Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

IPBES框架下的生物多样性和生态系统服务区域评估及政策经验

生物多样性和生态系统服务为人类的生计和良好的生活质量奠定了重要基础。然而, 越来越多的研究表明, 生物多样性和生态系统服务在全球范围内的持续下降使自然对人类的贡献大幅降低。多尺度评估能够说明不同尺度下生物多样性的现状, 有利于制定适合区域特点、符合国情的决策建议。2013年12月, 生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, IPBES)通过第一轮工作方案, 决定开展“区域/次区域生物多样性和生态系统服务评估”(简称“区域评估”), 即评估亚洲-太平洋(简称亚太)、美洲、非洲以及欧洲-中亚四大地理区域的生物多样性和生态系统服务。区域评估报告及其决策者摘要已在IPBES第六次全体会议上(2018年3月, 哥伦比亚麦德林)审议通过。本文概述了四大地理区域的生物多样性的重要性、生物多样性保护领域取得的进展、面临的主要危机和机遇, 探讨了评估对其他国际进程的影响, 综合分析了各区域生物多样性和生态系统服务的特点以及各区域评估结果的差别, 总结了评估的政策经验, 以期为中国的生物多样性保护提供科学参考。     

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括: 1) 实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2) 野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3) 近自然状态的野外环境控制实验;以及4) 基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。     

大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理。在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的“多过程耦合-多技术集成-多目标应用”的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化及其资源、环境和灾害效应科学研究的重要科技任务。本研究围绕宏观生态系统模拟分析方法问题,在回顾陆地生态系统模型研究现状和发展趋势的基础上,深入讨论开发大尺度陆地生态系统动态变化和空间变异及其资源环境效应模拟系统的理念,以及模拟系统的功能定位、结构设计等基本问题,为构造中国陆地生态系统数值模拟器提供参考。     

生态系统服务供给和需求研究评述及框架体系构建

生态系统服务供给和需求联系着自然生态系统与社会经济系统,对生态系统服务供给和需求的研究有助于加强生态系统管理和实现资源优化配置,从而保障区域生态安全与社会经济可持续发展。本文在系统梳理国内外相关研究的基础上,对生态系统服务供给和需求的概念内涵、评估方法和实践应用等方面进行全面综述。从理论发展的角度看,虽然目前已取得较为丰富的研究成果,但是现有研究仍较为分散,缺乏统一的生态系统服务供需研究框架体系。鉴于此,本文在对生态系统服务供给和需求的研究范畴进行拓展的基础上,按照“理论-方法-实践”相统一的研究脉络,构建了“定性-定位-定量-定策”的生态系统服务供给和需求研究框架体系,最后提出未来研究应围绕“重点关注生态系统服务供给和需求的空间转移规律、加强生态系统服务供给和需求的定量方法研究、深化生态系统服务供给和需求应用管理实践和建立生态系统服务供给和需求应用评价机制”等方面展开,以期促进生态系统服务供给和需求的理论与实践研究。     

福州市生态系统生产总值核算

开展生态系统生产总值(GEP)核算是推进生态文明制度建设的必要措施,也是将生态效益纳入经济社会发展评价体系的重要举措。本研究以福州市为研究对象,通过构建具有“山、海、城”特色的生态系统价值核算体系,对2015和2018年福州市GEP进行核算,从时空变化角度对福州市GEP进行对比。结果表明: 2015、2018年福州市GEP分别为9205.92、10472.42亿元,人均GEP分别为13.02、14.39万元,生态产品供给服务价值分别为941.81、1102.61亿元,生态调节服务价值分别为6364.20、5988.51亿元,生态文化服务价值分别为1899.91、3381.3亿元。与2015年相比,2018年福州市GEP增加1266.50亿元,增幅为13.8%,主要得益于生态产品供给服务价值和生态文化服务价值的增加。然而,生态调节服务价值减少375.69亿元,降幅为5.9%,主要源于气候调节、水流动调节和水质净化服务价值的减少。福州率先探索建立一套具有山、海、城特色的核算体系,可以为福建省其他城市及我国其他地区的核算工作提供“福州样板”,同时助推建立生态价值实现的长效机制。     

黄土高原林区生态系统服务价值与景观生态风险时空变化及其关联性——以子午岭区为例

当前,人们对自然景观提供的生态系统服务保护意识正在加强,但将生态系统服务价值纳入生态风险管控的研究和实践相对较少。本研究以子午岭区为例,基于2.5 km×2.5 km的评价小区,开展了1980、1990、2000、2010和2017年黄土高原林区——子午岭区景观格局类型格网化和重采样,定量评价了生态系统服务价值和景观生态风险,揭示了二者时空变化及其关联性。结果表明: 1980—2017年,子午岭区生态系统服务价值从其中心地带向外缘递减,总量由123.45亿元增长为126.33亿元;子午岭区景观生态风险从其中心地带向外缘递增,子午岭区的景观生态风险有所降低,生态状况总体好转。子午岭区生态系统服务价值与景观生态风险之间存在显著的负相关关系及明显的负向空间关联性;高价值-低风险区主要为子午岭林区,未来其生态系统服务价值可能会保持不变。     

不同放牧强度对赛罕乌拉草原蜘蛛多样性的影响

蜘蛛作为草原生态系统中的主要消费者, 对维系草原生物多样性和生态系统功能具有重大意义。放牧是人类利用草原最普遍的方式, 了解放牧对蜘蛛多样性的影响具有重要生态学意义。本研究调查了内蒙古赛罕乌拉草原上5个不同放牧强度样地中的蜘蛛多样性, 通过单因素方差分析(one-way analysis of variance)比较各样地中的蜘蛛多样性, 非度量多维标度分析(non-metric multidimensional scale, NMDS)和相似性分析(analysis of similarities, ANOSIM)比较各样地间的蜘蛛物种组成相似性, 再结合相关性分析探讨了植被高度对蜘蛛多样性的影响。结果表明: 重度放牧强度样地的蜘蛛多样性显著低于其他未放牧及轻度放牧样地; 具体到常见科上, 放牧强度对织网型的园蛛物种数和个体数影响显著, 而对游猎型的狼蛛、跳蛛却不明显; 织网型蜘蛛主要受植被结构影响, 而游猎型蜘蛛更可能受潜在猎物可得性的影响。NMDS分析表明不同放牧强度下, 蜘蛛类群的物种组成呈现明显的梯度变化, 放牧强度越低, 物种组成和未放牧样地越相近。相关性分析表明草原植被高度与蜘蛛多样性总体上呈正相关关系, 即植被高度越高, 蜘蛛多样性越高。其中依靠植物构建蛛网的园蛛科和在植物上层伏击猎物的蟹蛛科、逍遥蛛科等与植被高度显著相关。这说明植物资源及其空间异质性可能对草原蜘蛛多样性起着主导作用。因此, 降低放牧强度有助于保护草原蜘蛛群落的多样性, 特别有利于织网型蜘蛛。     

生态系统多功能性的指标选择与驱动因子: 研究现状与展望

全球变化和人类活动正以空前的速度在世界范围内改变着生物多样性, 这导致了全球生物多样性的锐减以及生产力的下降、病虫害的增加和抗入侵能力的减弱等生态问题。近30年来, 生态学家开始对于生物多样性的持续丧失是否以及如何影响生态系统功能的问题越来越感兴趣, 生物多样性与生态系统功能(biodiversity and ecosystem functioning, BEF)关系的研究应运而生, 并成为生态学研究的热点之一。但长期以来, 研究者更多地关注单一生态系统功能, 而忽略了生态系统能够同时提供多种生态系统功能的能力, 即生态系统多功能性(ecosystem multifunctionality, EMF)。本文综述了EMF研究中功能指标的选择、生物多样性的不同维度、微生物多样性对EMF的影响以及其他非生物因子对EMF的驱动等进展。因只考虑单一功能可能会低估生物多样性对整体生态系统功能的影响, 故生物多样性与生态系统多功能性(BEMF)关系的研究成为BEF关系研究的重点。近年来, BEMF关系的研究发展较快, 在不同生态系统(包括水生、草地、森林、旱地、农业等)、不同研究尺度(从区域到全球尺度)、BEMF关系的驱动机制(从单一驱动机制到多种驱动机制共同作用)、研究方法(包括新概念以及新的量化方法的提出和应用)等方面均取得了新的进展。但仍有不足之处, 如对于EMF研究中功能指标的选取没有统一的标准、对地下微生物多样性的关注度不够、涉及多营养级水平下的BEMF关系研究较少、驱动EMF的机制仍存在争论等。未来应加强对于功能指标选取的标准研究, 综合分析地上、地下生物多样性以及非生物因子对EMF的整体影响, 加强生态系统多服务性(ecosystem multiserviceability, EMS)方法的研究和应用。     

诱集植物在农业中的应用研究进展与展望

全世界每年因病虫害导致严重的农业经济损失, 为了减少病虫害的发生, 实际生产中通常使用大量化学农药, 然而农药的大量施用, 不仅造成环境污染和农产品安全问题, 还会使病虫害产生抗药性, 天敌种群受损, 从而导致病虫害爆发日益严重。种植诱集植物是一种环境友好型病虫害防控方法, 该方法主要是通过诱集植物吸引虫害和降低病害, 从而减少病虫害对主栽作物的危害, 达到保护主栽作物的目的, 最终减少农业上化学农药的使用。根据诱集植物自身特性, 将其分为五种主导作用类型: 传统诱集植物、致死型诱集植物、基因工程型诱集植物、生物辅助控制型诱集植物、化学信息素辅助作用型诱集植物等, 根据种植和利用方式, 将其分为: 围种诱集、间种诱集、连作诱集、与其它方式结合等。尽管关于诱集植物的研究已有近160年历史, 但有关高效诱集植物的筛选、诱集植物与主栽作物的优化配置模式与配套种植技术、诱集植物对靶标病虫害的作用机理、诱集植物在农业生产中的生态风险评估等仍不清楚, 且诱集植物仍具有较大开发潜力和应用价值, 如(1)开发应用诱集植物的环境污染修复功能及相关技术; (2)开发应用诱集植物的景观生态与休闲旅游功能及相关技术; (3)开发利用诱集植物对土壤的养分转化与固持提升功能(如固氮、固碳、固土功能等)、生物质能源功能、节能减排功能及相关技术; (4)开发应用诱集植物及其废弃物的经济产品功能及其可持续生产技术。论文综述了近年来国内外有关诱集植物的相关研究与实践应用, 旨在为诱集植物在农业生产中进行病虫害防治研究和应用提供相关参考。