全球变化对资源环境及生态系统影响的生态学理论基础

随着全球变化研究的深入,面向社会可持续发展的全球变化风险与应对、全球变化对资源环境要素时空配置与生态系统的影响评估等应用性问题正成为全球变化领域的新趋势。基于生态学范畴,本文重点梳理了资源环境的涵义及其构成要素：资源是自养生物利用无机物制造有机物及能量和物质在生物间传递过程中所消耗的一切实体,包括无机资源(太阳辐射、CO₂、O₂、水和矿质元素等)和有机资源(作为其他生物的食物资源)两类,而环境不能被生物有机体消耗或用竭。此外,阐述了全球变化组成及其引发的资源环境要素变化特征,以及当前关于生态系统对全球变化响应的研究进展,以期从生态学原理角度科学认知全球变化对资源环境及生态系统的影响过程与机制,为全球变化风险应对实践提供生态学理论基础。     

全球变化生态学:全球变化与陆地生态系统

工业革命以来,伴随着人类社会的飞速发展,地球系统的物质循环也在不断加速,与此同时,大量的工业污染物和有害废弃物累积于大气、水体、土壤和生物圈中,如氟里昂积存于大气中,有机化合物富集于水生生物体内,化石燃料燃烧释放的污染物和温室气体进入大气、水体、土壤和生物体等。     

中国陆地生态系统对全球变化的敏感性研究

根据自然植被净第一性生产力综合模型和农业净第一性生产力模型计算了我国自然植被及农作物的净第一性生产力,结果表明:在所有可能的气候条件下,我国陆地生态系统的生产力表现出由东南向西北递减的趋势及明显的条带状分布,并在新疆地区形成明显的低值区。在年平均气温升高2℃且降水不变的情况下,湿润地区生产力增加幅度最大,约增加1～2tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水增加20％的情况下,干旱、半干旱地区生产力增加幅度最大,约增加0.5～3.0tDW·hm~(-2)·a~(-1);在年平均气温升高2℃、年降水减少20％的情况下,湿润地区生产力提高约0.5～1.0tDW·hm~(-2)·a~(-1),干旱、半干旱地区生产力降低约0.5～2.0tDW·hm~(-2)·a~(-1)。     

陆地生态系统净第一性生产力对全球变化的响应

陆地生态系统的年净第一性生产力是每年植物通过光合作用固定的碳总量。随着全球变化发生,ＮＰＰ发生相应的变化。传统的方法预测ＮＰＰ的变化是利用气候和植被之间的局地关系建立回归模型,但用此方法预测ＮＰＰ的变化是有条件的。目前国际上出现了一种陆地生态系统的动态模型,它考虑了植物营养元素如氮的有效性,同时利用不同ＧＣＭｓ模型预测的气候因子的变化值和全球变化模拟研究的实验数据,预测全球ＮＰＰ的可能变化及区域分     

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。     

全球变化对陆地生态系统枯落物分解的影响

了解枯落物分解对大大二氧化碳浓度增高,气候变暖和降水变化的反应,对深入理解陆地生态系统土壤有机物形成和碳的固化能力（Carbonh sequestration)十分重要。通过分析业已发表的文献,实验室根系分解实验和美国西北部针叶林叶片的分解实验,旨在评估大气二氧化碳浓度增高,气候变暖和降水化对陆地生态系统枯落物分解的可能影响,大气二氧化碳浓度增高可通过降低枯落物质量和增加草原生态系统土壤水分间接地影响枯落物分离,根据17项研究结果,大气二氧化碳浓度加倍可导致木本和草本枯落物平均氮含量降低19．6％和9．4％;木质素／氮化值增高36．3％和5．5％,枯落物质地的降低通常导致枯落物分解减慢。气候变暖一般加速枯落物的分解,但是用于表示这种促进作用的Q10随着温度的增高而降低,全球降水变化对陆地生态系统枯落物分解的影响不但取决于现有水分条件而且还以决于降水变的程度。以美国西北部地的针叶林为例,降水改变对森林生态系统枯落物分解的影响将是 多元的,有的增加,有的降低,而有的相对不变,最后,指出了今后 在方该领域有待加强的几个研究方面。     

森林水文学：全球变化背景下的森林与水的关系

森林水循环是陆地水循环中的重要组成部分,不但影响森林植被的结构、功能与分布格局,还影响地球表面系统的能量收支、转换和分配,在陆地生态系统的碳氮平衡过程中发挥着重要作用。森林生态系统的水文功能不仅是其服务功能的重要组成部分,而且对系统生产力、养分循环等其它功能产生影响。森林与水分循环间的关系早在20世纪初就受到关注,     

面向生态系统服务的森林生态系统经营:现状、挑战与展望

森林生态系统是地球陆地生态系统的主体,它具有很高的生物生产力和生物量以及丰富的生物多样性,对全球生态系统和人类经济社会发展起着至关重要和无可替代的作用。伴随着人口的不断增长和经济社会的迅猛发展,对森林资源和森林生态系统服务的需求不断高涨,而且人类对森林资源价值的认识也发生了很大程度的改变。推进森林资源可持续经营,增加森林总量、提高森林质量、增强生态功能,已成为中国林业可持续发展乃至推进中国生态文明建设和建设美丽中国的战略任务。本文全面综述了森林生态系统经营发展历程,分析了森林生态系统经营的现状和存在问题,在此基础上,提出整合基于生态系统管理与满足现代人类福祉对森林多重需求的新的森林生态系统经营理念,面向生态系统服务的森林生态系统经营理念是未来的发展趋势。森林经营发展战略表现为:1)从单纯的森林面积数量扩张,转变到提高单位面积的森林生产力和森林质量;2)从单一追求木材生产逐步转变为多目标经营,将森林林产品单一的经营目标转变为广泛的生态、经济和社会等多目标经营;3)森林经营重点从林分水平转变为森林景观的经营,强调森林景观的时空异质性和动态变化,权衡和协同多种生态系统的服务功能,倡导森林景观的多样性和连通性,提高森林与其它土地利用模式镶嵌构成的复合景观的可持续性和稳定性,增强森林生态系统对气候变化影响的适应能力;4)森林生态系统经营将从依赖传统经验的主观决策转变为信息化、数字化和智能化的决策,发展森林生态系统经营决策支持系统和森林景观恢复与空间经营规划系统。     

土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响

陆地生态系统是重要的碳库之一,在碳素生物地球化学循环中起着重要作用．本文就森林、农田生态系统,综述了土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响及其可能的作用机制．土地利用变化显著地影响陆地生态系统的结构和功能,造成系统碳贮量的变化,这很大程度取决于生态系统类型和土地利用方式的改变．森林砍伐后变为农田和草地,使生态系统中植被和土壤碳贮量大大降低．土壤碳含量的降低主要是由于凋落物输入的减少,有机质分解速度的提高,以及耕种措施对有机质物理保护的破坏造成的．土壤碳损失主要发生在森林砍伐后较短的时期内,而其降低速率取决于诸多因素以及土壤理化和生物过程．农田和草地弃耕恢复为森林,以及农田保护性管理措施的利用．能够使大气中的碳在植被和土壤中得到汇集．森林恢复过程中植被可以大量汇集大气中的碳,而由于农田耕种历史不同以及土壤空间异质性。导致土壤碳汇集速率差异极大．保护性农田管理措施(诸如免耕、合理的种植制度、化肥的施用等)可以影响土壤理化特性、作物根系生长以及残茬数量和质量、土壤微生物数量和活性,维持和提高土壤碳含量水平．     

中国森林生态系统碳汇现状与潜力

巩固和提升森林碳汇,是实现中国“碳中和”目标的重要路径之一。研究总结梳理了近10年来有关中国森林碳储量及其变化的研究文献,一方面在于探明中国森林碳汇现状和潜力以及对实现“碳中和”的贡献,同时分析当前森林碳汇计量与模拟预测研究的差距与不足,更好地支撑国家碳中和实施路径与行动方案。通过整合分析,1999—2018年间中国森林生态系统碳储量年均增长量约(208.0±44.5)TgC/a或(762.0±163.2)TgCO₂-eq/a,其中生物质、死有机质和土壤有机碳库的年均增长量分别约为(168.8±42.4)TgC/a、(12.5±8.1)TgC/a和(26.7±10.9)TgC/a。此外,木质林产品和森林之外的其它林木碳储量分别增长(49.0±15.1)TgC/a和(12.0±11.1)TgC/a。预计中国乔木林生物质碳储量年变化量将从1999—2018年间的(145.9±38.3)TgC/a增长至2030—2039年间的(171.9±60.5)TgC/a,到2050—2059年间逐渐下降至(146.9±57.7)TgC/a。2050—2059年间中国森林生态系统碳...     

森林凋落物分解及其对全球气候变化的响应

凋落物分解是重要的森林生态系统过程之一,受到气候、凋落物质量、土壤生物群落等生物和非生物因素的综合调控．迄今,有关不同森林生态系统和不同树种地上部分的凋落物动态、凋落物分解过程中的养分释放动态、生物和非生物因素对凋落物分解的影响等研究报道较多,但对地下凋落物的分解研究相对较少．近年来,森林凋落物分解对以大气CO2浓度增加和温度升高为主要特征的全球变化的响应逐步受到重视,但其研究结果仍具有很多不确定性．因此,未来凋落物生态研究的重点应是凋落物分解对土壤有机碳固定的贡献、地上／地下凋落物的物理、化学和生物学过程及其对各种生态因子（例如冻融、干湿交替）及交互作用的响应、凋落物特别是地下凋落物分解对全球气候变化的响应机制等方面．     

Evaluating the responses of forest ecosystems to climate change and CO2 using dynamic global vegetation models

The climate has important influences on the distribution and structure of forest ecosystems, which may lead to vital feedback to climate change. However, much of the existing work focuses on the changes in carbon fluxes or water cycles due to climate change and/or atmospheric CO₂, and few studies have considered how and to what extent climate change and CO₂ influence the ecosystem structure (e.g., fractional coverage change) and the changes in the responses of ecosystems with different characteristics. In this work, two dynamic global vegetation models (DGVMs): IAP‐DGVM coupled with CLM3 and CLM4‐CNDV, were used to investigate the response of the forest ecosystem structure to changes in climate (temperature and precipitation) and CO₂ concentration. In the temperature sensitivity tests, warming reduced the global area‐averaged ecosystem gross primary production in the two models, which decreased global forest area. Furthermore, the changes in tree fractional coverage (ΔF_tree; %) from the two models were sensitive to the regional temperature and ecosystem structure, i.e., the mean annual temperature (MAT; °C) largely determined whether ΔF_tree was positive or negative, while the tree fractional coverage (F_tree; %) played a decisive role in the amplitude of ΔF_tree around the globe, and the dependence was more remarkable in IAP‐DGVM. In cases with precipitation change, F_tree had a uniformly positive relationship with precipitation, especially in the transition zones of forests (30% < F_tree < 60%) for IAP‐DGVM and in semiarid and arid regions for CLM4‐CNDV. Moreover, ΔF_tree had a stronger dependence on F_tree than on the mean annual precipitation (MAP; mm/year). It was also demonstrated that both models captured the fertilization effects of the CO₂ concentration.     

森林土壤呼吸及其对全球变化的响应

森林土壤呼吸是全球碳循环的重要流通途径之一 ,其动态变化将直接影响全球 C平衡。森林土壤呼吸由自养呼吸和异养呼吸组成 ,不同森林类型、测定季节和测定方法等直接影响其所占比例。土壤温度和湿度是影响森林土壤呼吸的最主要因素 ,共同解释了森林土壤呼吸变化的大部分。因树种组成、生产力和枯落物数量等不同而使不同森林类型土壤呼吸速率表现出明显差异。采伐对森林土壤呼吸的影响结果有增加、降低或无影响 ,因采伐方式、森林类型、采伐迹地上植被恢复进程和气候条件等而异。火烧一般导致土壤呼吸速率降低。因肥料种类、施用剂量和立地条件不同 ,施肥对森林土壤呼吸的影响出现增加、降低或无影响等不同结果。大气 CO2 浓度升高和升温均可促进森林土壤呼吸。 N沉降有可能刺激了土壤呼吸 ,而酸沉降则可能降低了土壤呼吸。臭氧浓度和 UV-B辐射强度亦会在一定程度上影响森林土壤呼吸。但目前全球变化对森林土壤呼吸的综合影响尚不清楚 ,深入探讨森林土壤呼吸的调控因素及其对全球变化和营林措施的响应等仍是今后努力的主要方向。     

菌根真菌影响森林生态系统碳循环研究进展

森林生态系统在全球碳(C)储量中占据极为重要的地位。菌根真菌广泛存在于森林生态系统中,在森林生态系统C循环过程中发挥重要的作用。阐述了不同菌根类型真菌在森林生态系统C循环过程中的功能,对比了温带/北方森林与热带/亚热带森林中菌根真菌介导的C循环研究方面新近取得的研究结果。发现温带和北方森林的外生菌根(EcM)植物对地上生物量C的贡献相对较小,然而是地下C储量的主要贡献者;以丛枝菌根(AM)共生为主的热带/亚热带森林地表生物量占比较高,表明AM植被对热带/亚热带森林地上生物量C的贡献相对较大。我们还就全球变化背景下,菌根真菌及其介导的森林生态系统C汇功能,以及不同菌根类型树种影响C循环的机制等进行了总结。菌根真菌通过影响凋落物分解、土壤有机质形成及地下根系生物量,进而影响整个森林生态系统的C循环功能。菌根介导的森林C循环过程很大程度上取决于(优势)树木的菌根类型和森林土壤中菌根真菌的群落结构。最后指出了当前研究存在的主要问题以及未来研究展望。本文旨在明确菌根真菌在森林生态系统C循环转化过程中的重要生态功能,有助于准确地评估森林生态系统C汇现状,为应对全球变化等提供重要的依据。     

Disturbances,organisms and ecosystems: a global change perspective

The present text exposes a theory of the role of disturbances in the assemblage and evolution of species within ecosystems, based principally, but not exclusively, on terrestrial ecosystems. Two groups of organisms, doted of contrasted strategies when faced with environmental disturbances, are presented, based on the classical r‐K dichotomy, but enriched with more modern concepts from community and evolutionary ecology. Both groups participate in the assembly of known animal, plant, and microbial communities, but with different requirements about environmental fluctuations. The so‐called “civilized” organisms are doted with efficient anticipatory mechanisms, allowing them to optimize from an energetic point of view their performances in a predictable environment (stable or fluctuating cyclically at the scale of life expectancy), and they developed advanced specializations in the course of evolutionary time. On the opposite side, the so‐called “barbarians” are weakly efficient in a stable environment because they waste energy for foraging, growth, and reproduction, but they are well adapted to unpredictably changing conditions, in particular during major ecological crises. Both groups of organisms succeed or alternate each other in the course of spontaneous or geared successional processes, as well as in the course of evolution. The balance of “barbarians” against “civilized” strategies within communities is predicted to shift in favor of the first type under present‐day anthropic pressure, exemplified among others by climate warming, land use change, pollution, and biological invasions.     

Pattern and control of biomass allocation across global forest ecosystems

The underground part of a tree is an important carbon sink in forest ecosystems. Understanding biomass allocation between the below‐ and aboveground parts (root:shoot ratios) is necessary for estimation of the underground biomass and carbon pool. Nevertheless, large‐scale biomass allocation patterns and their control mechanisms are not well identified. In this study, a large database of global forests at the community level was compiled to investigate the root:shoot ratios and their responses to environmental factors. The results indicated that both the aboveground biomass (AGB) and belowground biomass (BGB) of the forests in China (medians 73.0 Mg/ha and 17.0 Mg/ha, respectively) were lower than those worldwide (medians 120.3 Mg/ha and 27.7 Mg/ha, respectively). The root:shoot ratios of the forests in China (median = 0.23), however, were not significantly different from other forests worldwide (median = 0.24). In general, the allocation of biomass between the belowground and aboveground parts was determined mainly by the inherent allometry of the plant but also by environmental factors. In this study, most correlations between root:shoot ratios and environmental factors (development parameter, climate, altitude, and soil) were weak but significant (p < .01). The allometric model agreed with the trends observed in this study and effectively estimated BGB based on AGB across the entire database.     

Oxidation of atmospheric methane in Northern European soils, comparison with other ecosystems, and uncertainties in the global terrestrial sink

This paper reports the range and statistical distribution of oxidation rates of atmospheric CH₄ in soils found in Northern Europe in an international study, and compares them with published data for various other ecosystems. It reassesses the size, and the uncertainty in, the global terrestrial CH₄ sink, and examines the effect of land‐use change and other factors on the oxidation rate. Only soils with a very high water table were sources of CH₄; all others were sinks. Oxidation rates varied from 1 to nearly 200 μg CH₄ m^?2 h^?1; annual rates for sites measured for ≥1 y were 0.1–9.1 kg CH₄ ha^?1 y^?1, with a log‐normal distribution (log‐mean ≈ 1.6 kg CH₄ ha^?1 y^?1). Conversion of natural soils to agriculture reduced oxidation rates by two‐thirds –‐ closely similar to results reported for other regions. N inputs also decreased oxidation rates. Full recovery of rates after these disturbances takes > 100 y. Soil bulk density, water content and gas diffusivity had major impacts on oxidation rates. Trends were similar to those derived from other published work. Increasing acidity reduced oxidation, partially but not wholly explained by poor diffusion through litter layers which did not themselves contribute to the oxidation. The effect of temperature was small, attributed to substrate limitation and low atmospheric concentration. Analysis of all available data for CH₄ oxidation rates in situ showed similar log‐normal distributions to those obtained for our results, with generally little difference between different natural ecosystems, or between short‐and longer‐term studies. The overall global terrestrial sink was estimated at 29 Tg CH₄ y^?1, close to the current IPCC assessment, but with a much wider uncertainty range (7 to > 100 Tg CH₄ y^?1). Little or no information is available for many major ecosystems; these should receive high priority in future research.