淡水生态系统对全球变化的响应:研究进展与展望

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。     

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。     

城市绿地土壤呼吸研究综述

土壤呼吸是生态系统碳循环的一个主要组成部分, 它与生态系统生产力、区域及全球碳循环以及碳储存和碳交易密切相关。深入研究城市绿地土壤呼吸机制, 确定调控土壤呼吸的主要因子, 能够有效控制城市生态系统的碳释放, 也有助于评估城市碳循环对环境变化的响应与反馈。该文综述国内外近年来(2007—2017)城市绿地土壤呼吸的研究现状和影响因素, 土壤呼吸的时空异质性, 分析未来城市绿地土壤呼吸的研究方向, 为准确评估城市生态系统的碳源汇贡献、降低温室气体的浓度以及改善城市生态环境提供理论依据。     

森林溶解性有机碳淋溶驱动机制及模拟研究进展

溶解性有机碳(DOC)淋溶是陆地生态系统碳循环中一个关键环节。森林生态系统是陆地生态系统DOC的主要来源之一。DOC通过淋溶作用进入底层土壤,引起底层土壤有机碳变化。森林生态系统DOC通过地表径流汇集和地下水渗漏进入水体,最终参与海洋碳循环。因此,探索森林生态系统DOC淋溶驱动机制对理解全球碳循环关键过程具有重要意义。本文阐述了森林生态系统DOC来源和去向,总结了DOC淋溶的几种重要驱动机制,包括土地利用、气候变化、酸沉降、大气CO_2增加和土壤铁铝氧化物等影响因素,并归纳了模拟DOC淋溶及输出通量的经验统计模型和过程机理模型的优缺点。结合目前中国森林生态系统DOC研究现状和不足,我们建议建立中国森林生态系统DOC淋溶观测网络,为模型预测DOC变化提供准确和可靠的观测数据。此外,在未来研究中,需要将野外观测-室内实验-模型模拟相结合,深入研究森林生态系统DOC淋溶驱动机制,尤其要加强环境变化情境下典型区域或国家尺度DOC淋溶的模拟研究。     

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。     

树干CO_2释放速率影响因素研究进展

树干CO2释放速率(stemCO2effluxrate,FCO2)是森林生态系统碳循环的重要组成部分,其占树木自养呼吸的14%～48%。对FCO2影响因素进行分析,对于了解全球碳循环以及森林生态系统对全球变暖的响应具有重要意义。本文综述了生物因素和非生物因素对FCO2的影响,指出这些因素不仅直接或间接影响FCO2,而且各因素间还存在交互作用,此外,各因素的影响程度也会随时间、空间而变化。在此基础上,本文提出了今后研究应集中在以下几方面:(1)运用有效方法分离树干释放CO2的各个组分,并分析各个组分与影响因素的关系,深入揭示FCO2变化机制;(2)加强生物、非生物因素交互影响FCO2动态模型的研究,用以提高模拟的准确性;(3)深入探讨FCO2的温度适应性。     

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。     

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。     

土壤呼吸对温度升高的适应

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一 ,其对温度升高的敏感程度在相当大的程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。土壤呼吸对温度升高的适应是个比较普遍的现象 ,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长 ,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。产生这一现象的机制包括影响因子主导地位的转移和温度以外其他因子的协同变化。土壤呼吸对温度升高的适应可以视为碳循环对全球变暖的负反馈效应 ,它可能会在一定程度上缓和陆地生态系统对全球气候系统之间的耦合作用 ,并且导致土壤呼吸对全球温度升高响应的时空差异。由于目前生态系统模型多数没有考虑土壤呼吸的对温度升高的适应性 ,而采用统一的 Q1 0 值 ,其对未来土壤呼吸和未来气候变化幅度的预测可能存在偏差     

土壤呼吸组分对气候变暖的响应研究进展

气候变暖正在深刻地改变全球碳循环过程.土壤呼吸作为全球碳循环的重要环节,连接着植物-土壤-微生物之间的碳转移过程.土壤呼吸可分为异养呼吸和根源呼吸(根系呼吸和根际微生物呼吸)等组分.土壤呼吸各组分的发生部位与利用的有机碳源不同,其对气候变暖的响应可能存在显著差异.然而,目前的研究还不能完全实现土壤呼吸各组分的精确区分和量化,气候变暖对土壤呼吸各组分的影响及其具体机制仍存在很多悬而未决的问题,这极大地限制了人们对土壤碳循环评估的精确性以及对气候变暖背景下陆地生态系统碳收支格局变化的认识.本文系统综述了目前国内外土壤呼吸组分区分技术,分析了土壤呼吸组分区分的研究结果,并论述了土壤呼吸各组分对气候变暖的响应研究进展.提出仍需发展新的土壤呼吸组分区分技术或者改进和创新现有技术,未来的研究重点应放在精确区分野外条件下根源呼吸组分,同时开展土壤呼吸组分对多种环境因子变化的响应研究,以期更全面地认识土壤碳循环过程以及全球变化背景下陆地生态系统碳收支的变化趋势.     

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。     

中国滨海盐沼湿地碳收支与碳循环过程研究进展

滨海盐沼湿地由于其较高的初级生产力和较缓慢的有机质降解速率而成为缓解全球变暖的有效蓝色碳汇,近年来引起全球范围内的热切关注.我国滨海盐沼湿地分布较广,国内学者对滨海盐沼湿地碳循环及碳收支研究取得了一定进展,深入研究滨海盐沼湿地碳循环有助于对全球碳循环及全球变化的理解,并为利用滨海湿地进行碳的增汇减排提供科学依据.主要从我国滨海盐沼湿地碳循环主要观测方法、碳收支与碳循环过程及特点、碳库的组成与影响因素、气态碳的输入输出、潮汐作用对其碳收支的影响这5个方面出发,对国内的滨海盐沼湿地碳循环与碳收支的研究进展进行了归纳总结,并对今后的研究方向给出如下建议:(1)加强滨海盐沼湿地土壤碳库在深度上和广度上的研究;(2)标准化滨海盐沼湿地碳储量、碳通量的量化方法和观测技术;(3)在研究尺度上要宏观、微观并重,同时加强长期原位监测湿地碳通量的变化与室内模拟研究;(4)量化在潮汐影响下滨海盐沼湿地碳与邻近生态系统之间的横向交换通量.只有对我国滨海盐沼湿地碳库收支进行更准确的评估和长期的碳库动态变化监测,方可进一步认识我国盐沼湿地对全球气候变化的影响及其反馈作用,这对于预测全球变化及制定湿地碳储备功能的提升策略具有重要的意义.     

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。     

环境因子对森林净生态系统生产力的影响

净生态系统生产力(net ecosystem production,NEP)是生态系统净的碳积累速率,可以指示生态系统碳汇/碳源的状态,当NEP为正值时指征生态系统为碳汇,反之则为碳源。在全球环境变化背景下,NEP已作为生态系统碳循环的核心概念被深入研究。本文以NEP为出发点,综述了5个主要非生物环境因子(水分、温度、氮沉降、大气CO2浓度增加和时空尺度)对森林生态系统NEP的影响。从文献分析表明NEP受生态系统本身性质和各环境影响因子及其之间相互作用的调控。本文最后指出,合理运用Meta分析、生态学联网研究、设计和开展长期观测、多尺度与多因子的科学试验在未来研究中的重要性和必要性,相关研究的开展将有利于全面理解和正确评估环境因子对净生态系统生产力的影响,对研究和预测全球变化对陆地生态系统碳循环的影响具有重要意义。     

增温对植物叶片和细根氧化损伤与防御特征及其相互关联影响的研究进展

叶片和细根是植物地上和地下部分中最敏感和活跃的部分,对森林生态系统的碳循环起着十分重要的作用。叶片和细根生理代谢特征及其相互关联的变化不仅反映植物在全球变暖背景下的生长状况,也揭示了植物面对环境胁迫的响应特征和适应策略,已经成为全球变化领域研究的热点和难点问题。国内外已开展了大量相关实验,从氧化损伤、抗氧化防御及代谢物的角度探讨了全球变暖条件下植物叶片和细根生理代谢的变化特征和响应机制。目前部分研究认为大气增温将促进叶片体内活性氧类物质的积累,对叶片产生氧化损伤,而对细根的损伤作用不明显,但也有部分研究认为细根受土壤增温的影响更大。总之,植物叶片和细根如何通过调整自身生理代谢特征和器官间的相互协作来响应气候变暖,以及这些响应的内在机制仍未得到充分研究。为此,该文系统综述了全球变暖背景下植物叶片和细根氧化损伤与抗氧化防御特征及其相互关联变化的研究进展,以期为植物对全球变暖的响应和适应机制研究提供参考,并认为今后还应开展以下几个方面的研究:(1)在种群和群落尺度上加强增温对植物氧化损伤与防御特征的研究;(2)结合地上地下物候特征研究增温对植物氧化损伤与防御特征的影响;(3)从更多植物生理指...     

盐分对辽河口湿地土壤DOC及CO_2生成的影响

以辽河口区芦苇湿地不同深度(0~10、10~20、20~30和30~40 cm)土壤为研究对象,利用盐溶液淋洗土壤至不同的盐分梯度(CK、2.5、5、10 m S·cm-1),采用室内恒温培养法,探讨盐分条件对DOC浓度变化及土壤呼吸释放CO_2的影响。结果表明,56 d培养期间,盐分处理对表层(0~10 cm)土壤DOC浓度的影响不显著,对下层(10~20、20~30和30~40 cm)土壤的DOC浓度的影响显著,盐度升高降低了下层土壤DOC浓度;盐分处理对各层土壤CO_2生成速率无显著影响。不同盐分条件下,DOC浓度及CO_2生成速率在土壤深度间均差异明显,表层DOC浓度及CO_2生成速率明显高于下层。该结果为河口湿地碳循环响应水盐环境变化研究提供理论依据。     

干旱对中亚草地总初级生产力时滞和累积效应的影响评估

随着全球气候变化加剧,干旱对草原生态系统碳循环的影响更加复杂。作为全球陆地生态系统碳通量的最大组成部分,总初级生产力(GPP)对整个陆地碳循环具有深远影响,因此,探讨干旱对草地GPP的影响,对于理解区域碳循环机制,维护草地生态系统稳定发展具有重要意义。以中亚为研究区,基于NIRv-GPP和SPEI base v.2.7数据集,利用Theil-Sen Median斜率估计结合Mann-Kendall显著性检验、M-K突变检验和相关分析方法,探究1982-2018年干旱对草地GPP的时滞和累积效应。结果表明:(1)中亚地区草地GPP年平均值随时间变化整体上呈下降趋势,标准化降水蒸散指数(SPEI)年平均值呈降低趋势;(2)干旱对中亚绝大多数草地(95.6%)产生了时滞效应,滞后时间尺度集中在2-3个月;随着干旱状况的加重,滞后时间变长,滞后效应对草地GPP影响减弱;(3)中亚绝大多数草地(95.8%)对干旱存在累积响应,累积时间尺度以4、5、10月为主;随着干旱状况的加重,累积时间变短,累积效应对草地GPP影响增强;(4)通过对比研究时滞效应和累积效应发现:中亚超过四分之三(76.84%)的草地区域,干旱对草地GPP的时滞效应大于累积效应。研究结果可为理解气候变化背景下中亚生态环境动态变化特征及区域碳循环机制提供参考。     

微囊藻群体形成影响因子及机理

富营养化导致的湖泊、水库蓝藻水华带来了一系列环境和生态问题。微囊藻群体形成,在水体表面的聚集是形成水华的重要策略之一。微囊藻群体形成有效抵御了草食性动物摄食、病毒、细菌的侵害,耐受不良环境因子(紫外辐射、高光强、重金属等)能力显著增强。文章探讨了野外微囊藻群体占优势的机制并综述了影响微囊藻群体形成的外源因子及作用机理,包括非生物因子(营养、温度、光照、重金属、微囊藻毒素、乙醛酸)、生物因子(草食性动物、细菌、鱼类、藻类)。基于现有研究,本综述还对未来研究进行展望:(1)非生物因子与生物因子协同效应对藻类形态影响研究; (2)人类活动对浮游藻类形态及动态的影响研究;(3)藻类形态对沉水植物的响应在未来淡水生态系统修复中的应用; (4)促进藻类群体形成的胞外多糖分泌在未来工业生产中的作用。     

模拟酸雨对土壤呼吸影响的研究进展

土壤呼吸是陆地生态系统与大气环境之间进行碳交换的主要途径,在全球碳循环和碳平衡中占有极其重要的地位。全球变化背景下,由于人类活动而导致日益严重的酸雨问题,其对土壤呼吸的影响越来越受到国内外学者的广泛关注。酸雨导致土壤酸化,对土壤微生物代谢活动、植物地上地下生长以及凋落物分解等产生影响,进而影响土壤呼吸。该文综述了模拟酸雨对森林生态系统和农田生态系统土壤呼吸影响的三种结果,即抑制、促进和无影响;酸雨影响土壤呼吸的差异受到酸雨酸性、酸雨处理持续时间以及植被类型、植物生长季节、植被演替阶段以及土壤理化性质等生物和非生物因素的综合影响。低强度和高强度酸雨都倾向于降低土壤呼吸的温度敏感性(Q_(10))。从影响土壤呼吸的四个关键的生物因子,即光合作用、凋落物、微生物、根系生物量,分析了模拟酸雨影响土壤呼吸的潜在机制;但是酸雨影响土壤呼吸的过程复杂,使得土壤呼吸对酸雨的部分响应机理仍存在不确定性。在此基础上总结了现有研究存在的不足,提出了今后需要给予重点关注的四个方面的研究:(1)不同类型生态系统对酸雨响应的研究;(2)土壤各组分呼吸对酸雨响应的研究;(3)模拟酸雨与其他外界因素的共同作用研究;(4)与土壤呼吸相关的生物因子对酸雨响应的研究。     

湿地碳循环过程与计算机模拟研究

湿地是地球4大陆地生态系统之一,全球湿地碳储量(450Pg C)约占陆地生态圈总碳量的20％。湿地系统因兼有“碳源”与“碳汇”的双重角色,其碳循环对大气全球碳收支以及与之有关的全球气候变化可能有重要影响。本文概述了湿地生态系统变化与碳排放的关系、湿地碳循环基本过程及其主要影响因子和湿地碳循环计算机模拟研究进展,提出了拟进一步研究的重要问题。