<0.05）。根据这些发现,推测城市楼房建筑的楼道为家燕繁殖提供了相对更为封闭、安全的环境,旧巢及较为丰富的支撑物为家燕提供了适宜的巢址,有可能节省亲鸟在营巢上的繁殖投入;但同时应当警惕门窗关闭、资源受限、人为干扰等不利因素可能造成的生态陷阱。