Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

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。     

草地生态系统植物群落及碳交换对气候变暖的响应研究进展

气候变暖成为大势所趋。气候变暖与陆地生态系统之间会相互作用、相互影响。草地生态系统约占陆地表面积的1/3, 观测与分析草地生态系统植物群落及碳交换对气候变暖的响应有助于进一步预测未来草地生态系统的变化。为此文章重点综述了气候变暖对草地生态系统植物生理生态过程、物种组成、碳交换等方面的影响。研究发现不同地区、不同实验方法取得的研究结果有较大差异。总体而言, 气候变暖对高寒草地生态系统有正效应, 对热带草地生态系统有负效应, 对温带草地生态系统有正/负效应。未来需考虑在全球尺度范围内展开长时间尺度的观测研究与机理研究, 进一步明晰草地生态系统对全球变暖的响应。     

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。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟, 陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展, 总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用, 并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。     

基于红外增温的草地生态系统响应全球变暖的研究进展

为了更好地了解全球变暖对草地生态系统的影响机制, 该文介绍了红外加热技术的原理、增温效应及其优缺点, 重点从植物物候、光合生理、生长发育、群落结构和功能、土壤特性, 特别是植物群落地下过程方面, 系统综述了基于红外加热技术模拟气候变暖对草地生态系统影响的最新研究进展, 在此基础上探讨了未来草地生态系统响应全球变暖研究拟重视的研究领域。     

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。     

气候变暖对陆生植物的影响

温度是影响植物生长、发育和功能的重要环境因子,是调节许多陆地生态系统生物地球化学过程的关键因素之一.全球气候持续变暖直接或间接地对陆生植物产生不同程度的影响.本文从不同方面分析了植物对温度升高及其它生态环境因子变化交互作用下的生理生态适应机制,包括生态系统的土壤呼吸、植物的气体交换、水分关系、生物量和生产力的响应等方面的研究进展,并就未来开展陆生植物对气候变暖响应研究提出加强和改进的设想.     

陆地生态系统野外增温控制实验的技术与方法

由于人类活动导致的碳排放急剧增加, 工业革命以来全球地表温度显著增加约1 ℃, 未来全球气候还将持续变暖, 到21世纪末最高可升温4 ℃。这种前所未有的气候变化不仅影响陆地植被的适应策略, 也深刻影响生态系统的结构和功能。其中陆地生态系统碳收支对全球变暖的反馈, 是决定未来气候变化强度的关键因素, 因此全球已经开展了大量的生态系统尺度的野外增温控制实验, 研究生态系统碳收支对气温升高的响应, 从而提高地球系统模型的预测精度。然而由于增温技术和方法的不同, 不同研究的结果之间难以进行比较。该文系统总结了常见的野外增温技术和方法, 包括主动增温和被动增温, 阐述了其优缺点、适用对象以及相关研究成果。同时简要介绍了野外增温控制实验的前沿研究方向——新一代野外增温技术(包括全土壤剖面增温和全生态系统增温)和基于新一代增温技术开展的野外增温联网实验。     

全球变化野外控制试验及其在土壤微生物生态学研究中的应用

全球变化是近几十年世界广泛关注的热点之一.土地利用变化和化石能源消耗已引起如温室气体增多、气温升高、降水格局改变等多种形式的变化.这些变化对整个生态系统过程,特别是陆地生态系统碳氮循环过程有着深远影响.自20世纪70年代以来,世界各地已开展大量野外控制试验用以模拟单因子和多因子气候变化的影响,这些研究对解释生态系统响应和适应全球变化的内在机制提供了重要的基础.本文梳理了全球变化控制试验的发展历程,介绍了不同因子模拟控制试验的研究概况及不足之处,重点阐述CO₂倍增、增温、降水和模拟氮沉降等全球变化控制试验在土壤微生物生态学研究中的应用,探析土壤微生物及其介导的生态学过程对全球变化的响应和反馈,并对未来野外控制试验需关注的问题和研究方向进行了展望,为认识气候变化对地下生态系统的影响提供参考.     

Effects of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: concepts,processes and potential future impacts

Extreme droughts, heat waves, frosts, precipitation, wind storms and other climate extremes may impact the structure, composition and functioning of terrestrial ecosystems, and thus carbon cycling and its feedbacks to the climate system. Yet, the interconnected avenues through which climate extremes drive ecological and physiological processes and alter the carbon balance are poorly understood. Here, we review the literature on carbon cycle relevant responses of ecosystems to extreme climatic events. Given that impacts of climate extremes are considered disturbances, we assume the respective general disturbance‐induced mechanisms and processes to also operate in an extreme context. The paucity of well‐defined studies currently renders a quantitative meta‐analysis impossible, but permits us to develop a deductive framework for identifying the main mechanisms (and coupling thereof) through which climate extremes may act on the carbon cycle. We find that ecosystem responses can exceed the duration of the climate impacts via lagged effects on the carbon cycle. The expected regional impacts of future climate extremes will depend on changes in the probability and severity of their occurrence, on the compound effects and timing of different climate extremes, and on the vulnerability of each land‐cover type modulated by management. Although processes and sensitivities differ among biomes, based on expert opinion, we expect forests to exhibit the largest net effect of extremes due to their large carbon pools and fluxes, potentially large indirect and lagged impacts, and long recovery time to regain previous stocks. At the global scale, we presume that droughts have the strongest and most widespread effects on terrestrial carbon cycling. Comparing impacts of climate extremes identified via remote sensing vs. ground‐based observational case studies reveals that many regions in the (sub‐)tropics are understudied. Hence, regional investigations are needed to allow a global upscaling of the impacts of climate extremes on global carbon–climate feedbacks.     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

增温增水对草地生态系统碳循环关键过程的影响

生态系统碳循环是生态系统过程的重要组成部分,对碳循环关键过程机理的研究有助于更好地理解生态系统过程。目前,气候变化（全球变暖、降水时空格局变化）对草地生态系统过程产生了重要的影响。综述了气候变化（温度和降水变化）对草地生态系统碳循环关键过程（植物生产力、植物物候、植物根系周转、生态系统呼吸和生态系统净碳交换）的影响,在此基础上指出了目前气候变化（温度和降水变化）控制试验研究的不足,并进一步提出了今后应该加强研究的方向。     

Interannual variation of terrestrial carbon cycle: Issues and perspectives

With accumulation of carbon cycle observations and model developments over the past decades, exploring interannual variation (IAV) of terrestrial carbon cycle offers the opportunity to better understand climate–carbon cycle relationships. However, despite growing research interest, uncertainties remain on some fundamental issues, such as the contributions of different regions, constituent fluxes and climatic factors to carbon cycle IAV. Here we overviewed the literature on carbon cycle IAV about current understanding of these issues. Observations and models of the carbon cycle unanimously show the dominance of tropical land ecosystems to the signal of global carbon cycle IAV, where tropical semiarid ecosystems contribute as much as the combination of all other tropical ecosystems. Vegetation photosynthesis contributes more than ecosystem respiration to IAV of the global net land carbon flux, but large uncertainties remain on the contribution of fires and other disturbance fluxes. Climatic variations are the major drivers to the IAV of net land carbon flux. Although debate remains on whether the dominant driver is temperature or moisture variability, their interaction,that is, the dependence of carbon cycle sensitivity to temperature on moisture conditions, is emerging as key regulators of the carbon cycle IAV. On timescales from the interannual to the centennial, global carbon cycle variability will be increasingly contributed by northern land ecosystems and oceans. Therefore, both improving Earth system models (ESMs) with the progressive understanding on the fast processes manifested at interannual timescale and expanding carbon cycle observations at broader spatial and longer temporal scales are critical to better prediction on evolution of the carbon–climate system.     

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。