Responses of freshwater ecosystems to global change: research progress and outlook

全球变化已经通过提高水温、改变降水格局和水流状况、促进物种入侵、增加极端事件, 对不同的淡水生态系统造成严重的威胁。该文将全球变化背景下淡水生态学的主要研究内容归纳为: (1)全球变化各要素对个体、种群、群落及至生态系统水平的影响; (2)全球变化过程中生态系统生物地球化学循环的改变; (3)淡水生态系统对全球变化的适应对策。最近10-15年淡水生态系统与全球变化研究快速发展, 取得的重要突破有: (1)阐明淡水生态系统结构与功能对全球气候变化尤其是水温升高的响应过程与机制; (2)揭示淡水生态系统(湿地、湖泊、河流等)是全球碳循环的重要组成部分, 在全球变化因素的影响下呈现有机碳埋藏减少和矿化速率提高。今后的研究中, 需要进一步加强对淡水生态系统全要素的系统观测与整合; 开展以“河流”为介质耦合多系统的碳输运和转化过程研究; 强化基础理论研究揭示淡水生态系统对全球变化的适应机制。     

淡水生态系统水溶性有机碳对全球变化的响应研究进展

淡水生态系统水溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)是全球碳循环的重要组成部分,也是淡水生态系统异养生物物质和能量来源,其对全球变化的响应很大程度上影响着全球碳汇的大小和淡水生态系统结构和功能。过去对陆地生态系统碳循环的研究较多,而有关淡水生态系统碳循环,特别是淡水生态系统DOC在全球碳循环中的作用及其对气候变化的响应研究相对缺乏。本文综述了近年全球变化对淡水生态系统DOC的影响,以及淡水生态系统DOC对全球变化的反馈。指出了全球变化各因子对淡水生态系统DOC的影响存在交互作用,各因子的影响程度也会随时间、空间而变化。淡水生态系统DOC对全球变的反馈程度也存在时空变异,但该方面的研究十分有限,反馈机制不十分清楚。基于目前研究,本文提出今后值得深入研究的三个方面,即:(1)扩展研究区域和范围,了解DOC在不同区域淡水生态系统中的动态变化特征;(2)加强全球变化对淡水生态系统DOC的组成和结构特征影响的研究;(3)深入研究淡水生态系统DOC对全球变化的反馈程度和机制。     

林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。     

淡水湖泊附着藻类生态学研究进展

附着藻类是淡水生态系统初级生产者的主要组成部分,对淡水生态系统营养盐循环及沉水植物分布具有重要的影响。本文对近年来淡水湖泊生态系统中附着藻类群落组成、生态功能以及主要影响因子进行了分析,从附着藻类种群结构入手,指出附着藻类通过改变群落中优势种的组成来适应不同的环境,阐述了附着藻类在湖泊生态系统营养盐循环中的作用及其与沉水植物之间的关系。针对淡水湖泊富营养化问题,提出了今后附着藻类生态学研究应侧重于:主要因子(如弱光、高浓度的营养盐等)的交互作用对附着藻类的影响,原位实验方法弄清楚附着藻类在湖泊生态系统碳、氮、磷生物地球化学循环中的作用,以及富营养湖泊附植藻类与沉水植物相互作用的机理。     

淡水生态系统服务及其评价指标体系的探讨

对淡水生态系统的重要性及生态系统服务的内涵进行了阐述,指出了当前淡水生态系统服务研究的不足;认为淡水生态系统服务的正常发挥离不开一个健康的生态系统,但少有将两者结合的综合研究,而这样的研究又是必要的。水资源应明确包括水量、水质、水能和水生生物四大要素,以此为基础,对淡水生态系统服务及其评价指标体系进行了论述,并简要介绍其评价方法。文章还对国内相关研究的思路及其技术路线进行了探讨。     

塘生态系统结构与功能的研究进展

塘是陆地上常见的一类极小型静水水体,具有面积小、水体浅、数量多、分布广等特点,是陆域淡水生态系统重要组成部分。由于空间上不易识别,其在生态系统中的功能往往被忽视。本研究对塘系统的国内外研究进展进行综述,明确了塘的基本概念,论述了塘系统的非生物要素、生物要素及环境关系,基于塘生态功能的探讨,提出:(1)塘系统物质循环率高,常利用氧化塘净化水体,在全球陆地系统碳、氮循环中具有潜在作用;(2)塘群系统是重要的生物生境,在维持区域生物多样性方面具有重要意义,种-面积关系、生境异质性以及相邻生态系统特点被认为是塘生态系统中生物多样性的主要驱动因素;(3)作为地表洼地系统,塘具有水源涵养与水土保持功能,在雨水收集、泥沙拦截等方面发挥重要作用。基于此,本研究提出了未来研究需重视的3个方面:变化环境下的塘系统生物地球化学循环特征;生物多样性本底数据积累与维持机制;水源涵养与水土保持功能在生态修复工程中的应用。塘生态系统可作为应对未来环境变化的重要生态系统。     

全球CO2 水平升高对浮游植物生理和生态影响的研究进展

工业革命以来由于化石燃料的大量燃烧,大气CO₂水平不断增加,预计在21世纪末将增至现有水平的两倍,达到750 μL/L。作为全球初级生产力的重要贡献者,浮游植物应对CO₂水平升高的生理生态响应必然会对水生生态系统和碳、氮等元素的生物地球化学循环产生重要影响。全球CO₂水平的升高将显著改变水体的碳化学环境,淡水生态系统(湖泊和河流)由于容量小变化比海洋更为显著。水体碳化学环境的改变首先会影响浮游植物个体,在高CO₂水平下,浮游植物的细胞会有变小的趋势,并且细胞的光合作用强度也会有不同程度的增加,其中细胞较小或者不具有碳浓缩机制(CCM)的浮游植物增加较多,此外浮游植物细胞的化学元素计量值也将显著改变。随后浮游植物个体水平上的变化会进一步影响水生生态系统,例如水体初级生产力水平的提高,浮游植物、浮游动物群落结构组成以及水体微食物网结构的变化等。此外浮游植物对CO₂水平升高的生理生态响应程度还与水体的营养水平有关。总结了大气CO₂水平升高对浮游植物生理生态影响的研究方法,展望了未来可能的研究方向。     

微生物对分解底物碳氮磷化学计量的响应和调节机制

微生物分解者的生存和生长策略、群落结构和功能会随着底物化学计量特征而改变, 从而强烈地影响底物的分解速度和元素的周转速率, 进而影响生态系统的功能过程。深入理解微生物生理代谢活动和群落结构与陆地生态系统过程之间的联系及其对全球变化的响应和反馈机理是生态学和全球变化生物学领域值得关注的重大科学命题。该文基于生态化学计量学理论和代谢理论, 首先介绍微生物在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用; 然后综述微生物对分解底物化学计量变异性的响应和调节的4种主要机制: (1)调整微生物自身化学计量特征; (2)调整微生物群落结构; (3)产生特定的胞外酶以获取受限制的资源; (4)改变碳氮磷元素利用效率。最后, 通过分析当前研究不足, 提出该领域亟需关注的科学问题有: (1)综合阐明微生物对底物化学计量变化响应的各种机制及其相对重要性; (2)探索全球变化对微生物驱动的碳氮磷循环的影响; (3)探索微生物对底物化学计量变化适应对策的时空变化。     

全球环境变化对典型生态系统的影响研究:现状、挑战与发展趋势

随着全球环境变化和人类活动对生态系统影响的日益加深,生态系统结构和功能发生强烈变化,生态系统提供各类资源和服务的能力在显著下降。在这种背景下,全面认识生态系统的结构功能与全球环境变化的关系已成为当前生态学研究的热点之一。本文综述了全球环境变化对典型生态系统(包括森林生态系统、河口湿地生态系统、城市生态系统)影响以及全球环境变化适应的研究现状,分析研究面临的困难及挑战。在此基础上,提出对未来研究发展趋势的展望。在森林生态系统与全球环境变化研究上,未来应重视能更好模拟现实情景的、多因子、长期的全球环境变化控制试验,并注重不同生物地球化学循环之间的耦合作用。在湿地生态系统与全球环境变化研究上,未来应加强氮沉降、硫沉降及盐水入侵对湿地生态系统碳氮循环的影响,明晰滨海湿地的蓝碳功能,加强极端气候和人类干扰影响下湿地生态系统结构和功能变化及恢复力的研究。在城市生态系统与全球环境变化研究上,未来应深化城市生物地球化学循环机制研究,实现城市生态系统的人本需求侧重与转向,并开展典型地区长期、多要素综合响应研究。在全球环境变化适应研究上,未来应构架定量化、跨尺度的适应性评价体系,加强典型区域/部门的适应性研究以及适应策略实施的可行性研究,注重适应与减缓对策的关联研究及实施的风险评估。期望本综述为我国生态系统与全球环境变化研究提供一些参考。     

外源性有机碳对淡水生态系统食物网的贡献

淡水生态系统中的有机碳来自于两个部分, 系统自身的初级生产力(内源性有机碳)以及流域带来的外源性有机碳。而外源性有机碳对淡水生态系统食物网贡献的大小一直以来存在争议。如一些富营养化水体中, 较高的内源性初级生产力会降低水生生物对外源性碳的依赖性。而在一些贫营养和富含腐殖质的湖泊和溪流中, 水生生物对外源性有机碳的利用甚至超过了内源性有机碳。本文总结分析了外源性有机碳对食物网的贡献的研究现状, 概括了三种不同形式的外源有机碳[溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)、陆生动物]对淡水生态系统食物网的贡献及其路径, 并得出结论: 外源性有机碳对不同淡水生态系统食物网贡献各有不同, 其大小主要受到水体的营养状态、水体中的消费者种类、外源性有机碳的质量以及进入食物网的方式等多方面因素的影响。     

火干扰与生态系统的碳循环

火干扰是陆地生态系统碳循环的重要影响因子。它改变着整个系统的碳循环过程与碳分布格局。正确评估火干扰在碳循环过程中的作用,对推进全球碳循环研究有着重要的意义。从4个方面系统的回顾了火干扰对碳循环的影响过程及其研究方法:(1)火烧过程中含碳痕量气体排放的估算;(2)火烧迹地恢复过程中净第一性生产力(NPP)与土壤呼吸的变化;(3)火干扰对生态系统碳源/汇的影响;(4)模型方法在火干扰与生态系统碳循环研究中的应用。目前火灾碳排量的估算方法业已成熟,但进行更精确的估算必须基于对受干扰生态系统的性质以及火势的时空变异性质的准确理解;相比之下,对于间接的、更为重要的影响,即对火烧迹地恢复过程中碳循环变化的研究则显不足。由于数据缺乏,现有研究大多限于对碳循环某一方面的观测与定量描述,缺乏全面的机理性分析。对此,实地观测、模型模拟与遥感观测的跨尺度集成将成为未来火干扰研究的一个主要方向。     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。     

淡水鱼类功能生态学研究进展

在全球变化和人类活动的影响下,生物多样性正以前所未有的速度丧失,全球生物正经受第六次生物多样性危机。淡水生态系统是最脆弱的生态系统之一。淡水鱼类作为淡水生态系统的重要组成部分,承受着日趋严重的气候变化、栖息地退化、生物入侵和过度捕捞等压力,面临巨大的威胁。在此背景下,如何准确评估鱼类种群和群落对环境变化的响应,以及鱼类群落结构和功能的变化对生态系统功能的影响是淡水鱼类多样性和淡水生态系统保护的关键问题。近年来,淡水鱼类功能生态学的快速发展为解答这一问题提供了一个框架。系统地介绍了淡水鱼类功能生态学主要研究内容、方法、进展及其应用,并着重介绍了淡水鱼类功能特征及其与环境的关系、环境变化下的功能生态学响应研究。据此提出了淡水鱼类功能生态学未来的重点研究方向,指出了其在鱼类多样性保护和资源利用等领域的应用前景。     

绿藻CO2浓缩机制的研究进展

单细胞绿藻是淡水水体中浮游植物的重要组成部分,也是淡水生态系统中主要的初级生产者,其在适应外界环境CO₂浓度变化的过程中,细胞内形成了一种主动转移无机碳的机制———CO₂浓缩机制(CO₂concentrating mechanism,CCM).该机制能使细胞在核酮糖2磷酸羧化氧化酶(rubisco)固碳位点提高CO₂浓度,以增加光合作用和减少光呼吸.本文综述了这种机制中的无机碳转移模型和不同环境因子(光、温度、CO₂浓度和营养水平)对它的调控作用,以期促进深入开展浮游植物对大气CO₂浓度升高响应的研究.     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

森林生态系统可溶性碳和颗粒碳通量

可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和颗粒碳(particulate carbon,PC)通量作为森林生态系统碳收支的重要组分,在森林固碳功能的评价和模型预测中具有重要意义,但常因认识不足、测定困难等而在森林碳汇研究中被忽略。综述了森林生态系统DC和PC的组成、作用、相关生态过程及其影响因子,并展望了该领域应该优先考虑的研究问题。森林生态系统DC和PC主要包括可溶性有机碳、可溶性无机碳和颗粒有机碳,主要来源于生态系统的净初级生产量。DC和PC是森林土壤的活性碳库,主要以大气沉降、穿透雨和凋落物的形式输入森林土壤系统,并通过土壤呼吸、侧向运输及渗透流失的方式输出生态系统。从局域尺度看,DC和PC通量受根系分泌、细根分解、微生物周转等生物过程的影响较大;从区域尺度看,它们受土壤和植被特性、生态过程耦联关系、气候因子以及全球变化的综合影响。该领域应该优先考虑:(1)探索不同时空尺度下森林生态系统DC和PC通量的控制因子及其耦联关系,揭示其中的驱动机理;(2)探索DC和PC与其它森林生态系统碳组分的相互关系及转化,阐明DC和PC通量与其它养分之间潜在的生态化学计量关系;(3)探索全球变化,特别是人类活动(如森林经营)和极端干扰事件(如林火、旱涝、冰冻、冻融交替等)对森林生态系统DC和PC通量的影响。     

森林土壤碳氮循环过程的新视角:丛枝与外生菌根树种的作用

几乎所有树木的根系都能与丛枝菌根(AM)真菌或外生菌根(EM)真菌形成共生关系,从而调节森林生态系统土壤碳(C)、氮(N)循环等功能过程。深入理解不同菌根类型森林土壤C、N循环的差异及其影响机制是重要的生态研究命题。该文明晰了AM与EM森林土壤C、N循环的差异;基于森林土壤C、N输入、稳定和输出等3个过程剖析了AM和EM树种对土壤C、N循环的影响机制;比较了不同菌根类型森林土壤C、N循环过程对全球变化的响应;指出了该研究领域所面临的主要挑战:(1)全面比较研究不同菌根类型森林土壤C、N循环及其相关联的生态系统结构和功能特征,为提高森林生产力、发挥生态系统服务功能提供理论基础和数据;(2)深入认知不同菌根树种地上凋落物及地下菌根与自由微生物间相互作用对土壤C、N循环的影响,以阐明不同菌根类型森林土壤C、N循环的潜在机制;(3)改进研究方法,应用新技术手段,充分考虑时空尺度效应,以便能用小尺度的研究结果合理地解释和预测生态系统C、N循环;(4)加强不同菌根类型森林土壤C、N稳定性差异的研究,以准确评价森林结构和功能对全球变化的响应。     

中国科学院植被数量生态学重点实验室

实验室概况 中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室成立于1989年11月,实验室以野外台站,样带,样地等平台为基础,运用信息生态学的理论,方法和生态系统控制实验等手段,致力于全球变化生态学的综合性研究,重点开展植被系统对全球变化的响应与适应、生物多样性变化与保育以及生态系统管理等方面的研究工作,以揭示不同时空尺度生态系统格局与变化规律,为中国植被系统与环境的可持续管理提供理论依据。     

碳供给与碳利用对树木生长的限制机制

树木生长固碳过程使森林生态系统成为减缓大气CO_2浓度升高的一个巨大而持续的碳汇。根据树木可利用碳的状况,限制树木生长的机制可分为碳供给限制和碳利用限制。许多环境因子交互作用,共同影响树木的碳供给与碳利用,因而很难量化碳供给和碳利用活动及其对环境变化敏感性对树木生长的影响。因此,从碳供给与碳利用角度揭示环境变化对树木生长影响的生理机制,对于预测全球变化背景下树木生长及森林碳汇功能至关重要。为此,该文介绍了树木生长碳供给与碳利用限制争议的相关背景;从碳供给与碳利用角度探讨了叶损失、干旱和低温等胁迫条件限制树木生长的生理机制;提出该领域今后应优先研究的3个问题:(1)探索非结构性碳水化合物(NSC)储存形成的调控机制,确定什么情况下以及多大程度上树木通过主动降低生长而将光合产物优先分配给NSC储存;(2)加强碳利用活动研究,系统测定光合产物在其碳利用组分的分配(特别是根系及其共生微生物活动);(3)开展树木碳代谢、矿质营养与水分生理的互作研究,充分认识树木碳、水和养分耦合关系及对树木生长的影响。