海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展

气候变化受到全球关注,大气中CO2含量与气候变化息息相关。海洋是地球上最大的活跃碳库,在气候变化中扮演着举足轻重的作用。定量估算海洋中碳元素的吸收、转移、埋藏速率在全球碳循环及全球气候变化研究中有重要意义。目前,海洋固碳能力估算研究包括:利用海-气界面CO2分压差法估算海洋海-气界面CO2交换通量,根据海水中叶绿素含量建立的生态学数理模型法估算真光层浮游生物的初级生产力,234Th—238U不平衡法估算POC输出通量,210Pb定年法估算有机碳沉积通量。但迄今为止的研究工作尚有一定局限性,碳在大气—海水—沉积物3种介质间交换通量间相互影响的研究较少,海洋中碳垂直传输过程的主要影响因素和关键控制因子尚不明确,在海洋生态系统固碳能力估算方法方面国内外还没有统一的规范和标准。为进一步完善海洋生态系统固碳能力的估算方法,今后的工作应注重海洋固碳整套观测技术、分析和估算方法研究,并建立海洋碳汇估算指标体系、指标标准体系、以及评价标准体系,为我国的碳"减排"、"增汇"国家需求提供技术支持。     

海洋中溴甲烷的研究进展

溴甲烷是大气中重要的痕量温室气体,对全球变暖和大气化学具有重要作用.海洋在溴甲烷的生物地球化学循环中作用复杂,海洋既是大气溴甲烷的源也是其汇,开展海洋环境中溶存溴甲烷的化学研究,对大气臭氧层的保护工作具有一定的指导意义,也可为在全球尺度上估算海洋环境中溴甲烷对全球环境变化的贡献提供理论依据.本文从溴甲烷的生物地球化学循环、分析测定方法、浓度分布、海-气通量、源汇平衡等方面综述了国内外海洋环境中溴甲烷的研究进展,探讨了目前该领域研究中存在的不足,并对未来的研究进行了展望.
     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段,已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用,长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测,明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测,在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征,揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成,总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用,并对通量研究发展前景进行了展望。     

鄱阳湖秋季水-气界面CH4排放通量的区域差异及影响因素

有限的观测点以及空间的异质性已经成为准确估算湖泊水-气界面CH4通量的挑战。鄱阳湖是我国最大的淡水湖,为了解秋季湖区水-气界面的CH4排放通量,2010年10月利用密闭静态箱-气象色谱法对星子、都昌、南矶山和吴城4个湖区水-气界面CH4排放通量及气象、底泥、水体等因素进行了测定。研究表明,都昌湖区CH4排放通量平均值为0.26mg·m-2·h-1,显著高于星子(0.15mg·m-2·h-1)、吴城(0.13mg·m-2·h-1)和南矶山(0.10mg·m-2·h-1)湖区。鄱阳湖水-气界面秋季CH4排放通量平均为0.17mg·m-2·h-1,变异系数为58.6%。相关分析表明,风速显著影响CH4排放通量(P<0.01)。在排除风速>5m·s-1的数据后,底泥有机碳以及水体铵态氮含量与CH4排放通量显著相关,而水体DOC含量与CH4排放通量呈显著负相关(P<0.05)。对鄱阳湖CH4排放量的精确估算,依赖于较广区域和较长时间的观测。     

用于测定陆地生态系统与大气间CO2交换通量的多通道全自动通量箱系统

陆地生态系统与大气间CO2交换是全球碳循环的最重要组成部分,科学地测定其CO2交换通量一直是陆地生态系统碳循环研究的核心工作之一。提高观测的效率和减少观测对自然的干扰,是科学精确地估算区域和全球尺度上的陆地生态系统与大气间CO2交换量的关键。在参考国内外已有的陆地生态系统与大气间CO2交换通量箱式法观测技术的基础上,发展了一套多通道全自动通量箱系统用来连续观测陆地生态系统或土壤与大气间的CO2交换通量。在黄土高原中国科学院长武农业生态试验站的麦田和苹果园中进行了系统测试,结果表明,该系统不但能够实现自动、连续、多点观测,而且对自然环境的影响比较小,在田间的实验观测中,该系统运行稳定,能够比较客观地得到陆地生态系统与大气间的CO2交换通量。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO_2、CH_4)、氮(N_2O)和水汽(H_2O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心,是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ~(13)C)和氧稳定同位素比值(δ~(18)O)(CO_2)、δ~(13)C(CH_4)、氮稳定同位素比值(δ~(15)N)和δ~(18)O (N_2O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ~(18)O (H_2O)的观测成为可能,与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO_2及其δ~(13)C通量的箱式观测技术和方法为例,概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类,阐述了系统设计的理论要求和假设,综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题,展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

采用遥感手段估算海洋初级生产力研究进展

海洋初级生产力的精确估算对渔业资源评估与管理、海洋生态系统和全球变化等研究具有重要意义.传统的现场测量与估算方法必须依赖于随船采样数据.卫星遥感具有能够获取实时的、大尺度的、动态的海洋环境参数的优点,因此卫星遥感日益成为大尺度海洋初级生产力估算的重要手段.本文从海洋水色传感器的发展历程出发,着重归纳了以叶绿素、浮游植物碳和浮游植物吸收系数为参量的海洋初级生产力的遥感估算方法,并就这3类模型的适应性和复杂程度进行了讨论.在此基础上,进一步分析评价了全球海洋初级生产力遥感估算的研究现状.鉴于当前海洋初级生产力遥感估算研究中存在的问题,今后的研究需要在4个方面进一步加强:1)对全球海洋初级生产力估算进行分区域研究;2)加深对浮游植物吸收系数的研究;3)提高海洋遥感技术水平;4)加强实地测量技术的研究.     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

广东省入库河口N2O分布和通量的时空变化

本研究于2011年7月(丰水期)和12月(枯水期)分别对广东省13个水库的入库河口进行调查,使用吹扫捕集-气相色谱法测定了水中N2O的浓度并用Liss&Merlivat公式估算出入库河口向大气释放N2O的水-气交换通量。结果表明,河口丰水期N2O溶存浓度范围为15.37～175.22 nmol/L,平均值为(73.77±43.58)nmol/L;N2O水-气交换通量范围为0.26～5.40μmol/(m2.d),平均值是(2.53±1.94)μmol/(m2.d)。河口枯水期N2O溶存浓度范围为44.26～366.11 nmol/L,平均值是(126.61±102.74)nmol/L;N2O水-气交换通量范围是0.86～21.88μmol/(m2.d),平均值是(7.50±6.65)μmol/(m2.d)。河口丰水期N2O溶存浓度和水-气交换通量明显低于枯水期。与其他研究相比,本研究区N2O溶存浓度和水-气交换通量偏低。     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

基于遥感的光合有效辐射吸收比率(FPAR) 估算方法综述

光合有效辐射吸收比率(FPAR)是反映植被生长过程的重要生理参数,是陆地生态系统模型的关键参数,是反映全球气候变化的重要因子。基于遥感的FPAR估算方法是获取区域乃至全球尺度FPAR的有效方法。目前,主要形成了植被指数法和机理法两类方法,植被指数法是建立FPAR与植被指数的经验统计模型,简单、计算效率高;机理法则从物理模型上进行FPAR的求解与反演,机理明晰、可行性强。然而,由于FPAR本身的复杂性以及环境因素、遥感数据质量的影响,导致了估算方法面临诸多不确定性问题。为了解决这些不确定性问题以及满足生态过程深入研究的需求,将进一步注重FPAR的机理研究、先验知识的获取与积累,构建长时间序列FPAR以及高时空的FPAR算法研究。     

Influence of dimethyl sulfide on the carbon cycle and biological production

Dimethyl sulfide (DMS) is a significant source of marine sulfate aerosol and plays an important role in modifying cloud properties. Fully coupled climate simulations using dynamic marine ecosystem and DMS calculations are conducted to estimate DMS fluxes under various climate scenarios and to examine the sign and strength of phytoplankton-DMS-climate feedbacks for the first time. Simulation results show small differences in the DMS production and emissions between pre-industrial and present climate scenarios, except for some areas in the Southern Ocean. There are clear changes in surface ocean DMS concentrations moving into the future, and they are attributable to changes in phytoplankton production and competition driven by complex spatially varying mechanisms. Comparisons between parallel simulations with and without DMS fluxes into the atmosphere show significant differences in marine ecosystems and physical fields. Without DMS, the missing subsequent aerosol indirect effects on clouds and radiative forcing lead to fewer clouds, more solar radiation, and a much warmer climate. Phaeocystis, a uniquely efficient organosulfur producer with a growth advantage under cooler climate states, can benefit from producing the compound through cooling effects of DMS in the climate system. Our results show a tight coupling between the sulfur and carbon cycles. The ocean carbon uptake declines without DMS emissions to the atmosphere. The analysis indicates a weak positive phytoplankton-DMS-climate feedback at the global scale, with large spatial variations driven by individual autotrophic functional groups and complex mechanisms. The sign and strength of the feedback vary with climate states and phytoplankton groups. This highlights the importance of a dynamic marine ecosystem module and the sulfur cycle mechanism in climate projections.     

Marine biological controls on climate via the carbon and sulphur geochemical cycles

We review aspects of the influence of the marine biota on climate, focusing particularly on their role in mediating surface temperatures via their influence on atmospheric carbon dioxide (CO₂) and dimethyl sulphide (DMS) concentrations. Variation in natural CO₂ concentrations occurring over 10³ to 10⁵ years are set by oceanic processes, and in particular by conditions in the Southern Ocean, so it is to this region that we must look to understand the glacial-interglacial changes in CO₂ concentrations. It seems likely that marine productivity in the Southern Ocean is limited by a combination of restricted iron supply to the region and insufficient light. Plankton-produced DMS is thought to influence climate by changing the numbers of cloud condensation nuclei available in remote regions; the efficiency of this mechanism is still unknown, but calculations suggest it may be a powerful influence on climate. It has a much shorter time-scale than the CO₂ effect, and as a consequence may well be a player on the ''global change'' timescale. The direction of both the CO₂ and the DMS mechanisms is such that more marine productivity would lead to lower global temperatures, and we speculate that the overall effect of the marine biota today is to cool the planet by ca. 6°C as a result of these two mechanisms, with one-third of this figure being due to CO₂ effects and two-thirds due to DMS. While the marine biota influence climate, climate also influences the marine biota, chiefly via changing atmospheric circulation. This in turn alters ocean circulation patterns, responsible for mixing up sub-surface nutrients, and also influences the transport of nutrients, such as iron, in atmospheric dust. A more vigorous atmospheric circulation would be expected to increase the productivity of the marine biota on both counts. Thus during glacial time, the colder and drier climate might be expected to stimulate greater marine productivity than occurs today. Since more production leads to greater cooling by reduction in CO₂ and increase in DMS, the marine biota-climate system appears to have been in positive feedback in the glacial-interglacial transition, with the changes in the climate system being reinforced by changes in the marine biota. In the context of anthropogenic change, we cannot at present say what sign the feedback on climate will have, because we have no clear idea whether circulation will become more or less vigorous in the future.     

遥感在生物多样性研究中的应用进展

随着人口的持续增长, 人类经济活动对自然资源的利用强度不断升级以及全球气候变暖, 全球物种正以前所未有的速度丧失, 生物多样性成为了全球关注的热点问题。传统生物多样性研究以地面调查方法为主, 重点关注物种或样地水平, 但无法满足景观尺度、区域尺度以及全球尺度的生物多样性保护和评估需求。遥感作为获取生物多样性信息的另一种手段, 近年来在生物多样性领域发展迅速, 其覆盖广、序列性以及可重复性等特点使之在大尺度生物多样性监测和制图以及评估方面具有极大优势。本文主要通过文献收集整理, 从观测手段、研究尺度、观测对象和生物多样性关注点等方面综述了遥感在生物多样性研究中的应用现状, 重点分析不同遥感平台的技术优势和局限性, 并探讨了未来遥感在生物多样性研究的应用趋势。遥感平台按观测高度可分为近地面遥感、航空遥感和卫星遥感, 能够获取样地-景观-区域-洲际-全球尺度的生物多样性信息。星载平台在生物多样性研究中应用最多, 航空遥感的应用研究偏少主要受飞行成本限制。近地面遥感作为一个新兴平台, 能够直接观测到物种的个体, 获取生物多样性关注的物种和种群信息, 是未来遥感在生物多样性应用中的发展方向。虽然遥感技术在生物多样性研究中的应用存在一定的局限性, 未来随着传感器发展和多源数据融合技术的完善, 遥感能更好地从多个尺度、全方位地服务于生物多样性保护和评估。     

森林碳计量方法研究进展

森林是陆地生态系统的主体,不仅是巨大的碳库而且对减缓气候变暖具有积极作用。科学有效的森林碳计量方法,有助于加深对全球碳循环过程的理解。然而,由于森林生态系统结构复杂,对森林碳计量的估算结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。近年来,国内外发展了大量对森林碳计量进行估算的方法,主要有基于样地清查的森林植被和土壤碳估算、基于生长收获的经验模型估算、基于定量遥感雷达观测的遥感估测、基于多尺度森林生态系统网络的通量观测和陆地生态系统过程模型模拟等方法。在实际的森林碳计量中,根据不同的森林类型特征和数据获取情况,往往采取不同的碳计量方法,甚至不止一种。以生态过程模型模拟、遥感反演和数据同化技术为主要手段,基于碳通量观测数据、控制实验数据和遥感影像数据,发展多学科、多过程、多尺度的综合联网观测,充分认识森林碳循环过程中碳源/汇的时空分布特征,开展区域、洲际乃至全球尺度碳循环及其对全球变化和人类活动响应的系统性、集成性研究,以便建立高效、可靠的碳计量体系是未来林业碳计量的发展趋势。随着世界各国温室气体排放清单的编制,中国迫切需要科学的方法体系计量森林碳源/汇,提升我国在生态环境问题上的国际发言权和主导权,同时对我国森林可持续经营、生态环境保护以及美丽中国建设提供建议与支持。分析了各类森林碳计量方法的主要特征、优缺点,同时探讨了目前的森林碳计量方法存在的问题和未来的发展趋势,为不同时空尺度下森林碳计量提供参考。     

Satellite Ecology (SATECO)—linking ecology,remote sensing and micrometeorology,from plot to regional scale,for the study of ecosystem structure and function

There is a growing requirement for ecosystem science to help inform a deeper understanding of the effects of global climate change and land use change on terrestrial ecosystem structure and function, from small area (plot) to landscape, regional and global scales. To meet these requirements, ecologists have investigated plant growth and carbon cycling processes at plot scale, using biometric methods to measure plant carbon accumulation, and gas exchange (chamber) methods to measure soil respiration. Also at the plot scale, micrometeorologists have attempted to measure canopy- or ecosystem-scale CO₂ flux by the eddy covariance technique, which reveals diurnal, seasonal and annual cycles. Mathematical models play an important role in integrating ecological and micrometeorological processes into ecosystem scales, which are further useful in interpreting time-accumulated information derived from biometric methods by comparing with CO₂ flux measurements. For a spatial scaling of such plot-level understanding, remote sensing via satellite is used to measure land use/vegetation type distribution and temporal changes in ecosystem structures such as leaf area index. However, to better utilise such data, there is still a need for investigations that consider the structure and function of ecosystems and their processes, especially in mountainous areas characterized by complex terrain and a mosaic distribution of vegetation. For this purpose, we have established a new interdisciplinary approach named ‘Satellite Ecology’, which aims to link ecology, remote sensing and micrometeorology to facilitate the study of ecosystem function, at the plot, landscape, and regional scale. This article was contributed at the invitation of the Editorial Committee.     

Global-scale predictions of community and ecosystem properties from simple ecological theory

We show how theoretical developments in macroecology, life-history theory and food-web ecology can be combined to formulate a simple model for predicting the potential biomass, production, size and trophic structure of consumer communities. The strength of our approach is that it uses remote sensing data to predict properties of consumer communities in environments that are challenging and expensive to sample directly. An application of the model to the marine environment on a global scale, using primary production and temperature estimates from satellite remote sensing as inputs, suggests that the global biomass of marine animals more than 10(-5) g wet weight is 2.62 x 10(9)t (=8.16 gm(-2) ocean) and production is 1.00 x 10(10) tyr-1 (31.15 gm(-2)yr(-1)). Based on the life-history theory, we propose and apply an approximation for distinguishing the relative contributions of different animal groups. Fish biomass and production, for example, are estimated as 8.99 x 10(8)t (2.80 gm(-2)) and 7.91 x 108 t yr(-1) (2.46 gm(2)yr(-1)respectively, and 50% of fish biomass is shown to occur in 17% of the total ocean area (8.22 gm(-2)). The analyses show that emerging ecological theory can be synthesized to set baselines for assessing human and climate impacts on global scales.