干旱半干旱区土壤水分研究进展

土壤水分调控着陆表-大气相互作用过程,是土壤-植物-大气连续体水分和能量交换的重要影响因子,也是影响生态系统水文、生物和生物化学过程的关键因素,是陆地生态系统中不可或缺的组成部分。本文简要回顾和评述了土壤水分点、面尺度的监测、分析方法,系统阐述了干旱半干旱区土壤水分的国内外研究进展,并结合目前的研究进展,提出了未来干旱半干旱区土壤水分研究展望,以期促进深入理解和准确预测干旱半干旱区土壤水分变化的生态与水文效应,为制定科学合理的干旱半干旱区水资源经营管理方案奠定理论基础。     

土壤非生物CO2通量对土壤温度的响应

干旱、半干旱区土壤CO₂通量是土壤-大气碳循环的关键过程。尽管近期研究发现,该过程中存在非生物CO₂通量部分,但对该通量及其对土壤温度的响应仍不清楚。为此,本研究于2012年5月至2013年4月,在毛乌素沙地西南缘长期定位观测灭活土壤的CO₂通量及土壤温度与降雨量。结果显示:土壤非生物CO₂通量在2012年5-10月及2013年3-4月基本表现为白天正值,而夜晚负值;其余月份中,其日尺度上变化不大。在观测期内,非生物CO₂通量与土壤温度变化率呈直线关系,但决定系数不高。另外,无降雨或小降雨发生时,日尺度上土壤非生物CO₂通量与土壤温度存在明显的时间滞后效应,而该效应会被较大的降雨严重干扰。研究结果表明,土壤非生物CO₂通量对土壤温度的响应会较易被其他因子(如降雨)干扰,通过土壤温度单因子对它预测,结果可能不够准确。     

湿地生态系统碳循环研究进展

碳在不同类型湿地中储藏量约占地球陆地碳总量的15%。由于全球湿地面积迅速减少,湿地生态系统正常的水循环和碳循环过程产生一定的变化,湿地生态系统的演变也可能是全球大气CO₂含量升高的一个不可忽视的重要因素。气候条件是湿地碳循环生物地球化学过程的重要驱动因素,湿地特殊的生态水文过程和土壤环境条件,使得湿地碳循环具有区别于其它生态系统碳循环的特征。影响湿地中碳积累与分解过程的重要控制因子是温度、水文条件和植物群落,特别是水文条件对湿地碳循环过程影响较大。湿地土壤呼吸通量与根层土壤温度呈正相关关系,并受地表积水深度和地下潜水水位的影响,另外,洪泛作用会增加湿地CO₂的排放率,湿地水文过程决定溶解有机碳的输入与输出过程。     

中国干旱半干旱区气候异常影响机理研究进展

干旱半干旱区占中国陆地面积一半以上,生态环境脆弱,对全球气候变化和人类活动的响应敏感,极端气候事件呈多发、强发态势。该区域的气候异常不仅受到大气内部变率的调制,还受海温、海冰和积雪等下垫面影响,这些物理因子对干旱半干旱区气候异常起关键性作用。文章系统性地回顾和梳理了这些物理因子对中国干旱半干旱区气候异常影响的研究。研究表明：大气遥相关作为气候异常的内部影响因子,其位相转变造成的环流异常会通过调控急流位置、行星波活动、阻塞强度、槽脊位置等造成干旱半干旱区气候异常;而海温则通过影响季风强度、沃克（Walker）环流强度、西太平洋副热带高压位置及激发大气罗斯贝（Rossby）波响应等方式对干旱半干旱区气候异常产生影响;积雪通过反照率效应和水文效应,改变地表辐射、土壤温湿度等下垫面热力状况,进而通过非绝热加热或改变大气斜压性等方式对干旱半干旱区气温和降水产生显著作用。文章在总结已有研究进展的基础上,指出不同因子之间的协同作用机制以及各因子对中国干旱半干旱区气候异常的贡献仍有待进一步研究。     

沙漠及绿洲不同覆被下大气CO2浓度的梯度变化

运用美国生产的开环气体交换系统LI-6400便携式光合作用测定系统,研究了沙漠及绿洲不同覆被下大气CO₂浓度的梯度变化。结果表明,2001年巴丹吉林沙漠南缘大气CO₂浓度为366μmol·mol^-1,秋季大气CO₂浓度梯度在1~ 10m高度范围内为0,CO₂浓度与气温呈线形正相关,相关系数为0.87;与空气相对湿度呈线形负相关,相关系数为 -0.86。秋季绿洲区CO₂浓度高于沙漠区,人类活动向大气排放CO₂,是绿洲区CO₂浓度高于沙漠区的主要原因。绿洲不同覆被类型其CO₂浓度梯度明显不同,影响CO₂浓度梯度的主要因素为:人类活动、覆被变化、气象因子。覆被变化研究得出,杨树林初秋光合作用最强时在10m高度范围内CO₂浓度可降低22μmol·mol^-1;另外得出,降雨能够明显降低空气CO₂浓度。     

造林对陆地碳汇影响的研究进展

全球气候变化和土地利用变化影响着陆地碳源/汇的变化。造林作为一种土地利用变化,可以增加陆地碳汇,减缓大气中CO₂的积累。文中首先对陆地碳汇及其形成原因进行综述,肯定了造林在陆地碳汇中的重要作用,然后阐述了造林对陆地碳汇的影响途径、造林后植被碳和土壤碳的变化及相互联系,并对全球造林活动对陆地碳汇贡献潜力作简要介绍,最后指出当前研究中的不足及今后的努力重点。造林是重要的临时陆地碳库,加强对造林碳汇的客观研究,对我国具有重要的政治意义和科学实践意义。     

干旱区土地退化与荒漠化对土壤碳循环的影响

荒漠化是干旱区的最为严重生态退化问题,它的发生和发展对干旱土壤碳循环有着重要的影响.土壤是全球陆地生态系统最大的碳库,土壤中碳的固存和向大气的释放直接关系到全球气候的变化.干旱土壤占全球陆地总面积的40%,因此,它在全球碳循环中占有重要的地位.干旱区土地退化和荒漠化对土壤碳循环的影响包括两个主要方面:①它促进了SOC和无机碳的矿化,使之向大气释放CO2,增加了温室效应;②由于荒漠化增加了大气尘埃含量,减少了辐射,在一定程度上间接地缓解了土壤碳的损失.文章综述了近年来相关研究的进展,评价了干旱区土壤碳的固存和在缓解温室效应方面的潜在能力.讨论了干旱荒漠化地区对全球碳平衡的贡献和在干旱区促进土壤碳固存的基本策略.     

天山南坡科其喀尔冰川作用区CO2通量观测研究

冰川融水径流的发育和形成过程中,存在大量水化学侵蚀,尤其是K/Na长石及碳酸盐的水解作用,可能消耗水体中H⁺,促使大气CO₂溶于水形成重碳酸盐,影响区域碳循环。2015年7月21日-2017年7月18日选取相对平坦开阔的西天山科其喀尔冰川表碛物覆盖区,利用涡度相关法进行CO₂通量监测。结果表明：大气CO₂通量介于-17.99~3.59 g·m^-2·d^-1之间,平均值为-2.58 g·m^-2·d^-1,说明研究区是一个显著的碳汇。净冰川区系统CO₂交换量主要受大气CO₂通量支配,但日内变化显著,白天因冰雪消融导致大气CO₂沉降于融水中促进区域水化学侵蚀,而夜间因太阳辐射减少,冰雪消融减弱甚至停止,抑制了区域CO₂沉降,甚至再生冰的形成引起溶解于液态水中的CO₂释放。净冰川区系统CO₂交换量与气温呈显著的负相关关系,即气温升高,大气CO₂沉降量增加;当降水量小于8.8 mm时,交换量随降水量变化不显著,而降水量大于8.8 mm时,CO₂沉降量随降水量增加而减少。净冰川区系统CO₂交换量随日径流量的变率遵循：积雪消融期 > 积雪积累期 > 冰川消融前期 > 冰川消融后期 > 冰川消融峰期,意味着积雪消融存在时,系统CO₂交换量随日径流量变率较大,可能是因积雪本身的阻尼作用或积雪期水文通道不发育,积雪融水较冰川冰融水汇集相对较慢,为可溶性物质化学反应提供充分时间,增强了CO₂沉降。     

干旱沙区生物土壤结皮覆盖土壤CO2通量对脉冲式降雨的响应

水分是干旱区生态过程中主要限制因子,降水可通过改变土壤的干湿状况直接影响土壤的生态过程,继而引起土壤碳库的变化。生物土壤结皮作为干旱区主要的地表覆盖物,其自身不但可以进行呼吸作用,还能充分利用有限的水分通过光合作用固碳,改变土壤圈与大气圈之间的碳交换通量。通过模拟0、2、5、8、15 mm降雨,利用红外气体分析仪,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区主要的生物土壤结皮覆盖土壤净CO₂通量进行了原位测定,探讨生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放和光合固定CO₂(吸收)共同作用下的土壤净CO₂通量对模降雨的响应特征。结果表明:(1)降雨会迅速激发生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放,降雨激发CO₂释放速率和有效时间取决于降雨量,降雨量越高,激发程度越低,激增的生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放(源)效应有效时间随降雨量的增加而延长;降雨激发的土壤碳释放总量随着降雨量的增加显著增加,且藓类结皮覆盖土壤碳释放总量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(2)降雨引起生物土壤结皮覆盖土壤CO₂吸收速率在初期呈单峰变化,后逐渐回归到降雨前的水平,随降雨量的增加,CO₂吸收的效应的时间越长,峰值越高;降雨量越高,生物土壤结皮光合碳固定量越多,当降雨量增加到15 mm时,藻类结皮光合碳固定量显著低于8 mm时的碳固定量;降雨量<5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著低于藻类结皮(P<0.05),≥5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(3)干旱荒漠地区生物土壤结皮覆盖土壤,在无降雨的干旱期表现为较低水平的净碳排放效应,不同程度降雨的初期阶段都有短暂的增加土壤碳的汇效应,且碳汇效应的时间随降雨量的增加而延长;适度的降雨会降低长期干旱藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放量,而过高或过低的降雨都会不同程度地增加藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放,降低土壤碳的储量。不论降雨量大小,降雨都会增加藓类结皮覆盖土壤更多碳向大气排放,但随着降雨量的增加,源效应逐渐减弱。降雨量≤8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放总量显著高于藻类结皮(P<0.05),当降雨量>8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放量显著低于藻类结皮覆盖土壤(P<0.05)。因此,干旱区在估算生物土壤结皮覆盖土壤与大气碳交换对降雨的响应规律时,应该充分考虑降雨量大小对生物土壤结皮碳固定量和土壤碳释放组分的效应,明确降雨事件大小对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤与大气之间碳交换的作用。     

盐土和碱土土壤无机CO2通量的分离

干旱区盐碱土无机CO₂通量是一个崭新、独特的科学现象,打破了土壤CO₂通量完全来自于有机源的假设;然而,盐碱土无机CO₂通量在土壤CO₂通量和全球碳循环中的重要性还缺乏分离和量化的依据,因而存在很大的不确定性。通过采用高压灭菌的方法,将盐土和碱土的土壤无机CO₂通量从土壤CO₂通量中分离。结果表明：高压灭菌方法并不改变土壤的理化性质,并通过土壤有机CO₂通量与温度的关系验证了分离方法的有效性,从而为盐碱土无机CO₂通量的分离、量化和评估提供了一个可靠有效的方法。盐碱土的土壤无机CO₂通量是土壤CO₂通量的重要组分,土壤无机CO₂通量的分离对精确解析干旱区盐碱土生态系统的碳循环是必要的;对盐碱土土壤无机CO₂通量的研究,将促进对干旱区盐碱土土壤CO₂通量和全球碳循环的理解。     

Meltwater production in Antarctic blue-ice areas: sensitivity to changes in atmospheric forcing

In the near coastal regions of Dronning Maud Land, Antarctica, below-surface ice-melt in blue-ice areas has been observed. The low scattering coefficients of the large-grained blue-ice allow penetration of solar radiation, thus providing an energy source below the ice surface. The sub-surface meltwater is significant enough to show up on remote-sensing imagery in the form of ice-covered lakes. Adjacent snow-accumulation areas have much higher scattering coefficients and consequently limit solar radiation penetration in these regions. These snow and ice surfaces are generally below freezing, and little surface melting occurs. To assess the response of these melt features to changes in atmospheric forcings such as cloudiness, air temperature, and snow accumulation, a physically-based model of the coupled atmosphere, radiation, snow, and blue-ice system has been developed. The model consists of a heat transfer equation with a spectrally-dependent solar-radiation source term. The penetration of radiation into the snow and blue-ice depends on the surface albedo, and the snow and blue-ice grain size and density. Model simulations show that ice melt occurring in this area is sensitive to potential variations in atmospheric forcing. Under certain conditions more traditional surface melting occurs and, under other conditions, the existing melt processes can be shut down completely. In light of the sensitivity of this system to variations in atmospheric forcing, and the ability to view melt-related features using remote sensing, a tool exists to efficiently monitor variations in Antarctic coastal climate.     

蒙古高原风蚀颗粒物空间过程数值模拟及预报

基于WRF-IWEMS耦合模型对2016年3月1~9日发生在蒙古高原的强沙尘天气过程进行数值模拟,着重模拟了尘源、粉尘传播路径以及粉尘扩散过程中浓度变化和影响范围,并采用卫星影像、站点监测数据与模型结果进行对比分析。结果表明：此次风沙天气过程的尘源分布在新疆哈密地区、阿拉善高原、中蒙边境戈壁地区以及浑善达克沙地部分地区,粉尘自源区分别沿河西走廊、贺兰山区、张家口等地扩散至华北和京津地区。蒙古高原土壤风蚀可使华北地区来自自然源的大气颗粒物PM₁₀、PM_2.5浓度分别达到1 000 μg·m^-3、200 μg·m^-3以上,还可使华北地区大气颗粒物浓度高于200 μg·m^-3的天气持续48 h以上。     

An analysis of short-term albedo variations at Haut Glacier d'Arolla, Switzerland

Abstract An analysis of ten‐minute albedo variations, recorded on Haut Glacier d'Arolla, Switzerland, over an 11 day period in the 1999 ablation season is presented. Most of the short‐term (<1 day) albedo variability is caused by variations in cloud cover, while solar zenith angle variations in the range 25° to 75° are of minor importance, probably due to the predominantly cloudy conditions during the measurement period. A new method to calculate albedo variation as a function of cloud cover is developed. Short‐term albedo variations are expressed by the ratio of the measured albedo to the daily albedo ‘minimum’, defined as the albedo under cloud‐free conditions when the solar zenith angle is <50°. Variations in cloud cover are quantified by the ratio of the measured incoming shortwave radiation flux to the theoretical direct‐beam shortwave radiation flux. The resulting relationships are successful, explaining 83% and 87–90% of short‐term albedo variation on snow and ice respectively, and may be incorporated into albedo parameterizations already used in numerical energy balance melt models, without the need for additional data. Simulations with a glacier energy balance model suggest that melt rates are overestimated by between 1 and 3 mm water equivalent per day if a correction is not made for the increase in albedo under cloudy conditions. Other causes of albedo variation are identified and evidence is found for the removal of fine debris from the glacier surface by intense rainfall, leading to an albedo increase. The implications for energy balance models and satellite‐derived albedo measurements are discussed.     

Holocene lake sediment records of Arctic hydrology

Although paleoclimatic research in the Arctic has most often focused on variations in temperature, the Arctic has also experienced changes in hydrologic balance. Changes in Arctic precipitation and evaporation rates affects soils, permafrost, lakes, wetlands, rivers, ice and vegetation. Changes in Arctic soils, permafrost, runoff, and vegetation can influence global climate by changing atmospheric methane and carbon dioxide concentrations, thermohaline circulation, and high latitude albedo. Documenting past variations in Arctic hydrological conditions is important for understanding Arctic climate and the potential response and role of the Arctic in regards to future climate change. Methods for reconstructing past changes in Arctic hydrology from the stratigraphic, isotopic, geochemical and fossil records of lake sediments are being developed, refined and applied in a number of regions. These records suggest that hydrological variations in the Arctic have been regionally asynchronous, reflecting the impacts of different forcing factors including orbitally controlled insolation changes, changes in geography related to coastal emergence, ocean currents, sea ice extent, and atmospheric circulation. Despite considerable progress, much work remains to be done on the development of paleohydrological proxies and their application to the Arctic.     

Ice draft and current measurements from the north-western Barents Sea, 1993–96

From 1993 to 1996, three oceanographic moorings were deployed in the north-western Barents Sea, each with a current meter and an upward-looking sonar for measuring ice drafts. These yielded three years of currents and two years of ice draft measurements. An interannual variability of almost I m was measured in the average ice draft. Causes for this variability are explored, particularly its possible connection to changes in atmospheric circulation patterns. We found that the flow of Northern Barents Atlantic-derived Water and the transport of ice from the Central Arctic into the Barents Sea appears to be controlled by winds between Nordaustlandet and Franz Josef Land, which in turn may be influenced by larger-scale variations such as the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation.     

Pollen-based reconstructions of Holocene vegetation and climatic change of Tibetan Plateau

A synthesis of Holocene pollen records from the Tibetan Plateau shows the history of vegetation and climatic changes during the Holocene. Palynological evidences from 24 cores/sections have been compiled and show that the vegetation shifted from subalpine/alpine conifer forest to subalpine/alpine evergreen sclerophyllous forest in the southeastern part of the plateau; from alpine steppe to alpine desert in the central, western and northern part; and from alpine meadow to alpine steppe in the eastern and southern plateau regions during the Holocene. These records show that increases in precipitation began about 9 ka from the southeast, and a wide ranging level of increased humidity developed over the entire of the plateau around 8-7 ka, followed by aridity from 6 ka and a continuous drying over the plateau after 4-3 ka. The changes in Holocene climates of the plateau can be interpreted qualitatively as a response to orbital forcing and its secondary effects on the Indian Monsoon which expanded northwards     

北极地区碳循环研究意义和展望

全球变暖引发了北极地区的快速变化。北极地区苔原冻土带退化、海冰面积退缩和厚度变薄将使北极生态系发生重要变化 ,因而引起碳的生物地球化学循环过程变异。为精确评估北极地区对人为大气CO2 的吸收通量 ,围绕北极苔原、边缘海和极区海域的碳循环研究引起了重视。调查表明 ,北冰洋和亚北冰洋海冰区是海洋吸收大气CO2 的重要汇区 ,北冰洋具有吸收大气CO2 约 1×GtC/a的能力 ,北冰洋夏季冰缘区的长光照和高生产力促进了对大气CO2 的吸收能力 ,北冰洋深水环流和通风作用也有利于表层碳向深水转移。最近有些调查表明 ,如温度继续升高 ,北极苔原有可能从碳汇转变成大气碳源。国际上正加强北极地区碳循环研究的规划和计划 ,企图通过改进现场调查观测手段以及研究方法 ,来定量研究和模式预测变化中北极地区的碳汇潜力及其对地球气候的影响。     

对黄土高原风尘搬运动力与沉积控制因素的新认识

风尘是地球表层系统的重要组成部分,广泛参与地球系统中不同时空尺度的物理、化学和生物过程,对全球气候和生态环境产生重要的影响。中国北方地区发育了世界最广、最厚的风尘沉积,记录了至少22 Ma以来东亚季风演化和亚洲内陆干旱化历史。半个多世纪以来对风尘沉积的气候记录和黄土高原的成因进行了大量研究并取得了丰硕成果,然而对黄土高原风尘物质沉积过程的认识还存在很多问题。例如,近年来基于物源示踪研究对传统的风尘搬运过程提出了新认识,认为虽然黄土主体是风成的,但以前忽略了河流对于碎屑物质的搬运贡献。我们在前人研究基础上从沉积学角度分析风尘沉积过程,发现青藏高原两期抬升与区域构造运动对粉尘沉积起着不亚于气候变化的重要控制作用;同时从沉积-侵蚀和地貌发育过程探讨风力与流水这两种最常见的外动力方式在黄土沉积和黄土高原发育过程中所起的作用,认为风尘的沉积和黄土高原的形成是侵蚀与搬运沉积作用的长期动态平衡过程,风力和流水在其中所起的作用都不是单一不变的,在不同时期和不同区域有可能会同时充当建设者和破坏者的角色。     

塔里木盆地沙尘天气的季节变化及成因分析

 选取了塔里木盆地周边16个站点,详细分析了沙尘天气的季节变化特征。结果表明：各站点沙尘天气频率虽均以春季最高,但其他3个季节沙尘日数的分布可以分为3种类型：第一种以秋季最高,夏季次之,冬季最低,如喀什和库车地区;第二种以夏季最高,冬季次之,秋季最低,如若羌地区;第三种以夏季最高,秋季次之,冬季最低,这一种类型是塔里木盆地沙尘天气季节分布的主要特征。沙尘天气的季节变化主要受风速和沙源季节变化的影响。当沙尘来源相似时,风速是控制沙尘释放强度的主要因素。     

沙尘源区与沉降区气溶胶粒子的理化特征

在沙尘源区 ,大气气溶胶粒子主要是地面沙尘来源 ,沙尘暴发生时气溶胶粒子的浓度大增 ,浓度峰值向粗粒径范围移动 ;在沙尘沉降区日本 ,当浮尘期时气溶胶粒子有地面沙尘和工业排放物两个来源 ,形成双峰型分布 ,当非浮尘期时气溶胶粒子主要以工业排放来源为主 ,在 <2 .1um细粒径范围形成一个峰值。水溶性成分也不相同 ,沙尘源区粒子以Ca2 +、SO42 -、Na+、Cl-等沙尘来源离子为主 ,在 3.3～ 4 .7um形成浓度峰值 ;沙尘沉降区以NH4+、SO42 -、NO3 -等工业来源离子为主 ,在 0 .6 5～ 1.0 1um形成峰值。在日本即使是当浮尘时期 ,大气中的气溶胶粒子浓度也远远比不上沙尘源区沙尘暴发生时的大气气溶胶浓度。这说明能够到达日本沉降区的气溶胶粒子只是沙尘源区大气气溶胶中的很少一部分