生态系统性状对宏生态研究的启示与挑战

功能性状在器官-物种-种群-群落-生态系统水平都具有其特定的适应或功能优化的意义,但目前对功能性状的测定和研究大都局限于器官或物种水平。然而,当前高速发展的宏生态新研究技术和方法(如遥感观测、通量观测、模型模拟)的研究对象都是在生态系统或区域尺度上,如何将传统功能性状与其相连结并服务于生态环境问题和全球变化问题是科学界的一大难题。为了解决传统性状与宏生态研究"尺度不统一"和"量纲不统一"的难题,研究人员最新发展了"生态系统性状(Ecosystem traits, ESTs)"概念体系,并从"理念-数据源-推导方法-应用"等多角度为后续研究提供了可借鉴案例。生态系统性状将传统性状研究从器官水平拓展到了群落和生态系统水平,以单位土地面积为基础构建了传统性状与宏生态研究(或地学研究)的桥梁,开启了性状研究从"器官到群落"、从"经典理论验证到宏观应用"的美好愿景,为多学科交叉提供了新思路。然而,它在方法学和数据源等方面还存在诸多问题与挑战;在此,我们呼吁相关专家从研究方法、概念体系和应用实践上赋予"生态系统性状"更强大的生命力,尤其从动物群落性状和微生物群落性状等角度。本文在深入解读先前生态性状概念体系、理论意义和潜在挑战的基础上,结合最新进展进行了补充,希望通过广泛讨论,完善生态系统性状概念体系,逐步形成"以性状为基础的生态系统生态学"新研究框架,切实推动宏生态研究和区域生态环境问题的解决。     

长期封育对不同类型草地碳贮量及其固持速率的影响

基于4个长期封育草地,采用成对取样方法(封育-自由放牧草地)分析了长期封育和自由放牧草地地上生物量、地表凋落物、0-100 cm根系和土壤的碳氮贮量,探讨了长期封育草地的碳固持速率。实验结果表明:长期封育显著提高了草地碳氮贮量;经30a围封处理后,草地碳固持量为1401-2858 g C m^-2,平均2126 g C m^-2;草地碳固持速率为46.7-129.2 g C m^-2 a^-1,平均84.2 g C m^-2 a^-1。长期封育草地氮固持速率为2.8-14.7 g N m^-2 a^-1,平均7.3 g N m^-2 a^-1。封育草地碳和氮固持速率表现为:针茅草地＜羊草草地＜退化羊草草地＜补播黄花苜蓿+羊草草地。长期封育草地0-40 cm土壤碳固持速率相对较高,但下层土壤对草地碳固持的贡献也比较大,因此,未来的相关研究应给予下层土壤更大关注。内蒙古典型草地具有巨大的碳固持潜力,长期封育(或禁牧)是实现其碳固持效应最经济、最有效的途径之一。     

紫色土坡耕地C、P与微生物生物量C、P对不同施肥的响应

分析了长期不同施肥处理下紫色土坡耕地土壤碳(C)、磷(P)与微生物生物量C(MBC)、P(MBP)的变化及其耦合特征.结果表明:农家肥或秸秆配施无机肥(包括N、NP和NPK)处理下紫色土坡耕地土壤总有机碳(TOC)变化范围为90.8~100.8 g·kg-1,高于单施氮肥处理的62.2 g·kg-1;农家肥与无机肥配施处理下土壤总磷(TP)变化范围为0.65~0.84g·kg-1,而秸秆与无机肥配施处理下土壤TP仅为农家肥与无机肥配施的23%~38%;单施氮肥处理下MBP显著小于农家肥和秸秆与无机肥配施处理;农家肥和秸秆配施无机肥处理下MBC/MBP在5~26,TOC/TP分别在92~137和296~653,而单一氮肥处理下MBC/MBP和TOC/TP分别高达59和2000.表明农家肥和无机肥配施更有利于增加土壤P的有效性,提高土壤供P潜力.     

基于成熟林生物量整合分析中国森林碳容量和固碳潜力

森林是重要的陆地生态系统碳汇.已有研究认为,全球森林碳容量和固碳潜力巨大,但未见专门针对中国森林进行定量评价其碳容量和固碳潜力的研究.本研究收集整理了文献发表和野外调查获得的中国森林生物量数据5841条,并从这些数据中选取了338个林龄在80年及以上的森林样点,建立了中国成熟林生物量数据集.通过分析中国成熟林碳密度的空间格局和影响因素,以成熟林碳密度为参考水平,采用碳密度-气候关系模型、反距离插值法及局部薄盘样条插值法,获得并统计分析了中国森林碳容量,结合中国第六次森林资源清查数据,进一步评估了中国森林固碳潜力.结果显示,中国成熟林碳密度与气温、降水和林龄呈正相关,其水平地带性和垂直地带性均能够从气温和降水的限制性角度得到合理解释.相对保守地来说,中国现有森林碳容量为19.87 Pg C,固碳潜力为13.86 Pg C;其中,亚热带森林是我国森林碳容量和固碳潜力最大的生态区.由此可见,充分发挥我国现有森林的碳吸存能力,减少对现有森林碳库的干扰,是继造林再造林之外的陆地生态系统增汇的又一可以选择的重要技术途径.     

异质景观年平均蒸发量空间格局模拟

理解景观格局如何影响生态过程是景观生态学的核心问题。建立了一个多尺度的空间显式景观过程模型 EPPML(Ecosystem Productivity Process- based Model at L andscape Scale) ,对中国东北长白山自然保护区生态系统碳 -水循环变量和生产力的时空格局进行了模拟 ,其中年平均蒸发量和蒸散量的空间格局是模型的主要输出结果之一。模拟值与实测值的数量级一致 ,这表明 EPPML 可以比较合理而准确地模拟该保护区主要生态系统的年平均蒸发量和蒸散量 ,但仍需进一步的模型验证和不确定性分析。年平均蒸发量的模拟值平均为 0 .198± 0 .0 93m / a,空间格局随海拔变化的趋势不明显 ,其中最高为云冷杉林(0 .2 76± 0 .0 81m/ a) ,最低为阔叶林 (0 .0 94± 0 .0 30 m / a)。环境因子 (气象因子和土壤含水量 )和植被因子 (植被类型和叶面积指数 L AI)等景观要素在空间格局上的变化会直接或间接地影响蒸发过程 ,进而调控整个景观的水平衡。环境因子对蒸发的影响比对蒸腾的影响要复杂得多。相对湿度对蒸发的影响最大 (R=0 .4 0 ) ,其它依次为气温、总辐射、降水量、风速和土壤含水量。年平均蒸发量与 L AI负相关 (R=- 0 .39) ,但两者并不呈简单的反比关系 :当 L AI较小时 ,蒸发量随 L AI的增加迅速地降低 ;当L AI进一步     

西双版纳热带季节雨林水热通量

利用西双版纳热带季节雨林2003和2004年常规气象、生物量以及水热通量观测资料,对该林地两年内各能量分量的数值大小和变化规律、能量分配以及水量平衡特征等进行了分析研究。结果表明,2003和2004年净辐射总量分别为3516.4MJ/(m.2a)和3516.6MJ/(m.2a)。在能量分配过程中潜热通量占优势,2003年和2004年的总量分别是相应年份净辐射总量的46%和44%,显热通量则分别只有12%和11%。2003年和2004年林冠传导率均值分别为10.3mm/s和10.0mm/s,其中干热季期间的林冠传导率明显低于雾凉季和雨季。林冠传导率与叶面积指数和空气饱和水汽压差值之间分别呈极显著的正、负线性相关关系;它基本上不受土壤含水量的影响,只是当长期无雨或雨量很小导致土壤含水量低于0.15m3/m3时,林冠传导率才与土壤含水量间存在极显著的相关关系。西双版纳热带雨林2003和2004年的蒸散量分别是663mm和634mm,受浓雾和林冠传导率的综合影响,该森林生态系统干季蒸散量低于雨季,这是西双版纳热带季节雨林能够在水热极限条件下生存并良好发育的重要原因。     

赣中亚热带森林植被碳储量

利用已发表的乔木生物量回归模型（乔木层）和样方收获法（灌木层、草本层）,沿江西省泰和县灌溪乡千烟洲至井冈山市大井林场一线,采用样带法研究了赣中地区亚热带湿润气候下的植被群落碳储量及其分配规律。研究结果表明：群落碳储量绝大部分集中于乔木层。乔木层单位面积碳储量与乔木密度的幂指数为一0．0756。碳储量的空间变化规律表现为植被的碳密度与经度之间没有显著的相关性,而与纬度和海拔间均存在着显著的相关关系,表现为随着纬度和海拔增加植被碳密度递减。各层片的碳密度与其Shannon-Wiener物种多样性指数之间没有显著的相关关系。     

基于3S的自然植被光能利用率的时空分布特征的模拟

 光能利用率（LUE）直接影响植被各层中的能量分布和光合速率,在确定环境对光合和地上部生长分配的综合限制上十分有价值,是衡量系统功能的一个重要指标。本研究以遥感图像（TM）作为数据源,获取了影响植被LUE的重要变量——叶面积指数（LAI）;用程序语言编写了描述系统碳循环和水循环的景观尺度生态系统生产力过程模型（EPPML）,对长白山自然保护区的太阳总辐射、净初级生产力（NPP）和LUE等的季节动态和空间分布进行了模拟;并用地理信息系统（GIS）手段对空间数据进行处理、分析和显示,从而实现了将植物生理生态研究的结果从小尺度向中尺度进行拓展和转换。EPPML可以比较准确地模拟长白山自然保护区景观尺度上主要植被类型的NPP和太阳总辐射,对LUE的模拟结果也大多在我国森林的LUE范围之内,但对不同植被类型LUE的验证因实测数据不足,仅做了初步比较。模拟结果表明,长白山植被的LUE与NPP的季节进程十分近似,7月可达2.9%。春、夏、秋、冬四个季节植被LUE的模拟平均值分别为0.551%、2.680%、0.551%和0.047%。植被年LUE的模拟值平均为1.075%,在-3.272%～3.556%之间变化,阔叶红松(Pinus koraiensis)林最大（1.653%）,高山流砾滩草类最小（0.146%）。阔叶红松林的LUE虽然较高,但仍有很大的增长潜力。     

生态学的科学概念及其演变与当代生态学学科体系之商榷

生态学既是生物学的分支学科,也是环境科学、地球系统科学的重要组成部分,其研究成果可直接服务于植物、动物、微生物的生物多样性保护、生物资源利用及生物产业管理等应用领域。生态系统概念将经典生态学或者基础生态学研究扩展到了生态系统生态学或者生态系统科学的新阶段,奠定了大尺度及全球生态环境科学研究的理论基础,促进了生物学、地理学及环境科学研究的大融合,推动了自然科学与人文科学和社会经济学的学科交叉。在这一大融合的历史过程中,生态学在不断地汲取不同学科营养的同时,提出了许多科学概念或理论学说,并在相关科学研究中得到应用和发展,形成了以认知生态系统与资源环境及人类社会的互馈关系为核心的当代生态学及生态系统科学体系。本文从生态学思想起源与发展、生态学概念的科学内涵及其扩展等方面综合讨论了当代生态学的科学概念、基础理论及其学科体系,并尝试性地对当代生态学的科学内涵、学科范畴、学科体系进行梳理、考察和分析,提出了基础生态学及应用生态学研究的分支学科体系分类方案,期望与学界共同商榷,为完善和重构当代生态学学科体系提供参考。     

试论宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题及其方法体系

人类社会对解决区域及全球重大资源环境问题的迫切需求,快速地推进了自然科学与人文科学的多学科交叉融合,推动了宏观生态系统科学(MES)的兴起及科学理论创新,以及大陆和全球尺度的科学研究方法与技术体系发展。本研究以服务大陆及全球尺度的生态系统状态变化及其资源环境效应研究的多学科知识体系及方法论体系的融合发展为应用目标,系统论述了大陆尺度宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题、逻辑关系及前沿性领域,讨论了构建大陆及全球尺度宏观生态系统科学研究方法学体系的理念和内容,并提出了开展大陆尺度的联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合技术系统的设想,期望为中国及全球生态系统观测试验研究网络的理论设计提供参考。