陆地生态系统与气候相互作用的研究进展

陆地生态系统与气候系统通过地面与大气之间能量平衡、水汽交换和生物地球化学循环相互作用,影响大气中温室气体浓度和气溶胶,继而影响气候变化。较系统分析总结了当代国际上陆地生态系统与气候相互作用的最新研究进展。首先介绍了陆地生态系统与气候相互作用的机制与过程,总结了陆地生态系统与气候相互作用研究的三个发展阶段,以及当代相互作用的过程模拟研究中三类主要的全球生态系统模型,即生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型。并介绍了气候对生态系统变化的响应,即两种主要的反馈机制。最后,对未来的研究方向和重点作了分析。     

末次间冰期以来陆地生态系统的碳储量与气候变化

陆地生态系统的碳收支是全球气候变化和碳循环研究的核心内容之一.准确估算陆地生态系统的碳储量及其收支状况,对正确评价陆地生态系统在全球碳循环中的作用有重要意义.本文总结了近10年来各国研究者利用不同方法对陆地碳储量变化的研究进展,并对估算陆地碳储量的不确定性进行评价.同时,对陆地生态系统碳储量变化研究结果的分析表明,末次间冰期以来,全球陆地生态系统碳储量存在较大幅度的变化.在末次间冰期5e阶段、末次盛冰期和全新世中期,陆地生态系统碳储量分别为现在的l30～150%、50～85%和105～130%.并且,陆地生态系统碳储量与气候变化有显著的正相关性,但不同区域的生态系统碳储量随气候变化并非具有相同的变化规律.     

陆地氧循环过程研究进展

氧循环是地球系统重要的生物化学循环之一,其变化对地球的宜居性有着重要影响。工业革命以来,由于人类活动的影响,现代氧循环相比地质年代的氧循环发生了巨大的变化。陆地氧循环过程在现代氧循环中具有举足轻重的作用。从陆地植被生态系统产氧、陆地燃料燃烧耗氧等方面对已有陆地氧循环过程研究进行了回顾,表明：(1)陆地过程的变化会直接造成大气氧气浓度的波动,对大气氧气浓度有预测作用;(2)陆地氧循环过程反映了生态系统对人类活动与气候变化的响应,对评估生态安全具有指示作用。通过探究陆地氧循环过程对气候变化与人类活动的反馈,有助于预测未来大气氧气浓度的变化,为未来区域发展政策制定提供参考。     

气候变化对陆地水循环影响研究的问题

简要地回顾了现存的由气候情景驱动水文模型研究气候变化对陆地水循环影响的方法。指出这种单向连接方法很难将气候变暖及人类活动引起的陆地水循环变化反馈给大气。这既影响对降雨的预测精度,又不能正确地描写陆地水循环的变化。近10年来气候学家对大气环流模型中陆面过程模型的改进以及水文气候学家对大尺度水文模型研究所取得的进展,展现了它们之间的互补性,以及未来用水文-气候耦合模型方法研究气候变化与人类活动对陆地水循环影响及水资源预测的可能性。     

陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的基本科学问题、理论框架与研究方法

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环,它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而,自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系,在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上,探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程,提出该研究领域的基本科学问题,重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程,典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程,制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制,以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上,构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统,讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。     

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

特约主编致读者

近年来,全球变化与碳循环问题越来越得到各国政府、科学界和公众的关注。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其碳储量占整个陆地生态系统的3／4,约是大气碳库的2倍。土壤碳库的微小变化能引起大气CO2等温室气体浓度的明显改变。研究土壤碳库转化机理,从而抑制土壤碳源,增加土壤碳汇,是应对全球变化的重要措施之一。此外,提高...     

末次间冰期以来渭南黄土地区土壤有机碳碳库的演变

冰期-间冰期的陆地碳库变化成为最近十几年来碳循环研究的热点之一,以深海氧同位素、模型模拟和古环境证据等手段展开对不同时间尺度上不同碳库之间碳通量变化研究.土壤碳库的巨大储量导致了土壤碳库的任何微小波动都比陆地生态系统其他碳库更容易影响陆地生态系统碳循环以及大气CO₂浓度,并最终影响到全球气候变化.通过对过去4万年来黄土高原地区土壤有机碳碳库的演变研究发现,深海氧同位素第3阶段期间,土壤有机碳碳密度相对于磁化率在细节上更能够表现出气候的小波动,这一期间的土壤有机碳碳密度快速上升,在较高的水平上多次波动,可能是因为这一时期的气候环境整体上更适宜碳在黄土古土壤中的累积和保存.在末次盛冰期(LGM)时,土壤有机碳碳密度急剧下降,伴随气候的快速波动,其间有一次较大规模的反弹,持续约2 ka,最低值出现在14 ka BP和19 ka BP.对比深海氧同位素曲线,土壤有机碳碳库与其在末次盛冰期和全新世都表现出良好的一致性.而磁化率在大约15 ka BP以后就开始增加,似乎超前于土壤有机碳碳密度和深海氧同位素的增加.并且,在全新世早期到晚期土壤有机碳碳密度经历了逐渐上升继而下降的变化过程,该时段的最高值出现在大约7~5 ka BP.      

中国陆地生态系统近 2 0年碳空间动态的初步研究(英文)

陆地生态系统的净生产力 (NEP)是生态系统净初级生产力 (NPP)和异氧呼吸 (Rh)之差。在全球尺度上 ,反映NPP和Rh之差的NEP直接揭示陆地生态系统与大气系统之间的二氧化碳交换 ,即碳平衡 ,因此 ,意义重大。文章简短回顾了关于中国陆地生态系统碳平衡的研究状况。由于植物根部呼吸很难从土壤表面总二氧化碳 (CO2 )通量中分开 ,因此直接从野外测量土壤异氧呼吸几乎是不可能的。虽然由于像诸如火灾、森林砍伐、土地利用变化及气候和大气变化等干扰因素 ,全球陆地生态系统很大程度上处于非平衡态 ,利用生态系统在平衡态时NPP等于Rh这一事实 ,我们估算了全球和中国森林生态系统的土壤异氧呼吸。利用遥感和地面的NPP观测数据 ,我们也估算了中国森林生态系统逐月的净生产力 (1982— 1998)。NPP的估算主要采用NOAA卫星AVHRR 8km的NDVI数据 ,结合地面气候数据完成。土壤呼吸是通过地面观测数据与温度和降水的关系得到的。在此基础上我们得到了中国陆地生态系统在过去近 2 0年中碳的动态变化 ,并给出了初步结果。     

种植年限对苹果林地土壤剖面碳同位素影响

<正>土壤是陆地生态系统的重要组成成分,它与大气和陆地生物群落共同组成了系统中碳与植物营养元素的主要贮存库和交换库。在全球温室气体持续上升的今天,土壤已经被看成是有效缓解大气CO2浓度上升的积累库,土壤碳循环成为影响未来气候变化的重要科学问题。果园生态系统是指以果树为主要生产者的陆地生态系统。由于是人工建立的生态系统,人的作用非常突出。大部分生产力随收获而被移出系统,养分循环主要靠系统外投入而保持平衡。果园是我国重要的土地利用类型之一,果园面积占我国     

全球碳循环与人为二氧化碳的排放

工业革命以来,全世界已排放了相当于2800亿吨碳的二氧化碳,其中有2000亿吨来自于化石燃料的燃烧。这些二氧化碳本应使大气中二氧化碳浓度由280ppm升高到400ppm以上,但实际只升高到353ppm。现在每年排放260亿吨二氧化碳,大气中二氧化碳浓度应升高3.3ppm,实际上只升高1.8ppm。这说明有一部份二氧化碳进入了海洋和陆地生态系统,它们对大气中的二氧化碳起着缓冲作用。地球是一个巨大的碳循环系统。海洋、陆地、大气、陆地生态系统、岩石圈中都贮存着巨大数量的碳,可以视为“碳贮存库”(表1)。在这些碳贮存库之间进行着碳的交换,每年交换的量称为“交换通量”(表1)。     

陆地生态系统的二氧化碳封存

陆地生物圈在全球碳（C）循环方面起着重要作用。尽管陆地生物圈是碳的净源,但一些陆地生态系统目前正在吸收碳,这对于控制现存的陆地（森林、农田和沙漠）生态系统以维持或增加碳的吸存量而言,是切实可行的。利用森林生态系统可吸存和保存全球大量的碳。农业生态系统和贫瘠的土地可用于保存现有的陆地碳,但这些系统中的植物对二氧化碳的吸存速率相对较低。可把森林生态系统和农田生态系统的生物量视为一种能源,而且林木可用于储存城市环境中的能量。通过开展一些生态系统的管理实践,进行碳吸存和保存可获得额外利益。     

气候变化对陆地生态系统第一性生产力的影响研究综述

气候变化对陆地生态系统第一性生产力(NPP)的影响是一个倍受关注的问题,目前从观测、实验和模拟等几个方面在不同层次上对这个问题进行了大量的研究。气候变化对生态系统NPP的影响取决于气候各因子及其组合变化的方向、生态系统与当前气候之间的关系,另外还要受养分及其它因子的影响。目前大量存在的NPP模型各有优缺点,模拟结果各异但有会聚的趋势。改进观测方法和理论、建立全球共享NPP数据库、进行大规模生态系统层次的实验研究和发展生态系统动态模型(DGVM)是未来一段时期研究的重点。     

气候变化对陆地生态系统第一性生产力的影响研究综述

气候变化对陆地生态系统第一性生产力（ＮＰＰ）的影响是一个倍受关注的问题,目前从观测、实验和模拟等向个方面在不同层次上对这个问题进行了大量的研究,气候变化对生态系统ＮＰＰ的影响取决于气候各因子及其组合变化的方向,生态系统与当前气候之间的关系,另外还要受养分及其它因子的影响,目前大量存在的ＮＰＰ模型各有段缺点,模拟结果各异但有会聚的趋势,改进观测方法和理论,建立全球共享ＮＰＰ数据库、进行大规模生态系统层次的实验研究和发展生态系统动态模型（ＤＧＶＭ）是未来一段时期研究的重点。     

气候变化对黄土碳库效应影响的敏感性研究

中国黄土分布广、厚度大,是古气候变化的良好记录载体,然而黄土在大气CO2循环中到底是源还是汇一直是困扰人们的一个问题.本文利用陆相生态系统中的生物地球化学模型,通过敏感性试验,模拟了土壤有机碳对气候变化的响应.结果表明:1)在各种稳定的气候条件下黄土的土壤有机质都是持续增加的,因此可以认为自然条件下黄土是大气CO2的一个汇;2)温度和降水对黄土中土壤有机质含量的影响正好相反,表明湿度是影响黄土地区生态环境的主要因素,温度和降水都是通过对湿度的影响来影响植被生态的;3)地表植被和土壤有机质是黄土碳库与大气CO2之间的重要媒介.黄土表层的生物地球化学过程是影响黄土碳汇效应的主要过程;4)黄土碳库的主要存在形式以次生碳酸盐为主,其次是土壤有机质,气态CO2只占很小比例.     

基于InVEST模型的辽宁省海岸带碳储量时空变化研究

陆地生态系统碳储量与全球气候变化密切相关,研究海岸带地区土地利用变化对生态系统服务碳储量的影响,对于区域生态系统保护及社会经济可持续发展具有重要意义.以辽宁省海岸带地区为例,分析了1995—2018年海岸带地区的土地利用变化特征,运用InVEST模型碳储量模块估算了1995—2018年区域生态系统的碳储量,结果表明:(...     

基于AVIM的中国陆地生态系统净初级生产力模拟

利用AVIM（植被与大气相互作用模式）模拟了现代中国陆地生态系统NPP的分布并计算了全国NPP的碳总量。研究结果表明我国现代陆地生态系统的年NPP变化范围在0~1 389 gC/m2之间,年平均值为355 gC/m2,年吸收3.33 Pg的大气碳。中国陆地植被NPP呈现自东向西逐渐减小的趋势,NPP的最大值出现在云南西双版纳地区,最小值分布于青藏高原以及新疆地区。中国现代陆地植被NPP主要分布于小于100 gC/(m2·a)、300~500 gC/(m2·a)以及500~700 gC/(m2·a)3个区间,其占总计算值的比例都超过了20%以上;大于1 000 gC/(m2·a)的NPP最少,只占总数的2.15%。对中国陆地植被NPP与气候的相关性分析表明,降水是影响我国陆地生态系统NPP的主要原因。     

积雪变化对地下生态系统影响的研究进展

在气候变化背景下,全球积雪厚度、积雪密度和雪水当量发生着一系列变化,并进一步影响陆地生态系统的水热状况、生物地球化学循环过程以及生态系统的结构与功能。本文综述了北半球积雪变化（雪深、积雪覆盖日数）的现状,积雪生态研究方法及其优缺点,积雪与生态系统相互作用,以及积雪变化对主要陆地生态系统类型（草地、灌丛和森林）地下过程（养分周转、土壤动物和微生物、根系生长）的影响及其机制。研究发现：（1）雪深在40～70 cm时对土壤的保温作用最显著;（2）积雪增加通过加速土壤碳氮循环过程引起碳氮损失,尤其显著发生在相对湿润的生境中,相对干旱的生境中变化不显著;（3）在草地生态系统中,土壤有效磷含量对积雪增加的响应程度受生态系统自身干湿条件调控,即湿润的生境有效磷增加,干旱的生境有效磷降低;（4）积雪增加促进了草地生态系统植物表层根系的生长,积雪减少对植物根系生长的影响程度取决于消极影响（根系损伤和死亡）和积极影响（土壤养分有效性增加）之间的动态平衡;（5）相对于草地生态系统和森林生态系统植物根系生长而言,灌丛生态系统植物根系生长对积雪变化的响应更稳定。本文还提出了现有研究中存在的不足和未来发展趋势。     

真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

近年来,全球变暖趋势越来越明显,大气CO2浓度不断升高被认为是引起全球气候变化的主要原因之一.大气CO2来源主要有海洋释放、土壤呼吸、化石燃料燃烧、动植物呼吸和植被破坏等;而大气CO2的归宿被认为主要有海洋吸收和植物光合作用等.全球陆地生态系统中的碳有2126 Pg.其中46%储存在森林中.土壤真菌占地下总微生物量的8...     

陆地生态系统水—碳耦合循环与过程管理研究

陆地生态系统的水循环与碳循环是地球表层系统物质循环与能量交换的核心，也是最基本的耦合的两个生态学过程。区域或全球尺度生态系统的水管理与碳管理是全球变化科学与可持续发展研究的两大主题，是人类维持全球生态系统的物质与能量循环、自然资源循环再生的重要生态学途径。我们在综合评述现代应用生态学研究的发展趋势，陆地生态系统水和碳循环与生态系统管理关系的基础上，提出了陆地生态系统水循环与碳循环过程管理的内容与思路，阐述了生态系统水和碳耦合循环机制与模拟综合研究的新设想。