中国东部森林最大总初级生产力的时空分布特征及其影响因子

生态系统碳循环对温度的响应是全球变化生态学的重要研究内容之一。总初级生产力(GPP)随着温度的升高而升高,在最适温下达到最大值(GPP_(max)),之后随温度的升高而保持不变甚至下降,因此GPP_(max)代表着最适温度下的植被光合潜力。然而,关于森林生态系统GPP_(max)的时空分布和影响因子仍不清楚。本文以中国东部南北森林样带(NSTEC)上的长白山温带针阔混交林、会同亚热带杉木人工林、千烟洲亚热带常绿针叶人工林、鼎湖山亚热带常绿针阔混交林和西双版纳热带季雨林等5种典型生态系统为对象,利用涡度相关技术分析森林GPP_(max)的时空规律及其主要影响因素。结果表明:在所有森林生态系统中,GPP对温度的响应模式均为单峰曲线,最适温下的GPP_(max)表现为长白山温带针阔混交林千烟洲亚热带常绿针叶人工林西双版纳热带季雨林会同亚热带杉木人工林鼎湖山亚热带常绿针阔混交林。在所有的站点中,温度是引起GPP_(max)空间变异的最主要因素,GPP_(max)随温度的增加而减少。此外,太阳辐射、降水和饱和蒸汽压差也显著影响GPP_(max)。在时间尺度上,对每个森林生态系统GPP_(max)年际变异的对比分析发现,温度是长白山温带针阔混交林GPP_(max)年际变化的主要控制因子,5 cm土壤含水量是影响会同、千烟洲和鼎湖山通量观测系统GPP_(max)年际变异的主要因子,未发现影响西双版纳热季雨林年际变异的主要因子。本研究有助于理解未来气候变暖背景下GPP的变化趋势,并为中国碳循环的准确模拟提供实验证据和参数依据。     

基于模型数据融合的长白山阔叶红松林碳循环模拟

 充分、有效地利用各种陆地生态系统碳观测数据改善陆地生态系统模型, 是当前我国陆地生态系统碳循环研究领域亟待解决的重要问题之一。该研究以2003~2005年长白山阔叶红松林的6组生物计量观测数据和涡度相关技术测定的碳通量数据为基础, 利用马尔可夫链-蒙特卡罗方法对陆地生态系统模型的关键参数(即碳滞留时间)进行了反演, 进而预测了长白山阔叶红松林生态系统碳库、碳通量及其不确定性。反演结果表明, 长白山阔叶红松林叶凋落物和微生物碳的平均滞留时间最短, 为2~6个月; 其次是叶和细根生物量碳, 二者的平均滞留时间为1~2 a; 慢性土壤有机碳的平均滞留时间为8~16 a; 碳在木质生物量和惰性土壤有机质库中的滞留时间最长, 平均滞留时间分别为77~109 a和409~1 879 a。模拟结果显示, 碳库和累积碳通量模拟值的不确定性将随着模拟时间的延长而增大。当气温升高10%和20%时, 长白山阔叶红松林总初级生产力年总量将分别增加6.5%和9.9%, 净生态系统生产力(NEP)年总量的变化取决于土壤温度的变化。若土壤温度保持不变, NEP年总量将分别增加11.4%~21.9%和17.6%~33.1%; 若土壤温度也相应升高10%和20%, NEP年总量的增幅反而下降甚至低于原来的水平。假设气候和植被保持在2003~2005年的状态, 2020年长白山阔叶红松林NEP年总量为(163±12) g C·m^–2·a^–1, 土壤呼吸年总量为(721±14) g C·m^–2·a^–1。马尔可夫链-蒙特卡罗方法是反演模型参数、优化模拟结果和评估模拟结果不确定性的有效方法, 但今后仍需在惰性土壤碳滞留时间的估计、驱动数据和模型结构的不确定性分析、模型数据融合方法方面进行深入研究, 以进一步提高碳循环模拟的准确性。     

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括: 1) 实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2) 野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3) 近自然状态的野外环境控制实验;以及4) 基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。     

大尺度区域生态环境治理及国家生态安全格局构建的技术途径和战略布局

陆地生态系统是地球生物圈系统的核心组分,是人类生活、生产及社会经济活动的场所。然而,人类文明发展和科学技术进步在不断地扩大对资源的利用规模和强度,也导致了严重威胁社会可持续发展的全球气候变化、生物多样性丧失、环境污染、资源枯竭、生态系统退化等环境问题。社会公众期望生态学研究能够为区域、大陆及全球尺度的生态系统的利用和保护、维持人类社会可持续发展提供科学理论及系统性的解决方案。本研究以服务中国生态文明建设、生态安全格局构建、区域生态环境治理,以及宏观生态系统科学发展为目标,回顾了中国的区域生态环境治理成效及经验;分析了我国生态文明建设对大尺度生态系统科学研究的科技需求与时代特征,提出了利用基于自然的宏生态系统途径的新思路提升区域生态环境治理及安全格局构建的设想。在此基础上,讨论了中国的大尺度区域安全格局构建及生态环境治理的新思路、战略布局、技术途径与科技支撑体系,为中国安全、健康和美丽的国土空间利用及生态文明建设进步提供理论参考。     

长白山温带混交林林冠下层CO2通量对生态系统碳收支的贡献

作为ChinaFLUX的重要组成部分,从2002年年底开始利用涡度协方差技术在长白山温带混交林林冠上层和下层进行连续通量观测,这为量化林冠下层CO2通量对整个森林生态系统碳收支的贡献提供了一条有效途径.利用2003年林冠上层和林冠下层的观测数据,研究表明林冠下层夜间的CO2通量与5 cm深度的土壤温度存在明显的指数正相关关系.林冠下层的呼吸通量与箱式法观测的土壤呼吸通量之间具有很好的一致性(R2=0.77),二者在全年都与整个森林的光合产物量相耦合,且都在7～8月份达到最大值.林冠下层的呼吸量和土壤呼吸量分别为770 g Cm-2a-1和703 g Cm-2a-1,占整个森林生态系统呼吸年总量的比重高达59.88%和54.69%.林冠下层的光合作用呈双峰型季节变化,两个峰值分别出现在5月中旬和8月下旬.尽管全年林冠下层光合产物量为87 g Cm-2a-1,对整个森林光合产物量的贡献率仅为5.69%,但林冠郁闭度低的4、5月和10月份,林冠下层的光合产物贡献率也分别达到19.99%、21.06%和14.53%.林冠下层净初级生产力的季节动态受该层呼吸作用的季节变异控制,林冠下层在全年都表现为碳源,其净碳排放速率在8月份达到最大.     

表征亚热带常绿林光合作用季节变化特征的多种植被指数

利用遥感方法可以在区域尺度反演地表植被的光合生理状况和生产力变化,但亚热带常绿林冠层结构季节变化较小,传统的光谱植被指数对植被光合作用难以准确捕捉。利用2014—2015年中国科学院广东省鼎湖山森林生态试验站多角度自动光谱观测系统的光谱反射数据,分别反演传统冠层结构型植被指数(NDVI)、光合生理生化型植被指数(CCI)和叶绿素荧光型植被指数(NDFI_(685)和NDFI_(760)),并利用不同类型植被指数的组合,构建多元线性回归模型。结果表明:亚热带常绿针阔混交林三种类型植被指数均与GPP的动态变化有显著的相关性,其中,NDVI是表征GPP较优的植被指数(R~2=0.60,P0.01),其次为CCI(R~2=0.55,P0.01),而NDFI能够作为辅助指数,有效提高NDVI(R~2=0.68,P0.001)和CCI(R~2=0.67,P0.001)表征GPP的程度。多个植被指数参与构建的多元回归模型能够有效提高亚热带地区常绿林GPP季节动态变化的拟合精度,提升遥感精确评估亚热带森林生产力的能力。     

内蒙古森林碳汇特征研究进展

内蒙古森林以其面积大、活立木总蓄积高成为全国森林的重要组成部分.本文以文献为基础,分析了近年来内蒙古森林及其组成部分的碳储量、碳密度、固碳速率和潜力.大部分研究以第六次森林清查数据为基础,利用材积与生物量之间的线性关系,得出内蒙古森林碳储量约为920 Tg C,占同期国家森林资源总碳储量的12%,年均增长率约为1.5%,平均碳密度约为43 t·hm^-2.森林碳储量和碳密度呈逐年增加趋势,其中,针阔叶混交林、樟子松林和白桦林固碳能力最高.间伐和皆伐等人类活动使森林碳储量明显降低.已有的碳汇特征研究很少涉及土壤部分,仅有少数研究指出土壤碳密度随林龄的增加而增加.关于森林生态系统固碳潜力的研究不够深入.建议今后在计算内蒙古森林生态系统碳储量时,加入土壤碳储量部分;利用异速生长方程计算碳储量时,将树种器官碳含量设为45%;建立更多优势树种的、包含根系生物量的异速生长方程;加强气候变化与生态系统固碳速率和潜力关系的研究.     

呼伦贝尔草甸草原优势种贝加尔针茅根系组织和地上部分凋落物的分解

 采用凋落物分解袋法, 研究了呼伦贝尔草甸草原主要优势种贝加尔针茅(Stipa baicalensis)根系组织和地上部分凋落物分解的季节动态以及凋落物的放置位置(置于地表和15 cm土壤表层)对分解的影响。结果表明, 置于表层土壤中的根系组织和地上部分凋落物的分解速率比置于地表的快, 但是根系组织在两个放置位置分解的差异不显著。无论置于地表还是置于表层土壤中, 地上部分凋落物的分解均快于根系组织的凋落物分解。在分解过程中, 凋落物碳(C)损失的季节变化模式与重量损
失相似; 而氮(N)变化模式明显不同, 地上部分凋落物表现为释放—累积—释放, 根系则表现为释放—累积, 并且地上部分或者根系在不同放置位置中N含量变化的差异较小。地上部分和根系组织凋落物的初始化学组成的差异可能是导致其分解过程差异显著的主要原因, 其次的原因才是土壤含水量。因此, 该地区未来环境温度、湿度因子的变化将会显著影响贝加尔针茅地上部分凋落物的分解过程, 而对根系组织凋落物的分解作用较小。     

太阳辐射对长白山阔叶红松林净生态系统碳交换的影响

 太阳辐射是植物进行光合作用的前提条件, 因此成为影响植被吸收大气CO₂的重要环境因子。该研究基于30 min通量和常规气象数据, 以相对辐射和晴空指数为指标, 分析了2003~2006年生长旺季(6~8月)太阳辐射的改变对长白山阔叶红松(Pinus koraiensis)林净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange, NEE)的影响。结果表明: 天空有一定云层的覆盖对阔叶红松林碳的净吸收有明显的促进作用。4年里6~8月间生态系统最大光合速率在天空有云覆盖时较晴空条件下分别提高了34%、25%、4%和11%。在晴空指数约为0.5的中等辐射条件下, 该生态系统的NEE达到最大。对生态系统碳的净吸收有促进作用的临界相对辐射约为37%, 而使该生态系统NEE达到最大的最适相对辐射约为75%。进一步分析表明, 天空云量的增多和云层厚度的增加会引起散射辐射比例的增加、大气温度和水汽亏缺程度的降低等环境效应, 由此可能会导致冠层光合作用的增加和地上部分呼吸的减弱, 从而共同决定了净生态系统碳吸收作用的增强。     

不同降水梯度下草地生态系统地表能量交换

通过对不同降水梯度下的蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个草地生态系统的能量通量连续4-5 a的测定,分析了影响青藏高原和蒙古高原草地生态系统生长季中地表能量交换的主要因素。研究表明:相对于KBU、NM和DX,HB高寒灌丛草甸NDVI(0.58)和土壤含水量(28.3%)最大,因而地表短波反射率(αk)最低(0.12),从而获得了最大的净辐射(Rn)。KBU、NM和DX 3个草地生态系统生长季中αk随着植被的生长而降低,在生长季末期,随着植被的凋落而增加;HB的αk季节变化趋势与其它生态系统相反。从蒙古高原(KBU和NM)到青藏高原(HB和DX),随着降水量的增加,波文比(β)逐渐减小(2.25-0.53),即生态系统与大气的能量交换从显热(H)占主导转变为潜热(LE)占主导。植被状况对草地生态系统与大气之间能量交换的季节动态有重要的调控作用,在NDVI较低的时候,4个生态系统H/Rn都大于LE/Rn,LE/Rn随着NDVI的增加而增加,而H/Rn呈现出与LE/Rn相反的季节变化趋势。