青藏高原高寒生态区生态系统脆弱性时空变化及驱动机制分析

全球气候变化和人类活动胁迫下, 青藏高原高寒生态区的脆弱生态系统正在发生深刻变化。研究在充分考虑研究区生态环境本底特征(高寒、冻融侵蚀、盐渍化、水力侵蚀强烈)的基础上, 引入了极端气候事件因子(极端高温、极端低温、极端降水)和人类活动干扰因子构建了青藏高原高寒区生态系统脆弱性评价体系, 进而对研究区近13 年的生态系统脆弱性时空变化格局及其驱动机制进行了分析。研究结果表明: 青藏高原高寒生态区的生态系统脆弱性总体上属于中度脆弱状态, 其空间分布格局自东南向西北呈现递增趋势; 2000-2013 年, 青藏高原高寒生态区总体的生态系统脆弱性表现为先增加后减小的趋势; 生态系统脆弱性时空变化分异格局与地形、气候(气温、降水等)、人口密度存在显著地相关性。相关研究成果可以为青藏高原脆弱生态环境的保护和修复提供决策支持。     

极端降水和极端干旱事件对草原生态系统的影响

当前人类活动的加剧显著地影响着全球大气循环的格局。大气循环的多个模型均预测未来全球气候变化的显著特征是极端降水事件和极端干旱事件发生的频率会显著增加。水分是干旱、半干旱区草原植物生长发育的限制性资源, 而草原生态系统是陆地生态系统中对降水格局变化非常敏感的系统。但是, 关于极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统结构和功能的影响还是以分散的个案研究为主, 甚至关于极端气候事件的定义迄今也不尽相同。为此, 该文在分析极端气候事件定义及其研究方法的基础上, 总结了极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统土壤水分和养分状况、植物生长发育和生理特性、群落结构、生产力和碳循环过程的影响, 并提出了未来极端气候事件研究中应重点关注的5个重要方向, 以及控制试验研究的2个关键科学问题, 对开展全球变化背景下草原生态系统对极端气候事件响应机制的研究具有指导意义。     

高山生物多样性对气候变化响应的研究进展

高山带是指自然气候森林边界即林线到雪线之间的无林区域。受低温限制的高山生物对气候变化具有高度的敏感性, 因此高山带被视为监测气候变化的理想试验场所。气候变暖加速了高山冰雪消融, 也加剧了高山生物多样性的波动, 因而高山生物多样性变化对于指示全球气候变化具有十分重要的意义。目前, 高山生物多样性对气候变暖响应的研究主要集中在高山物种组成和群落结构的变化、物种的分布格局和适宜生境的变化、林线交错带的位移、种间关系的变化等方面。气候变化与人为干扰等因素的叠加效应为预测未来生物多样性的变化增加了很多不确定性, 从长期来看, 气候变化效应相对于其他因素会显得越来越重要。未来的重点研究领域包括高山带生物多样性对极端气候变化的响应、全球气候变化背景下生物多样性与生态系统过程的关系、高山带地上/地下生物多样性的相互作用关系及其对气候变化的响应与适应、全球气候变化与人类活动干扰的叠加效应对高山生物多样性格局的影响等。     

全球变化背景下野火研究进展

野火是森林和多种植被生态系统面临的最重要自然干扰,也是一种重要的自然灾害;而人类活动已在全球范围内显著影响了野火的发生与分布,因此野火成为全球变化及其环境影响研究的关键议题之一。本文基于国际野火研究的文献搜索和统计分析,从野火的观测-评估-预警技术、野火时空格局研究、气候变化和人类活动对野火的影响、野火的环境-生态-进化效应等方面入手,综述了自21世纪以来的国际野火研究进展。概括起来,遥感技术的快速发展,推动了野火观测的时空分辨率不断提高,对野火时空格局的刻画从单一因子向多重指标的火烧体系评估转变。气候变化在某些区域已经显著影响了野火的发生频率,预计随着全球变暖野火风险将进一步加大,并且极端大火的发生机制和生态影响越来越受到关注。人类活动一方面通过增加火源提高了野火频率,另一方面又通过提高生态系统管理的强度、扑救火灾以及降低可燃物的连通性抑制了野火的发生。植被在长期演化过程中形成了一系列适应火的功能机制,这些功能属性影响着生态系统对野火的响应,并对火后生态恢复和重建具有科学指导价值。未来野火研究将向跨时空尺度、观测和模拟深度融合、典型机制和大尺度效应相结合的方向发展。     

极端气候胁迫下西南喀斯特山区生态系统脆弱性遥感评价

全球气候变暖导致极端天气事件频发,针对西南喀斯特山区的特殊地理国情(水土流失和石漠化严重),引入了大尺度景观格局指数(香农均匀性指数和蔓延度指数)和极端气候指数(极端高温日数、极端低温日数和极端降雨日数),构建了生态系统脆弱性遥感评价体系,进而分析和探讨了该地区近13年的生态系统脆弱性时空变化格局和驱动机制,研究结果表明:西南喀斯特山区的生态系统则属于轻-中度脆弱,其分布格局表现为以川滇黔为核心向周边减小的趋势。2000—2013年,西南喀斯特山区的生态系统脆弱性表现为先增加后减小的趋势。近13年西南喀斯特山区的生态系统脆弱性时空变化格局受人类活动(不同产业GDP和人口密度)、降水、地形地貌、水土流失、石漠化等因素影响较为显著。本研究可以为西南喀斯特山区的生态系统保护及生态环境的恢复与治理提供决策依据和技术支持。     

气候变化、火干扰与生态系统生产力

 综述了气候变化、火干扰与生态系统生产力之间的相互作用关系以及目前相关的研究进展。侧重介绍了气候变化与火干扰之间的相互作用关系以及火干扰对生态系统生产力的影响。气候变化通过作用于可燃物质数量、湿度和火灾天气来影响火干扰的发生频率和强度,而火干扰过程释放大量温室气体和烟尘物质反过来也会对气候变化产生影响。另外,火干扰过程改变了火烧迹地的土壤生物地球化学性质、养分循环和分配以及大气组成,进而对生态系统对CO2的吸收能力产生影响。正确理解三者之间的逻辑关系,对于我们有效地利用火管理提高区域生态系统碳吸收,减少碳排放,减缓全球变化速率,都具有重要的指导意义 。     

气候变暖下水圈甲烷排放及其微生物学机制

大气温室气体浓度升高导致的气候变暖已对人类社会可持续发展带来了严重影响。水圈生态系统既是全球最为重要的碳汇之一,也是全球最为重要的甲烷自然排放源。因此,阐明气候变暖背景下水圈甲烷排放格局及其相关微生物调控机制,是认识未来地球气候系统演变机理、预测未来全球变化潜在情景的关键命题,也将为如何高效发挥水圈碳汇潜力提供基础理论支撑,更好应对全球气候变化问题。本文主要综述了气候变暖背景下主要水圈生态系统中微生物介导的甲烷排放研究的现状与趋势,介绍了水圈甲烷排放格局及其气候变暖背景下的演变趋势,回顾了气候变暖对甲烷代谢相关微生物群落与功能的复杂调控作用。基于目前的研究现状,未来亟需通过微观机制与宏观过程相结合的途径,并基于生态系统复杂性和气候变暖长期性开展相关研究。同时,建议应加强对海洋等相对薄弱区域的研究。     

大兴安岭人为火发生影响因素及气候变化下的趋势

我国重要的北方针叶林地区大兴安岭是林火高发地区.受气候变暖影响,该地区林火发生频率将会发生显著变化.模拟人为火的发生分布与影响因素之间的关系、加强气候变化下人为火的发生分布预测,对于林火管理和减少森林碳损失具有重要作用.本文采用点格局分析方法,基于大兴安岭1967—2006年的火烧数据,建立人为火空间分布与影响因素之间的关系模型,该模型以林火发生次数为因变量,选取非生物因子(年均温和降水量、坡度、坡向和海拔)、生物因子(植被类型)和人为活动因子(距离道路距离、距离居民点距离、道路密度)共9个因子为自变量.并采用RCP 2.6和RCP 8.5气候情景数据代替当前气候情景预测2050年大兴安岭人为火的空间分布状况.结果表明: 点格局模型能够较好地模拟人为火发生分布与空间变量的关系,可以预测未来气候下人为火的发生概率.其中,气候因子对人为火的发生具有明显的控制作用,植被类型、海拔和人为活动等因子对人为火的发生也具有重要影响.林火发生预测结果表明,未来气候变化下,南部地区的林火发生概率将进一步增加,北部和沿主要道路干线附近将成为新的人为火高发区.与当前相比,2050年大兴安岭人为火的发生概率将增加72.2%～166.7%.在未来气候情景下,人为火的发生更多受气候和人为活动因素的控制.     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

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。     

生物多样性与生态系统服务情景模拟研究进展

生物多样性和生态系统服务情景模拟是指对未来生物多样性和生态系统服务变化轨迹的定量估计,二者相互关联并为长期、稳定的保护和恢复生态系统提供了重要科学依据。梳理生物多样性以及生态系统服务预测情景的核心观点,讨论基于生物多样性和生态系统服务情景模拟的保护决策支持途径,以期服务于我国生物多样性与生态系统服务预测研究的发展和深化。研究凝练结果如下：物种分布模型需要进行更规范的评价以明晰其对具体对象的适用性,生态系统预测模型亟待在关系结构的基础上嵌入更多的生态系统过程和社会经济过程,生态系统服务评估模型有必要强化对生物多样性、生态系统服务、人类福祉级联特征的刻画;全球气候变化驱动了未来区域生物多样性的大幅改变;土地利用则是陆地生态系统服务预测中的核心驱动变量。生态区划与区域尺度情景模拟、景观尺度下的生态安全格局构建、基于社会生态网络的社区适应三点重要展望方向将对基于情景模拟的我国生态系统保护决策提供重要的理论和实践支持。     

亚高山森林生态系统过程研究进展

亚高山森林是以冷、云杉属为建群种或优势种的暗针叶林为主体的森林植被。亚高山森林在庇护邻近脆弱生态系统、保育生物多样性、涵养水源、碳吸存和指示全球气候变化等方面具有十分重要且不可替代的作用和地位,其多样化的植被和土壤组合为研究生态系统过程提供了天然的实验室。亚高山森林的群落演替与更新、生物多样性保育、水文生态过程、生物元素的生物地球化学循环以及亚高山森林生态过程对气候变化的响应等研究已取得了明显的进展。但有关全球变化条件下的亚高山森林土壤生物多样性和冬季生态学过程等研究明显不足。全球气候变化背景下的冬季生态学过程、极端灾害事件对亚高山森林生态系统过程的影响、亚高山森林生物多样性的保育机制、亚高山森林土壤生物多样性与生态系统过程的耦合机制等可能是未来研究的前沿科学问题。     

山地物种海拔分布对气候变化响应的研究进展

过去1个世纪以来, 全球气候变化显著并已成为全球生物多样性面临的重要威胁之一。如何利用有限的资源最有效地保护生物多样性已成为亟待解决的最重要科学问题之一。山地因其具有较高的生境异质性、气候多样性和较低的人类活动干扰, 已成为最重要的生物多样性避难所, 也具有较高的生态服务价值, 在生物多样性保护中扮演着重要角色。但山地更容易受到气候变化的影响, 山地地区较为剧烈的气候变化将对山地生态系统的稳定性及其多样性造成严重威胁。理解山地物种海拔分布对气候变化的响应和潜在机理, 以及气候变化带来的物种海拔分布变化的负面效应, 将为全球气候变化背景下的山地生物多样性保护提供参考依据。本文综述了全球山地地区的气候变化情况, 总结了物种海拔迁移的研究进展, 重点讨论了山地物种分布最适海拔、海拔上下限和海拔分布范围变化的研究进展及不足, 比较了不同地区和不同类群物种海拔迁移的差异性, 以及物种对气候变化响应的滞后性。从生物及非生物因素等多个角度概括了物种海拔迁移响应气候变化的潜在机理, 评估并总结了气候变化引起的物种海拔分布所产生的负面效应, 主要对物种向上迁移对高海拔地区物种多样性的影响、物种迁移带来的分布区改变导致的物种灭绝风险以及物种海拔分布变化导致的种间相互作用改变等方面进行全面探讨。最后, 展望了未来在此领域研究中应注意的问题, 提出了在未来气候变化下山地生物多样性保护需要采取的措施, 强调应重点关注对气候变化较为敏感的类群及生物多样性区域, 加强中国山地物种对气候变化响应的监测网络建设和研究力度, 重点加强监测气候变化对动植物互作关系的影响。     

青藏高原高寒草地生物多样性与生态系统功能的关系

生物多样性和生态系统功能(BEF)之间的关系是目前陆地生态系统生态学研究的热点, 对于生态系统的高效利用与管理意义重大, 而且对于退化生态系统功能的恢复及生物多样性的保护有重要的指导作用。高寒草地是青藏高原生态系统的主体, 近年来, 在气候变化与人为干扰等因素的驱动下, 高寒草地生态系统功能严重衰退。为此, 本文在综述物种多样性和生态系统功能及其相互关系研究进展的基础上, 首先从地下生态学过程研究、全球变化对生态系统多功能性的影响等方面解析了目前关于草地生物多样性和生态系统功能研究中存在的问题。继而, 从不同草地类型、草地退化程度、放牧、模拟气候变化、刈割、施肥、封育和补播等干扰利用方式对高寒草地物种多样性与生态系统功能的影响进行了全面的评述。并指出了高寒草地BEF研究中存在的不足, 今后应基于物种功能多样性开展高寒草地BEF研究, 全面且综合地考虑非生物因子(养分资源、外界干扰、环境波动等)对生物多样性与生态系统功能之间关系的影响, 关注尺度效应和要素耦合在全球气候变化对高寒草地BEF研究中的作用。最后, 以高寒草地BEF研究进展和结论为支撑依据, 综合提出了高寒草地资源利用和生物多样性保护的措施与建议: 加强放牧管理, 保护生物多样性; 治理退化草地, 维持生物多样性功能; 加强创新保护理念, 增强生态系统功能。     

生物多样性与生态系统多功能性的关系研究进展

生物多样性与生态系统功能关系是生态学研究的热点之一,以往研究多关注生物多样性与单一生态系统功能之间的关系,然而生态系统能够同时提供多种功能和服务即生态系统多功能性(ecosystem multifunctionality, EMF),仅考虑单一生态系统功能会低估生物多样性的重要性。近年来,EMF研究的重要性受到更多重视,生物多样性与生态系统多功能性(biodiversity and ecosystem multifunctionality, BEMF)关系成为生态学研究新的热点。梳理近15年的研究发现,不同维度、不同尺度的单一或多营养级生物多样性均会对EMF产生显著的影响,并且在全球变化的背景下,自然干扰与人为干扰均会影响生物多样性与生态系统多功能性从而改变BEMF关系,EMF测度方法的差异也可能导致BEMF关系的不一致。生物多样性维度(尺度)选择的局限、不同EMF测度方法的认知差异、BEMF时空数据库的缺乏以及BEMF关系研究方法的单一等问题阻碍了BEMF关系的深入探究。未来研究应对现有测度方法进行深入比较并发展通用的新方法,深入探究多维度、多尺度生物多样性对EMF影响的综合作用。此...     

Natural hazard threats to pollinators and pollination

Natural hazards are naturally occurring physical events that can impact human welfare both directly and indirectly, via shocks to ecosystems and the services they provide. Animal‐mediated pollination is critical for sustaining agricultural economies and biodiversity, yet stands to lose both from present exposure to natural hazards, and future climate‐driven shifts in their distribution, frequency, and intensity. In contrast to the depth of knowledge available for anthropogenic‐related threats, our understanding of how naturally occurring extreme events impact pollinators and pollination has not yet been synthesized. We performed a systematic review and meta‐analysis to examine the potential impacts of natural hazards on pollinators and pollination in natural and cultivated systems. From a total of 117 studies (74% of which were observational), we found evidence of community and population‐level impacts to plants and pollinators from seven hazard types, including climatological (extreme heat, fire, drought), hydrological (flooding), meteorological (hurricanes), and geophysical (volcanic activity, tsunamis). Plant and pollinator response depended on the type of natural hazard and level of biological organization observed; 19% of cases reported no significant impact, whereas the majority of hazards held consistent negative impacts. However, the effects of fire were mixed, but taxa specific; meta‐analysis revealed that bee abundance and species richness tended to increase in response to fire, differing significantly from the mainly negative response of Lepidoptera. Building from this synthesis, we highlight important future directions for pollination‐focused natural hazard research, including the need to: (a) advance climate change research beyond static “mean‐level” changes by better incorporating “shock” events; (b) identify impacts at higher levels of organization, including ecological networks and co‐evolutionary history; and (c) address the notable gap in crop pollination services research—particularly in developing regions of the world. We conclude by discussing implications for safeguarding pollination services in the face of global climate change.     

气候变化与生物多样性之间的复杂关系和反馈机制

气候变化与生物多样性丧失是人类社会正在经历的两大变化。气候变化影响生物多样性的方方面面, 是导致生物多样性丧失的一个主要驱动因子; 反过来, 生物多样性丧失会加剧气候变化。因此, 阻止甚至扭转气候变化和生物多样性丧失是当前人类社会亟需解决的全球性问题,但我们对气候变化与生物多样性之间的复杂关系和反馈机制尚缺乏清晰认识。本文总结了近年气候变化与生物多样性变化的研究进展, 重点概述了不同组织层次、空间尺度和维度的生物多样性对气候变化的响应和反馈等相关领域的研究进展和存在的主要问题。结果发现多数研究关注气候变化对生物多样性的直接影响, 涉及到生物多样性的不同组织层次、维度和营养级, 但针对气候变化间接影响的研究仍然较少, 机理研究同样需要加强; 生物多样性对生态系统功能影响的环境依赖和尺度推演、生物多样性对生态系统多功能性的作用机理和量化方法是当前研究面临的挑战; 生物多样性对生态系统响应气候变化的作用机制尚无统一的认识; 生物多样性对气候变化的正、负反馈效应是国内外研究的盲点。最后, 本文展望了未来发展方向和需要解决的关键科学问题, 包括多因子气候变化对生物多样性的影响; 减缓和适应气候变化的措施如何惠益于生物多样性保护; 生物多样性与生态系统功能的理论如何应用到现实世界; 生物多样性保护对实现碳中和目标的贡献。     

Fire in Australian savannas: from leaf to landscape

Savanna ecosystems comprise 22% of the global terrestrial surface and 25% of Australia (almost 1.9 million km²) and provide significant ecosystem services through carbon and water cycles and the maintenance of biodiversity. The current structure, composition and distribution of Australian savannas have coevolved with fire, yet remain driven by the dynamic constraints of their bioclimatic niche. Fire in Australian savannas influences both the biophysical and biogeochemical processes at multiple scales from leaf to landscape. Here, we present the latest emission estimates from Australian savanna biomass burning and their contribution to global greenhouse gas budgets. We then review our understanding of the impacts of fire on ecosystem function and local surface water and heat balances, which in turn influence regional climate. We show how savanna fires are coupled to the global climate through the carbon cycle and fire regimes. We present new research that climate change is likely to alter the structure and function of savannas through shifts in moisture availability and increases in atmospheric carbon dioxide, in turn altering fire regimes with further feedbacks to climate. We explore opportunities to reduce net greenhouse gas emissions from savanna ecosystems through changes in savanna fire management.