气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

植物功能性状对全球气候变化的指示作用研究进展

以大气CO2浓度升高、大气温度升高、干旱胁迫加剧及紫外辐射增强为特征的全球变化对陆地生态系统产生巨大影响,植物作为陆地生态系统的重要组成部分,其功能性状对全球变化的指示作用为探寻全球变化规律、减缓气候变化提供了科学依据。该文主要综述了植物生理功能性状改变(形态变化、气孔调节、光合结构及光合途径改变和植物光合、呼吸速率及水分生理变化等)和物候功能性状改变对全球变化的指示作用,以及植物群落物种丰富度或数量增加等群落特征变化对全球气候变暖的指示作用。最后指出,完善植物功能性状指标和建立从植物个体、群落到生态系统功能的网络指示系统是今后植物功能性状指示研究的发展方向。     

气候变化对雌雄异株植物影响的研究进展

雌雄异株植物作为陆地生态系统的重要组成部分,在维持生态系统结构和功能稳定性方面发挥着关键作用。但是,由于雌雄异株植物的不同性别植株在形态特征、生理特征和资源分配等方面均存在明显差异,至今对全球气候变化背景下雌雄植物的性别差异响应机制的认识仍十分有限。本文综述了全球变暖、降水变化和大气CO2浓度升高等主要气候因子变化对雌雄异株植物的影响,探讨了雌雄异株植物对气候变化响应的性别差异,提出了未来雌雄异株植物与气候变化关系研究的重点,以期为揭示陆地生态系统结构和功能稳定性对气候变化的响应机制提供参考依据。     

陆地森林植被植物细根对全球气候变化的响应研究进展

全球气候变化对陆地森林生态系统与生物多样性造成了较为明显的负面和潜在影响, 由此引发了各种生态环境问题。细根作为植物最活跃的组成部分之一, 在调节陆地森林生态系统碳平衡和养分循环的过程中发挥着重要作用。植物细根对全球气候变化的响应研究已成为当前全球变化背景下陆地生态系统关注的热门课题之一。全球气候变化是以温室气体(CO2、N2O)浓度持续上升、氮沉降加剧、全球气候变暖为主要特征。为此该文从以下几个方面对该领域的研究进展进行综述: (1)CO2浓度升高对植物细根的影响; (2)氮沉降增加对植物细根的影响; (3)温度升高和降水变化对植物细根的影响。最后, 进一步探讨了该领域研究仍存在的科学问题, 提出了未来研究展望。研究结果不仅为进一步研究全球气候变化对植物细根的影响提供重要的理论依据和参考, 也丰富了全球变化背景下根系生态学相关科学理论。     

CO2浓度变化和气候变化对中国陆地生态系统净初级生产力及其平衡的影响

本文应用陆地生态系统模型(TEM,4.0)对中国陆地生态系统在目前气候下的净初级生产力,以及在CO2浓度增加和气候变化后的净初级生产力的变化进行了预测。气候变化模型采用三种大气环流模型生成,即：GISS、GFDL和OSU模型。在当前气候条件和CO2浓度(312.5×10-6)下,TEM模型预测中国陆地生态净初级生产力为3,653TgC·a-1(1012gC·a-1)。温带常绿阔叶林是生产力最高的生物区,占有中国净初级生产力的最大比例。NPP的空间格局主要与降水量和温度的空间分布相关联。 中国陆地生态系统的年净初级生产力对CO2浓度和气候的变化敏感。在陆地区域尺度上,其年净初级生产力仅在CO2浓度上升至519×10-6的情况下可增加6.0％(219TgC·a-1)。在气候变化而无CO2浓度变化的条件下,净初级生产力的响应在GISS气候方案下表现为1.5％(54.8TgC·a-1)的降低,在GFDL-q气候方案下表现为8.4％(306.9TgC·a-1)的增加。在气候和CO2浓度均发生变化的情况下,净初级生产力有较大程度的增加,在GISS气候方案下的增加比例为18.7％(683TgC·a-1),在GFDL-q气候方案下增加23.3％(851TgC·a-1)。在空间特征方面,年净初级生产力对气候和CO2浓度变化的响应方式在一个GCM气候方案下变化十分显著。由于三个大气环流模型的不同,使得净初级生产力地理分布的反应格局产生较大差异。CO2浓度升高和气候变化的耦合作用对中国陆地生态系统净初级生产力将产生重大影响。     

全球气候变化的中国自然植被的净第一性生产力研究

本文根据已建立的植物生理生态学特点与水热平衡关系的植物净第一性生产力模型对中国自然植被的净第一性生产力现状及全球变化后的自然植被的净第一性生产力进行了分析,给出了中国陆地生态系统自然植被的净第一性生产力在全球气候变化条件下的变化图景,为合理开发、利用自然资源,以及监测和预测中国陆地生态系统自然植被净第一性生产力的变化及应采取的策略提供了科学依据。     

新疆准噶尔盆地早侏罗世掌鳞杉科植物化石 及古大气CO2浓度

植物化石气孔参数分析是目前恢复古大气二氧化碳浓度较为精准的方法之一,银杏类和松柏类等是恢复古大气CO_2浓度常用的化石类群。本文利用新疆准噶尔盆地下侏罗统三工河组的松柏类掌鳞杉科Brachyphyllum(Hirmeriella?)sp.化石对早侏罗世大气CO_2浓度进行了重建,获得早侏罗世大气CO_2浓度为～1200ppm,丰富了早侏罗世大气CO_2浓度信息,进一步说明掌鳞杉科植物通过气孔比率法在重建侏罗纪大气CO_2浓度方面的可靠性。掌鳞杉科植物的旱生构造和较高的大气CO_2浓度表明早侏罗世Toarcian期大洋缺氧事件在陆地生态系统内可能产生了一定的响应。     

陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应研究进展

气候变化显著影响陆地生态系统生产力以及水分利用格局,而水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是衡量生态系统碳水耦合关系的重要指标之一。研究陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应,有助于深入理解生态系统的变化规律,模拟和预测生态系统碳水过程的发展状况,从而为应对全球气候变化提供新的依据。为了更好地掌握生态系统水分利用效率研究现状以及其对温度、CO2等关键气候因子的响应情况,本文总结了陆地生态系统水分利用效率对气候变化响应的最新研究进展。首先介绍了相关的定义并归纳了两种不同计算方式的差异和特点;接着重点总结了陆地生态系统水分利用效率对大气温度、CO2、水分、干旱以及太阳辐射等影响因素的响应;最后文章总结了目前3个相关的研究态势,主要包括:(1)长时间序列水分利用效率与气候要素的关系研究;(2)土地利用/覆被变化对水分利用效率的影响及其对气候的反馈研究;(3)多尺度水分利用效率综合研究。本研究可为深入研究生态系统过程对气候变化的响应提供参考。     

长江河口典型湿地碳库动态研究方法

湿地生态系统在维持碳平衡和全球气候调节中起着重要作用。长江河口湿地生态系统是国际公认的生态过程敏感区,选择长江河口典型湿地——崇明东滩作为长期碳循环观测和实验模拟的研究对象,针对长江河口湿地生态系统碳库动态研究具体的科学问题,从"土壤-植被-大气"连续体(SPAC)碳流过程监测、涡度相关法碳通量监测、植物生长控制实验(开顶式气候室,OTC)、"湿地碳循环-气候变化"生态过程模型构建、多方数据源校正等方面,总结了全球气候变化条件下长江河口湿地碳库动态的研究方法。旨在了解长江河口湿地生态系统碳库动态特征,探寻湿地碳平衡的主导控制因子,评估中国东部沿海湿地碳库对全球气候变化的响应。进而为提出长江河口湿地碳储备功能的保育策略提供理论依据。     

陆地生态系统碳源与碳汇及其影响机制研究进展

全球碳循环研究中发现,目前已知碳源与碳汇不能达到平衡。存在一个很大的碳失汇。大气、海洋和陆地生态系统是人工源CO2的3个可能的容纳汇,其中陆地生态系统最复杂、最具不确定性,因此陆地生态系统碳源与碳汇研究是全球碳循环研究的核心问题之一。大气成分监测、CO2通量测定、森林资源清查以及模型模拟等方面的研究都表明,CO2施肥效应、氮沉降增加、污染、全球气候变化以及土地利用变化,是影响陆地生态系统碳储量的主要生态机制,但不确定在过去的10～100年以及未来哪一种机制起最主要的作用。     

Paleovegetation and paleoclimate in middle-late Pliocene, Shanxi, central China

Sequences of lacustrine sediments developed in intermontane basins in the middle-eastern Shanxi Plateau of China have been investigated in order to reconstruct the paleovegetation and paleoclimate for the middle-late Pliocene. According to the magnetostratigraphy and the fossil assemblages, the lacustrine sediments of Yushe and Taigu Basins were deposited between 5.5 and 2.5 Ma BP. The Zhangcun and Xiaobai Formations are considered to cover a similar period, ranging from 3.5 to 2.5 Ma BP. An increase of Picea and Abies shows that the climate began to become cold after about 4.4 Ma BP. A cold-wet episode, with relatively warm-dry and warm-humid intervals, occurred between 3.6 and 2.5 Ma BP in the Yushe and Taigu Basins. An increase Artemisia, Chenopodiaceae and Ephedra shows that the climate became drier after 2.5 Ma BP. The climate changes of this period probably reflect variations of the East Asian winter and summer monsoons, with an increase winter monsoon activity during the early Pleistocene.     

黄土高原三趾马红土的观察(英文)

讨论了黄土高原地区红粘土中脊椎动物化石的考察历史,记录了山西和甘肃"三趾马红土"地点的观察结果。红粘土广泛分布于黄土高原地区,但常被误认为是一个描述性术语,因为其中的许多沉积物既非红色,又不以粘土级颗粒为主。不少红粘土序列中含有古土壤,也含有水成沉积物。此次考察包括榆社盆地的经典地点、灵台任家沟和雷家河,以及庆阳和秦安的一些地点。讨论了在任家沟发现的化石、在玉村新发现的小哺乳动物上新五褶兔( Plio-pentalagus) 和在胡家村观察到的上新世潜穴,后两个地点都位于灵台东北面的庆阳地区。观察结果与晚中新世遍布黄土高原、很可能来自降尘的粘土级颗粒的快速堆积吻合。但在一些区域则以河流或湖泊过程为主,红粘土颗粒部分或全部被水成的粗碎屑沉积物代替,没有找到晚中新世-早上新世干旱化的证据,反而支持高生产力的湿润环境假说。局部富集的脊椎动物化石证明三趾马动物群具有很高的陆生生物量。     

氮添加对黄土丘陵区油松人工林根际土壤微生物群落结构的影响

中国南方及中部为高氮沉降区(～35 kg·hm^-2·a^-1),氮沉降量向西北依次递减(～7.55 kg·hm^-2·a^-1).黄土高原区历经几十年的退耕还林还草而面貌一新,但该区域人工林土壤微生物群落结构对氮素添加响应的研究还鲜有报道.本研究以黄土丘陵区不同林龄油松人工林为研究对象,应用Illumina HiSeq测序技术对细菌16S rDNA和真菌ITS进行序列测定与分析,探讨根际土壤细菌和真菌群落结构组成对土壤氮添加(施用量为200 kg N·hm^-2·a^-1纯氮)的响应,旨在探究我国西北黄土丘陵区油松人工林根际土壤微生物多样性及群落结构对定量氮添加的响应.结果表明: 氮添加显著增加了25年龄林地细菌和真菌Shannon多样性,显著增加了40年龄林地细菌丰度指数.氮添加显著增加了40年龄林地拟杆菌门的相对丰度和25年龄林地酸杆菌门及接合菌门的相对丰度,但显著降低了40年龄林地奇古菌门的相对丰度.非度量多维尺度分析结果显示,氮添加对土壤细菌群落结构组成的影响程度大于真菌,对25年龄林地微生物群落结构组成的影响程度大于40年龄林地.表明不同林龄油松人工林根际土壤微生物的多样性及群落结构对土壤氮添加响应具有差异性.相对于真菌群落结构组成,细菌群落结构组成对氮添加更敏感;相对于40年龄林地,25年龄林地根际土壤微生物的群落结构组成对氮添加更敏感.因此,黄土高原区人工林地生态系统演替到一定阶段(40年左右),比幼龄林地生态系统更能承受外界较大的氮添加扰动.     

气候和土地利用变化影响下生态屏障带水土流失趋势研究

受气候和地形等诸多因素影响,我国"两屏三带"国家生态屏障带中的川滇-黄土高原区域和南方丘陵带水土流失十分严重,自然灾害频发。但是,针对川滇-黄土高原区域和南方丘陵带水土流失时空格局变化,特别是未来气候变化和土地利用变化影响下水土流失变化趋势的研究很少。因此,本研究以川滇-黄土高原区域和南方丘陵带为研究对象,利用修正土壤流失方程（RUSLE）定量分析了该区在2000-2015年水土流失的时空变化规律及其影响因素,并预测了在RCP2.6和RCP4.5的未来气候情景下及土地利用变化条件下水土流失的变化趋势。研究结果表明：（1）黄土高原地区在植被恢复的积极作用下,水土流失显著缓解;（2）川滇地区的西南部因植被盖度的增长和降雨的减少水土流失显著缓解,但四川省境内人口密集区农田面积增加以及降水增加造成水土流失大幅度加剧;（3）南方丘陵带受降水增加影响导致了部分区域的水土流失恶化;（4）在未来气候变化情景下,由于大部分地区降雨将减少使土壤侵蚀趋于缓解,但四川、黄土高原和南方丘陵带大部分地区仍然面临未来农田面积增加带来的水土侵蚀压力。考虑到未来气候变化情景下降雨减少的趋势,建议在黄土高原地区提高草地在土地利用类型中的占比,在减少耗水量的同时维持地表盖度,缓解水土侵蚀;此外,各区域仍需控制农田面积,而且需通过加强坡耕地上保水保土耕作措施降低农田区域的土壤侵蚀压力。     

Plio-Pleistocene vegetation changes in the North China Plain: Magnetostratigraphy, oxygen and carbon isotopic composition of pedogenic carbonates

The Plio-Pleistocene history of C₄ plant biomass in northwestern China has been documented from the loess-soil sequences of the Loess Plateau region. However, how C₄ plants evolved in the warmer and low-elevation eastern China monsoon zone is still poorly known mainly because of the unavailability of well-dated geological records. In this study, a 203.6-m core of floodplain deposits was recovered from the North China Plain near Tianjin and dated magnetostratigraphically. The results define a chronosequence for the last 3.3 Ma. The late Quaternary portion of the core consists of fluvio-marine sediments while the rest of the section (3.3-0.6 Ma) contains abundant paleosols formed on the floodplain, as confirmed by soil micromorphological evidence. The stable carbon and oxygen isotopic composition of pedogenic carbonates was measured to document vegetation and climate changes. The results reveal mixed C₃ and C₄ vegetation with an estimated C₄ abundance of ~ 40-60% from ~ 3.1 to ~ 2.2 Ma, and a subsequent gradual decline to ~ 25% until ~ 0.6 Ma. This trend is consistent with the data from the loess-soil sequences further west on the Loess Plateau, suggesting they are regionally significant changes. The lowering of growing-season temperature and/or drier conditions induced by global cooling would explain this overall decline.     

A change in the distribution pattern of diatoms above and below the halocline in bottom sediments of the central Arkona Basin,southern Baltic

Surface sediment samples from the central Arkona Basin, southern Baltic, were investigated by diatom analysis. The samples, taken by a Niemistö sampler, included the sediment-water interface and about 2–3 centimetres of the very water-saturated sediment. The samples represent the sediments deposited in the transition layer of the halocline in the Arkona Basin and immediately above and beneath it. The distribution pattern of diatoms and diatom pieces changed, reflecting the position of the halocline.Diatom analysis is an important tool in identifying Holocene Baltic sediments, and the knowledge of recent hydrological and chemical factors and their impact on the distribution pattern of diatoms is one way to evaluate the usefulness of diatom records in postglacial Baltic marine sediments. The surface-sediment diatom assemblages can be compared with the data from postglacial Baltic offshore cores. They give prelimary indications where diatom records from Littorina or Yoldia stages could be expected.     

Climate and Land Use Controls on Soil Organic Carbon in the Loess Plateau Region of China

The Loess Plateau of China has the highest soil erosion rate in the world where billion tons of soil is annually washed into Yellow River. In recent decades this region has experienced significant climate change and policy-driven land conversion. However, it has not yet been well investigated how these changes in climate and land use have affected soil organic carbon (SOC) storage on the Loess Plateau. By using the Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM), we quantified the effects of climate and land use on SOC storage on the Loess Plateau in the context of multiple environmental factors during the period of 1961–2005. Our results show that SOC storage increased by 0.27 Pg C on the Loess Plateau as a result of multiple environmental factors during the study period. About 55% (0.14 Pg C) of the SOC increase was caused by land conversion from cropland to grassland/forest owing to the government efforts to reduce soil erosion and improve the ecological conditions in the region. Historical climate change reduced SOC by 0.05 Pg C (approximately 19% of the total change) primarily due to a significant climate warming and a slight reduction in precipitation. Our results imply that the implementation of “Grain for Green” policy may effectively enhance regional soil carbon storage and hence starve off further soil erosion on the Loess Plateau.     

Magnetic signature of environmental change reflected by Pleistocene lacustrine sediments from the Nihewan Basin, North China

A mineral magnetic study has been conducted on Pleistocene lacustrine sediments from the Xujiayao Paleolithic site within the Nihewan Basin, North China. The magnetic signal is characterized by a dominance of high-coercivity (hematite) minerals that is modulated by low-coercivity magnetite–maghemite assemblages during interglacials. A high-amplitude record of the composition dependent magnetic S_− 0.3 T-parameter varies in accord with composite marine oxygen isotope records, suggesting climate modulation of magnetic composition. The Xujiayao site is situated at the northern outskirts of the Chinese Loess Plateau (CLP) and has neither received significant eolian input nor been exposed to pedogenic processes comparable to those acting on CLP. Mineral magnetic analyses suggest that variations in both magnetite and hematite are primarily controlled by detrital fluxes rather than by authigenic production of magnetic minerals. Here we propose that the fluctuations of magnetic signals at Xujiayao are not derived from varying compositions of eolian flux with glacial/interglacial periods or minute eolian influx during interglacials, but is likely dominated by runoff-related processes, by which some weathered/pedogenized loess and soils with stronger magnetic signals have been eroded and transported to the catchment during interglacials resulting in magnetic enhancement. The inferred continuous deposition from the Brunhes/Matuyama boundary to the paleosol S₁ (ca. 129 ka) gives the age of ca. 500 ka for the sediments carrying the Xujiayao Paleolithic site, suggesting an allogenic origin of the Paleolithic artifacts and mammalian bones dated by U–Th method to ca. 100 ka.     

Late Triassic palynofloras in the Sichuan Basin,South China: Synthesis and perspective

Mesozoic strata are well developed and exposed continuously across the Sichuan Basin, South China. In particular, the Upper Triassic strata yield diverse and abundant spore-pollen fossils, providing a significant reference for the study of palaeoenvironmental variations across the Triassic–Jurassic transition where mass extinctions were occurring. In this paper, we summarize the major progress on Late Triassic palynological studies in this basin. To date, 151 genera (454 species) of sporomorph fossils have been reported from the Late Triassic strata in the Sichuan Basin. Three palynological assemblages are distinguished for the Late Triassic in the Sichuan Basin. Late Triassic vegetation in the Sichuan Basin shows a remarkable predominance of ferns, followed by conifers and cycads/ginkgophytes, and conifers show a distinct increase in abundance in the latest Triassic. In general, the Late Triassic palaeoclimate in the Sichuan Basin was tropical-subtropical, humid and warm. A synthesis of the data shows that the Late Triassic did not have a constant palaeoclimate in the Sichuan Basin, several climatic events are recognized: two warm and humid climate events in Norian-Rhaetian time, coupled with a cooler and drier condition in the latest Late Triassic. Further investigations in higher resolution at more continuous sections in the Sichuan Basin are needed to better understand the Late Triassic vegetation response, climate changes, as well as palaeoecosystem variations across the Triassic–Jurassic boundary.     

1982-2015年黄土高原植被变化特征及归因

黄土高原植被对于黄河中下游泥沙量减少以及区域生态安全维持发挥着重要作用。气候变化和人类活动是驱动黄土高原植被覆盖度变化的两大因素,然而先前研究多基于统计方法建立植被覆盖度与气候变化的线性关系,忽略了植被覆盖度与气候变化之间复杂的非线性关系,限制了对黄土高原植被变化驱动机制的理解。基于1982-2015年黄土高原植被覆盖度(GIMMS NDVI)数据,以1999年退耕还林工程开始实施为界限,采用随机森林和残差阈值法等手段量化并分析了1982-2015年植被变化特征及气候变化和人类活动对植被变化的影响。结果表明:(1)1982-2015年黄土高原植被覆盖度整体上呈现增长趋势,1999年之后植被覆盖度增加的面积大于1999年之前, 1999年以前显著增长的区域只占总面积的54.68%,1999年以后显著增长的区域面积占比增长至85.11%;(2)在考虑时滞效应的基础上,1982-1998年黄土高原超过80%的区域的逐月温度、降水、日照时数与植被覆盖度存在显著的正相关关系,表明1999年以前植被覆盖度变化主要与气候变化有关。随机森林算法能较好地模拟植被覆盖度与气候因子之间的关系,99.71%的区域拟合的决定系数R²达到0.5以上;(3)2000-2015年,气候因素和人类活动对植被覆盖度的影响具有空间异质性。人类活动对植被覆盖度产生积极影响的面积增加了55.94%,气候消极影响的面积减少了42.58%,气候积极影响的面积减少了12.86%。研究提出的量化气候变化与人类活动对植被覆盖度影响的方法能够更好的区分黄土高原植被覆盖度变化的驱动因素,为黄土高原生态建设以及黄河流域的生态安全和高质量发展提供数据支撑。