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。     

陆地生态系统碳平衡主要研究方法评述

陆地生态系统碳平衡是全球变化科学中的核心问题之一,目前也是生态科学中的前沿与热点问题,而陆地生态系统的复杂性与不确定性决定了对陆地生态系统碳平衡估测的复杂性和不确定性。为研究这一复杂性问题,已发展了许多研究方法。可分为“自下而上”与“自上而下”两种,各种方法都有其自身的优势和劣势。相关方向也已经有了大量的研究报道,但是,不同的研究由于在方法、时间与空间尺度等存在的差异,使得许多研究结果和预测很难被有效的整合或适用于大范围甚至全球水平。综述了陆地碳平衡的主要研究方法,分析和比较了各方法的特点,指出在研究中对不同方法的结果进行分析和比较,以及采用综合方法的必要性。     

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应I 碳循环的分室模型、碳输入与贮量

概述了草地生态系统碳素循环的一般特征,介绍了一个草地碳循环的分室模型;对世界草地生态系统的碳贮量和碳输入量的有关数据进行了归纳整理,并初步讨论了草地生态系统在全球碳循环中的作用。     

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应I.碳循环的分室模型、碳输入与贮量

概述了草地生态系统碳素循环的一般特征,介绍了一个草地碳循环的分室模型;对世界草地生态系统的碳贮量和碳输入量的有关数据进行了归纳整理,并初步讨论了草地生态系统在全球碳循环中的作用。     

陆地生态系统地下碳输入与输出过程研究进展

生态系统地下碳输入与输出过程是陆地生态系统碳分配和转化的核心,并直接影响着全球碳循环。陆地生态系统凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸是地下碳输入与输出过程中的重要组成部分。由于这些组分非常复杂且其研究技术和方法受到限制,目前人们对陆地生态系统地下碳输入与输出过程尚缺乏全面的认识,故在陆地生态系统碳循环研究中存在诸多的不确定性。该文概述了凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸的研究方法,以及它们对气候变化的响应,探讨了陆地生态系统地下碳输入与输出过程中的研究难点,并对未来需要深入探究的一些领域进行了展望。     

Ecological roles of zoosporic parasites in blue carbon ecosystems

Pathosystems describe the relationships between parasites, hosts and the environment. Generally these systems remain in a dynamic equilibrium over time. In this review we examine some of the evidence for the potential impacts of change in dynamic equilibrium in blue carbon ecosystems and the relationships to the amount of stored carbon. Blue carbon ecosystems are marine and estuarine ecosystems along the coasts. Virulent pathogens can be introduced into ecosystems along with non-native hosts. Alteration of environmental conditions, such as temperature, pH and salinity, may cause parasites to dominate the pathosystems resulting in significant decreases in productivity and population sizes of producer hosts and in changes in the overall species composition and function in these ecosystems. Such changes in blue carbon ecosystems may result in accelerated release of carbon dioxide back into the ocean and atmosphere, which could then drive further changes in the global climate. The resiliency of these ecosystems is not known. However, recent evidence suggests that significant proportions of blue carbon ecosystems have already disappeared.     

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.     

森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述

在大气CO2浓度升高和氮沉降增加等全球变化背景下,森林生态系统减缓CO2浓度升高的作用及其对全球变化的响应和反馈存在诸多不确定性.森林生态系统碳氮循环相互作用及功能耦合规律的研究是揭示这些不确定性的基础,也是反映森林生态系统生物产量与养分之间作用规律,涉及林地持久生产力（sustainability of long-term site productivity）的生态学机理问题.森林生态系统碳氮循环的耦合作用表现在林冠层光合作用的碳固定过程,森林植物组织呼吸、土壤凋落物与土壤有机质分解、地下部分根系周转与呼吸等碳释放过程,这些过程存在反馈机理和非线性作用,最终决定森林生态系统的碳平衡.着重在生态系统尺度上,综述了碳氮循环耦合作用研究的一些进展与存在的问题,对今后研究方向进行了展望.     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面，中国农田生态系统面积大，碳储量高，是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上，比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题，通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布，并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明，中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势，农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均，0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间，增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施，但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后，从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广，为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

High photosynthetic capacity of Sahelian C3 and C4 plants

Photosynthesis Research - The semi-arid ecosystems of the African Sahel play an important role in the global carbon cycle and are among the most sensitive ecosystems to future environmental...     

中国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力

1　前　言在引起全球温室效应的痕量气体中 ,尤以含Ｃ气体的作用最为显著。ＣＯ2 和ＣＨ4两种含碳气体的贡献将达到 75 %[1] 。而且 ,在大气中这两种气体的浓度正在不断增加[2 ] 。为了弄清大气中这些含碳痕量气体的来源和归宿 ,首先应该搞清楚全球主要碳库的现有贮量及其潜力。森林是全球陆地生态系统中的最大有机碳库 ,它贮有1 1 4 6ＰｇＣ ,占整个陆地碳库的 5 6%[3] 。而且更重要的是森林生态系统具有较高的碳贮存密度(ｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ ,即与别的土地利用方式相比 ,单位面积内可以贮存更多量的有机碳 )。据研究 ,森林生态系…     

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     

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。     

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。     

森林生态系统细根周转规律及影响因素

根系周转是陆地生态系统碳循环的关键过程, 对研究土壤碳库变化及全球气候变化均具有重要意义。然而由于根系周转率的测量计算方法较多, 不同方法得出的结果差异较大, 且目前对全球区域尺度上森林生态系统根系周转的研究还不够充分, 使得全球森林生态系统根系周转变化规律仍不清楚。该研究通过收集文献数据并统一周转率计算方法, 对全球5种森林类型的细根周转空间格局进行整合, 同时结合土壤理化性质和气候数据, 得出影响森林生态系统细根周转的因子。结果表明, 不同森林类型细根周转率存在显著差异, 且随着纬度的升高逐渐降低; 森林生态系统细根周转率与年平均温度和年平均降水量呈正相关; 森林生态系统细根周转率与土壤有机碳含量呈正相关但与土壤pH值呈负相关。该研究为揭示森林生态系统细根周转规律及机制提供了科学依据。     

土壤有机碳形成机制的探索历程

土壤有机碳(SOC)是生态系统的重要资产,在全球碳平衡中发挥着关键的作用。2015年巴黎气候会议以来,促进SOC在陆地生态系统中的积累受到特别重视,被认为是有效减缓大气CO2浓度上升的最重要地表措施。从服务于这个目标出发,对过去几十年全球在探索SOC形成机制上的历程进行了回顾和总结,从弄清SOC全球分布规律,阐明样地以下尺度的SOC循环过程及其相应的物理、化学与生物机理,到样地及以上尺度的土壤固碳机制,最后给出了成熟森林SOC积累机制的实例。SOC形成机制的探索历程就是寻求为促进土壤固碳提供理论指导的过程。     

Estimating global "blue carbon" emissions from conversion and degradation of vegetated coastal ecosystems

Recent attention has focused on the high rates of annual carbon sequestration in vegetated coastal ecosystems-marshes, mangroves, and seagrasses-that may be lost with habitat destruction ('conversion'). Relatively unappreciated, however, is that conversion of these coastal ecosystems also impacts very large pools of previously-sequestered carbon. Residing mostly in sediments, this 'blue carbon' can be released to the atmosphere when these ecosystems are converted or degraded. Here we provide the first global estimates of this impact and evaluate its economic implications. Combining the best available data on global area, land-use conversion rates, and near-surface carbon stocks in each of the three ecosystems, using an uncertainty-propagation approach, we estimate that 0.15-1.02 Pg (billion tons) of carbon dioxide are being released annually, several times higher than previous estimates that account only for lost sequestration. These emissions are equivalent to 3-19% of those from deforestation globally, and result in economic damages of $US 6-42 billion annually. The largest sources of uncertainty in these estimates stems from limited certitude in global area and rates of land-use conversion, but research is also needed on the fates of ecosystem carbon upon conversion. Currently, carbon emissions from the conversion of vegetated coastal ecosystems are not included in emissions accounting or carbon market protocols, but this analysis suggests they may be disproportionally important to both. Although the relevant science supporting these initial estimates will need to be refined in coming years, it is clear that policies encouraging the sustainable management of coastal ecosystems could significantly reduce carbon emissions from the land-use sector, in addition to sustaining the well-recognized ecosystem services of coastal habitats.     

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。     

Drought-induced dynamics of carbon and water use efficiency of global grasslands from 2000 to 2011

Drought is frequently recorded as a result of climate warming and elevated concentration of greenhouse gases, which affect the carbon and water cycles in terrestrial ecosystems, particularly in arid and semi-arid regions. To identify the drought in grassland ecosystems and to determine how such drought affects grassland ecosystems in terms of carbon and water cycles across the globe, this study evaluated the drought conditions of global grassland ecosystems from 2000 to 2011 on the basis of the remotely sensed Drought Severity Index (DSI) data. The temporal dynamics of grassland carbon use efficiency (CUE) and water use efficiency (WUE), as well as their correlations with DSI, were also investigated at the global scale. Results showed that 57.04% of grassland ecosystems experienced a dry trend over this period. In general, most grassland ecosystems in the northern hemisphere (N.H.) were in near normal condition, whereas those in the southern hemisphere (S.H.) experienced a clear drying and wetting trend, with the year 2005 regarded as the turning point. Grassland CUE increased continually despite the varied drought conditions over this period. By contrast, WUE increased in the closed shrublands and woody savannas but decreased in all the other grassland types. The drought conditions affected the carbon and water use mainly by influencing the primary production and evapotranspiration of grass through photosynthesis and transpiration process. The CUE and WUE of savannas was most sensitive to droughts among all the grassland types. The areas of grassland DSI that showed significant correlations with CUE and WUE were 52.92% and 22.11% of the total grassland areas, respectively. Overall, droughts sufficiently explained the dynamics of grassland CUE, especially in the S.H. In comparison with grassland CUE, the grassland WUE was less sensitive to drought conditions at the global scale.     

植物功能性状与湿地生态系统土壤碳汇功能

湿地生态系统碳平衡对气候变化极为敏感,是陆地生态系统碳循环响应全球变化的重要环节。然而,湿地生态系统碳汇调节机制仍不十分清楚,并且对影响因子的研究多集中在非生物因子上。综述了植物功能性状和功能性状多样性对湿地生态系统土壤碳汇功能的影响,阐明了生物因子对生态系统碳循环响应全球变化的重要性,介绍了植物功能性状对生态系统碳输入和输出过程的影响,简述了植物功能性状多样性的研究现状及其在指示生态系统碳汇功能现状和预测未来趋势等方面的应用。从优势植物、植物种间关系和植物-微生物种间关系3方面总结了植物功能性状多样性直接和间接影响生态系统碳循环的途径。展望了植物功能性状和功能性状多样性与湿地生态系统土壤碳汇功能的研究前景。