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．     

磷影响陆地生态系统碳循环过程及模型表达方法

全球气候变暖已大大改变了陆地植物碳吸收能力, 提高了全球植被净初级生产力。随着气候变暖的加剧, 磷对植物生长的限制作用逐渐显现且不断增强, 磷影响陆地生态系统碳循环的机理和模型研究已成为研究热点。该文系统分析了磷影响陆地生态系统碳循环的相关机理以及模型对相关过程的定量化表达方法。综合对比分析了国际上的Carnegie- Ames-Stanford Approach-CNP (CASA-CNP)、Community Land Model-CNP (CLM-CNP)和Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg-CNP (JSBACH-CNP)等碳、氮、磷耦合模型中磷影响植物光合作用与同化物分配过程、植物对磷的吸收过程、土壤中磷的转化过程以及生态系统磷输入与输出等过程的相关数学表达方法, 指出了模型算法的局限与不确定性以及未来模型发展与改进的方向。同时综合对比分析了CASA-CNP、CLM-CNP、JSBACH-CNP模型的基本特征, 总结了磷循环模型的建模方法, 为未来开展磷影响陆地生态系统碳循环的模型模拟研究提供了借鉴方法与参考思路。     

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。     

陆地生态系统类型转变与碳循环

 土地利用变化引起的陆地生态系统类型转变对于全球碳循环有着极其重要的作用。　通过总结国内外有关森林砍伐以及森林、草地转变成农田对于碳循环的影响,阐述了可能引起全球“未知汇”现象的重要原因,强调未来中国陆地生态系统碳循环研究应充分重视陆地生态系统类型转变对于全球碳循环的影响研究,包括研究陆地生态系统的不同发展阶段(自然与退化生态系统)、利用方式的改变(森林转化为人工林或农田,草地转化为农田、退耕还林草等)所引起的碳库类型转换的增汇机理及其对全球变化响应,并指出了建立统一观测方法与规范的陆地生态系统碳通量观测网     

UV-B辐射增强对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的重要现象之一,紫外射线B(UV-B,波长280～320 nm)辐射增强对陆地生态系统碳循环具有重要影响.UV-B辐射增强主要通过改变植物的光合作用、凋落物分解以及土壤呼吸来影响陆地生态系统碳的输入和转化输出.其他气候因子(大气CO2浓度、温度和水分)可能会促进或减缓UV-B辐射对陆地生态系统碳循环的作用.本文介绍了UV-B辐射增强的背景,综述了国内外近年来UV-B辐射增强及与其他气候因子交互作用对陆地生态系统碳循环的影响,总结了目前研究存在的不足,讨论了未来的研究重点和方向.     

昼夜不对称变暖对陆地生态系统的影响

昼夜不对称变暖指的是白天和夜间的增温幅度不同,夜间温度升高的比白天快,全球大部分地区存在昼夜不对称变暖的现象。以往关于气候变暖对生态系统影响的研究大多建立在全天对等增温的基础上,缺乏对白天和夜间增温不对称性影响的深入研究。一些研究表明,白天增温和夜间增温对生态系统的作用机制不同,进而产生不同的影响。本文梳理了近期的研究进展,综述了昼夜不对称变暖对植物物候、生态系统碳循环、生物群落以及植被生产力等方面的特异性影响及其机理机制,并引述了不对称变暖对高寒生态系统碳循环可能产生的影响。在总结研究基础上,提出未来关于不对称变暖的影响研究应重视一些生态学规律的普适性验证,例如夜间增温下“光合补偿作用”,关注高寒冻土区土壤的碳积累和释放过程,深入剖析生物多样性与生态系统生产力稳定性间的关系等,提升我们对全球气候变暖影响的理解和认知。     

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。     

菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

在陆地生态系统中,土壤、植被与大气之间有着可观的碳交换通量,陆地生态系统碳循环也和全球气候变化密切关联。菌根真菌可与绝大多数陆地植物建立菌根共生关系,通过矿质养分-碳交换连接起生态系统地上与地下部分,深度参与和影响陆地生态系统的碳循环过程。该文从碳的输入,土壤有机质的形成、稳定和分解等4个关键环节分别论述了菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用。研究表明,菌根真菌在陆地生态系统碳的输入过程中扮演关键角色,其通过改善植物矿质营养,参与植物逆境响应,影响植物的光合作用强度,以及调控植物多样性与生产力之间的关系等多种途径,维持或提高植被初级生产力;大气中的CO₂被植物固定后,一部分碳经由菌丝网络输送到土壤中,随后经微生物的分解和转化,与矿物结合或被团聚体包裹而被稳定在土壤中;同时,菌根真菌通过影响根际激发效应和菌丝际生物化学过程,如分泌特定胞外酶,与菌丝际微生物互作,驱动芬顿反应,以及与腐生微生物竞争等,调控土壤有机质的分解和转化过程。考虑到菌根真菌对环境和气候变化的敏感性,该文还探讨了全球变化因子对菌根真菌介导的碳循环过程的影响。最后,该文对未来研究方向进行了展望,并提...     

陆地生态系统碳水循环的相互作用及其模拟

回顾了近年来陆地生态系统碳循环与水循环相互作用及模拟方面的进展,指出了今后该领域研究的重点和发展方向。陆地生态系统碳水循环是两个相互耦合的生态学过程,二者及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响,并对气候系统具有强烈的反馈作用,因而成为当前全球变化研究的热点。近年来,国内外开展了大量观测和模拟研究,分析了碳循环和水循环在不同时空尺度上的相互作用及其对环境因子和土地利用/覆被变化的响应,发现土壤水分条件对陆地生态系统碳循环的主要分量（光合和呼吸）均具有显著作用,但作用的强度在不同的生态系统存在差异。精确模拟土壤水分动态及其对碳循环的影响是陆地生态系统碳收支估算的基础,碳循环和水循环的耦合模拟是生态和水文模型发展的方向。目前,大部分模型在模拟土壤水分动态时,未考虑地形对土壤水分水平移动的影响,土壤水分对土壤异养呼吸影响的模拟也多采用经验性模型,制约了碳收支模拟的精度,需要加以解决。     

陆地生态系统磷素循环及其影响因素

 磷是生命系统的重要组成成分,其在生态系统内的迁移转化是生态系统结构和功能的决定性因素之一。近20年来,磷在陆地生态系统内的重要性受到越来越多的关注。该文总结了国内外磷循环研究的成果,从磷的来源、在土壤中的存在形态和固定特性、影响因素的复杂性等方面分析了磷素循环的特点;系统阐述了磷在陆地生态系统各库之间及其内部,主要是植被-土壤亚系统内的迁移转化规律及影响因素。陆地生态系统磷素循环主要是系统内部的生物化学循环,由植物自身的遗传特性和土壤的生物、理化性质共同控制,不同控制因素的相对重要性因生态系统类型、时间和空间尺度而异。文章简述了磷循环研究方法的发展及存在的局限性;另外,分析了干旱、半干旱地区磷循环研究的重要性和意义;干旱区生态系统的脆弱性及其植被、土壤特性决定了其磷素循环有其自身的特点及研究的必要性。最后指出了当前陆地生态系统磷循环研究的发展趋势。     

基于潜在植被的中国陆地生态系统对气候变化的脆弱性定量评价

 陆地生态系统对气候变化的响应及其脆弱性评价研究是当前全球变化领域的重要内容之一。该研究在生态系统过程模型的基础上,耦合了潜在 植被对气候变化的动态响应,模拟气候变化对潜在植被分布格局和生态系统主要功能的影响,以潜在植被的变化次数和变化方 向定义植被分布 对气候变化的敏感性和适应性,以生态系统功能特征量的年际变率及其变化趋势定义生态系统功能对气候变化的敏感性和适应性,进而对生态 系统的脆弱性进行定量评价,分析不同气候条件下我国陆地生态系统的脆弱性分布格局及其区域特点。结果表明,我国自然生态系统气候脆弱 性的总体特点为南低北高、东低西高,气候变化将会增加系统的脆弱性。采用政府间气候变化委员会排放情景特别报告国内和区域资源情景, 即IPCC-SRES-A2气候情景进行的预测模拟表明,到21世纪末我国不脆弱的生态系统比例将减少22%左右,高度脆弱和极度脆弱的生态系统所占的 比例较当前气候条件下分别减少1.3%和0.4%。气候变化对我国陆地生态系统的脆弱性分布格局影响不大。不同气候条件下,高度脆弱和极度脆 弱的自然生态系统主要分布在我国内蒙古、东北和西北等地区的生态过渡带上及荒漠-草地生态系统中。总体而言,华南及西南大部分地区的生 态系统脆弱性将随气候变化而有所增加,而华北及东北地区则有所减小。     

干旱对陆地生态系统生产力的影响

该文综述了干旱对陆地生态系统生产力的影响,分析了其影响机制,并总结了植被对干旱的响应与适应及其机理机制。干旱通过抑制光合作用来降低陆地生态系统总初级生产力,干旱还可以降低生态系统的自养呼吸和异养呼吸。同时干旱还可以通过影响其它干扰形式来间接影响陆地生态系统生产力,如增加火干扰的发生频率和强度,增加植物的死亡率,增加病虫害的发生等。在生态系统水平上干旱可以降低碳固定,减弱碳汇功能,甚至把生态系统从碳汇改变成碳源。目前生态系统水平上的干旱影响研究主要通过两种方法实现,一种是模型模拟,另一种就是大型模拟实验。作为陆地生态系统生产力的实现者,在干旱胁迫条件下,植物也会采取积极的适应策略以减弱干旱对生态系统生产力的影响,其适应策略主要分以下3种:在一些周期性发生干旱的地区,植物会调整生长期以避开干旱或通过休眠来减弱干旱所造成的伤害;还有一些植物会通过调节体内的代谢过程,改变一些生理特性来抵御干旱;而长期生活在干旱条件下的植物则通过进化来改变了自身的生理生化代谢过程,形成耐旱机制。目前,植物对干旱响应的分子学机制,以及生态系统水平上对干旱的响应和适应仍然是薄弱的领域,也必然成为未来研究的重点。     

全球变暖与陆地生态系统研究中的野外增温装置

由于化石燃料燃烧和森林砍伐等人类活动引起的地球大气层中温室气体(主要是二氧化碳)的富集已导致全球平均温度在20世纪升高了0.6 ℃,并将在本世纪继续上升1.4~5.8 ℃。这种地质历史上前所未有的全球变暖将对陆地植物和生态系统产生深远影响,并通过全球碳循环的改变反馈于全球气候变化。作为全球变化生态学的主要研究方法之一,生态系统增温实验能够为生态模型提供参数估计和模型验证。然而由于在世界各地使用的增温装置不同,使得各个生态系统之间的结果比较和整合难以实施,增加了模型预测的不确定性。该文通过比较几种常见的野外增温装置在模拟全球变暖情形时的优缺点,指出利用不同增温装置进行全球变暖研究中应注意的一些问题;同时探讨了全球变暖控制实验研究中的一些关键性的科学问题。     

NUTRIENT CYCLING IN MARINE ECOSYSTEMS

SUMMARY

The overall cycles of nitrogen, phosphorus and silicon in the sea are described and compared. Data on the fluxes and rates of change between various pools of each nutrient are given, where available, and gaps in knowledge are pointed out. The various methods used to determine such fluxes are reviewed, and differences between coastal and offshore systems are discussed.     

陆地生态系统氮沉降增加的生态效应

 人类活动在全球范围内极大地改变着氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率，人为固定的氮素正在不断积累，并对生态系统的结构和功 能产生显著影响。该文从以下几个方面综述了大气氮沉降增加对陆地生态系统的影响：1)氮输入增加可能影响植物生产力和生态系统碳蓄积能 力，生态系统响应的方向和程度取决于系统的初始氮状况(氮限制或氮饱和)以及当地的植被和土壤特征；2)持续氮输入有可能改变土壤氮循环 过程，降低土壤固持氮的能力，甚至导致土壤酸化、盐基离子损耗，进而影响到土壤有机碳的分解；3)高的氮沉降速率和持续氮输入都可能加 速含氮痕量气体的释放，但其影响程度受生态系统初始状态的影响(例如磷限制和氮限制)；4)氮沉降增加会影响生态系统的物种丰富度、植物 群落结构和动态，促进森林扩张，改变菌根真菌的物种多样性；5)持续氮输入带来的植物群落结构和植物生理特征的变化可能影响昆虫取食特 性，进而通过食物链改变生态系统的营养结构；6) 氮沉降增加对生态系统的影响并不是孤立存在的，它与CO₂浓度升高和O₃浓度变化有协同作 用，但难以从其协同效应中区分出各自的影响。最后，该文总结了我国的氮沉降研究现状，并对今后的研究前景提出了展望。     

陆地生态系统凋落物分解对全球气候变暖的响应

陆地生态系统凋落物分解是全球碳收支的一个重要组成部分, 主要受气候、凋落物质量和土壤生物群落的综合控制。科学家们普遍认为全球气候变化将对陆地生态系统凋落物分解产生复杂而深远的影响。该文结合凋落物分解试验的常用方法——缩微试验、原位模拟实验和自然环境梯度实验, 归纳现有研究结果, 意在揭示全球气候变化对陆地生态系统凋落物分解的直接影响(温度对凋落物分解速率的影响)和间接影响(温度对凋落物质量、土壤微生物群落及植被型的影响)的普遍规律。各种研究方法都表明: 在水分条件理想的情况下, 温度升高往往能加快凋落物的分解速率; 原位模拟实验中, 凋落物分解速率因物种、增温方法和地理方位而异; 全球气候变化能改变凋落物质量, 但可能不会在短期内影响凋落物的分解速率; 凋落物质量和可分解性的种间差异远大于增温所引发的表型响应差异, 那么, 气候变化所引发的植物群落结构和物种组成的变化将对陆地生态系统凋落物分解产生更强烈的影响; 土壤生物群落如何响应全球气候变化, 进而怎样影响凋落物分解过程, 这些都还存在着极大的不确定性。     

臭氧污染与陆地生态系统生产力

空气污染的严重性、普遍性和不断发展的趋势及其对陆地生态系统生产力造成的重大影响已引起科学工作者的高度重视,成为一个急需解决的重要课题。对流层臭氧(O₃)在空气污染现状与未来发展趋势中占据重要角色,该文重点探讨了O₃对陆地生态系统生产力的光合、分配、生长和产量形成等主要过程的影响及其对整个生态系统的长期效应,并评述了相关研究方法进展。主要结论包括:O₃在生产力形成过程中的每个环节中都有着不同程度的负面影响,通过影响光合作用和气孔导度,减少根冠比改变碳分配量,而最终导致粮食生产和森林生物量损失率高达30%;气候变化、CO₂和O₃协同作用对植物影响较为复杂,有促进也有抑制;生态系统模拟已成为研究O₃污染影响陆地生态系统生产力的主要方法之一,在区域评估和未来气候预测方面都具有重要作用。