全球变化下的山地表生环境过程:认知与挑战——中国科学院贡嘎山高山生态系统观测试验站建站30周年回顾与展望

立足山地表生环境长期定位观测,明确山地表生环境变化过程与机理、掌握山地生态系统响应变化环境的演化规律、探索应对全球变化的山区经济社会发展模式,维系着国家发展战略目标的实现。从高山典型生态系统对气候变化的响应与适应、变化环境下高山植被原生演替过程与模拟、高山生态系统生物地球化学循环、海洋性冰川动态与山地气候变化以及山地资源开发利用与保护等方面,系统总结了贡嘎山高山生态观测试验站过去30年取得的重要科学进展,归纳了在山地表生环境过程理论与实践方面取得创新突破。围绕贡嘎山站在山地生态和环境变化观测试验体系建设中存在的不足,以及面临的重要前沿科学领域的挑战和国家发展需求,提出了未来进一步发展的5个重要方向:构建和发展综合观测网络、深化高山生态系统垂直带谱分异与重建机制的研究、拓展高低纬度典型山地生态系统变化的比较研究、发展山地生态过程模型以及探索山区生态经济可持续发展模式。     

结构—功能—生境框架下的西南喀斯特生态系统脆弱性研究进展

特殊的地质背景与生态环境叠加强烈的人类活动,导致中国西南喀斯特地区生态系统呈现显著的脆弱性特征。从生态系统敏感性和适应性角度出发,喀斯特生态系统结构、功能和生境对外界扰动响应的脆弱性特征研究已取得一定进展,尤其是借助物种多样性、生态系统生产力、土壤水分/养分等指标揭示了喀斯特生态系统对土地利用/覆被变化、石漠化等过程的敏感性等方面,但综合野外试验、数值模拟、数理统计等手段的生态系统敏感性定量化研究仍较薄弱。在生态系统适应性方面,虽然具有喜钙、耐旱以及石生等特性的植物种群通过形态结构和生理功能的自我调节能够呈现出对岩溶环境的适应性,但喀斯特生态系统对人类干扰和气候变化等环境胁迫响应的适应机制仍缺乏长期的生物及理化过程研究。今后,应针对生态系统结构、功能、生境间的正反馈机制,增强系统组分的耦合分析,加强喀斯特生态系统脆弱性驱动机制研究与定量评估,突出系统脆弱性在石漠化遏制和生态恢复重建中的关键地位。     

中国气候变化的植物信号和生态证据

全球平均气温上升、降水格局变化、极端天气事件发生的频率和强度增大等气候变化现象已经对陆地生态系统产生了影响,物种、群落和生态系统响应于气候变化而发生的改变,可以作为气候变化的间接生物学和生态学证据,对未来气候变化的影响评价有重要的价值,尤其是对减缓和适应全球气候变化的"地球系统科学"研究以及可持续生态系统管理与发展对策的制订,具有重要的意义。在国际气候变化的生物学证据研究的大背景下,总结了中国陆地生态系统响应过去气候变化的植物学信号和生态学证据:(1)物种水平:气候变暖导致中国33°N以北大部分地区植物春季物候期包括萌芽、展叶、开花期等显著提前,植被生长季延长;(2)群落水平:群落物种组成和分布发生改变,主要表现在长白山等高山群落交错带物种组成和林线位置的变化以及青藏高原高寒草甸的退化;(3)生态系统水平:全国总体植被盖度增加,植被活动加强,生产力增加;北方和西部地区农业植被的耕作制度、种植结构、耕种面积和产量发生变化,东北地区水稻种植面积和产量增加,但全国大部分地区农作物产量和温度呈负相关,这将威胁到未来的粮食安全。     

模拟增温对生态系统碳循环影响研究进展

气候变暖影响着生态系统碳循环,碳循环的变化反馈于气候变化。这两者的相互作用影响着未来气候变化的方向和强度。野外增温试验有助于了解生态系统碳循环对气候变化的响应及其机制,因此成为近年来的研究热点。生态系统所处的地理位置及相应的气候背景影响着碳循环对增温的响应。增温后不同生态系统的碳释放和碳固定均可表现为增加、减小或者无显著变化,因而生态系统净碳收支对气候变化响应多样。增温后土壤氮矿化速率、物候、生态系统物种组成和结构的变化间接影响着生态系统净碳收支。多年冻土区储存了大量的土壤有机碳,冻土融化后冻土有机碳分解将释放大量的CO₂到大气中,正反馈于气候变暖,因而是目前野外增温试验对碳循环影响研究的焦点。     

杨柳科植物随环境变化的性别响应差异

杨柳科(Salicaceae)植物多为雌雄异株植物,在维持陆地生态系统的结构与功能方面具有重要作用。杨柳科植物不同性别植株间具有不同的生长特征及繁殖策略,对环境因子变化也具有不同的响应机制。本文主要探讨了紫外线(UV-B)辐射、温度和降水等山地环境因子的变化对雌雄异株植物的影响。杨属雄株植物从形态特征、生理特征及分子机制等层面体现出对环境变化较强的耐受能力,而柳属植物性别间差异研究大多局限于形态生理变化等方面,过量的UV-B辐射对雌雄柳属植物未产生性别特异性影响,增温则对柳属雌株的生长具有一定的促进作用。杨柳科植物对环境变化的差异响应在一定程度上对其性别比例变化产生影响,从而改变种群结构及动态特征。未来杨柳科雌雄植物对环境变化的适应机理仍需要进一步探索,为揭示陆地生态系统结构和功能稳定性对环境变化的响应机制提供依据。     

新疆生地所在中亚伊塞克湖水位变化研究取得进展

正山地湖泊普遍处于高山或高原的低洼盆地,具有稳定的冰川融水和降水补给,因此对气候变化的响应更敏感,在自然状态下,能较为真实的反映区域气候变化的状况,该系统受人类活动影响相对较小,是开展全球变化区域响应的理想地区。伊塞克湖在气候变化和人类活动的双重影响下湖水位持续下降,面积收缩,对区域生态环境造成很大的影响,依据历史监测数据,伊塞克湖湖泊水位表现     

全球气候变化背景下生态系统的脆弱性评价

未来100年气候变暖速度将比上一世纪提高2－10倍,势必对生态系统的格局、过程和服务功能产生巨大影响,威胁生态系统和社会经济的持续发展。因此评价全球气候变化背景下生态系统脆弱性是当前全球变化和生态系统研究的主要内容。由于气候变化以及生态系统对其响应和适应的复杂性,生态系统脆弱性评价进展缓慢。本文在阐明生态系统脆弱性概念的基础上,综述了近年来国内外关于气候变化对生态系统影响及其脆弱性评价研究的现状、方法,归纳和介绍了脆弱性评价研究的三种主要方法——模型模拟研究、指标评价研究以及类比研究,指出气候变化的脆弱性评价研究中存在的问题、不足以及今后的发展方向。     

贡嘎山高山林线动态与生理形成机制

作为典型的生态交错带,高山林线因其特殊的结构、功能及对气候变化的高度敏感性,已成为全球气候变化研究的热点之一。本文分析了贡嘎山高山林线动态,林线峨眉冷杉径向生长与气候变化的关系;基于贡嘎山地区现有的峨眉冷杉、川西云杉、川滇高山栎3个林线树种非结构碳水化合物(NSC)测定,探讨了贡嘎山高山林线形成生理机制,贡嘎山地区林线树木可能遭受冬季碳限制,"碳源与碳汇"的平衡关系影响高山林线的位置与分布,生长在高山恶劣环境条件下林线树种的发育和幸存,不仅依赖于最小需求的NSC浓度,而且要求冬季高于3的可溶性糖:淀粉比率,以成功越冬和维持其正碳平衡;指出了今后应重点关注气候变化背景下区域尺度高山林线动态长期观测与模拟、高山林线树木对极端环境的生理生态适应机制、高山林线森林植被碳源-汇关系的长期监测等研究。     

贡嘎山山地暗针叶林森林生态系统水循环及其空间分异规律

在全球气候变化下背景下,山区水循环加剧、水文过程和水资源变化更加复杂,客观认识变化环境下山区流域的水循环规律及其与气候、植被、土壤的相互作用机理,是全球变化及人类社会可持续发展共同面临的核心问题。本文从森林空间异质性结构对生态系统蒸散发、土壤水分、水量平衡和水碳关系的影响研究,结合国内外研究进展,系统阐述了贡嘎山高山生态系统观测试验站目前的研究工作和取得的研究结果。此外,针对复杂山地条件下生态系统水循环研究,提出了未来山地水文学重要的研究方向:系统开展土壤-植被-大气连续体(SPAC)系统下各连续体介质相关研究工作;开展生态水文过程多尺度综合研究;开展能够准确模拟山地水文过程的模型模拟工作。     

湿地景观变化过程与累积环境效应研究进展

湿地在流域中处于水陆交错的特殊过渡区域,是地表重要的景观覆盖类型和生态系统。湿地具有独特的水文、土壤和植被特征,在维护区域/流域生态平衡和环境稳定方面发挥巨大作用。湿地景观变化过程主要表现为景观格局和过程在时间和空间尺度上的相互作用过程。该过程对系统的能量流动、物质循环以及物种迁移产生作用,对地理环境也产生巨大环境效应。湿地景观变化与土地利用/覆盖变化紧密相关,与人类活动影响息息相联。至今,人类已把天然的湿地景观格局改变为受人类支配的土地利用格局。自然湿地景观格局的变化过程对湿地生态系统以及其他系统的生物多样性、初级生产力产生显著影响,对局地、区域及全球气候环境、水文环境、生物多样性等方面产生显著而深刻的影响。湿地景观变化是全球变化研究的重要内容,尤其对认识全球气候变化、土地利用/覆盖变化和生物多样性变化的区域响应具有重大意义。     

湖泊水文情势变化及其生态响应概述

湖泊水文情势(幅度、频率和持续时间)是湖泊生态系统的主要影响因素之一,理解湖泊水位变化的生态响应机制对制定有效的生态水位调控策略具有重要意义。从湖泊水位变化的时间尺度,水位变化对湖泊物理环境的影响,以及水位变化对湖泊大型植物、底栖藻类、大型底栖动物、鱼类和鸟类的影响等方面论述湖泊水位变化的生态后果,为实现湖泊水位的生态调控提供参考。     

高山树线交错带的景观格局与生态过程

由于对气候变化的敏感性, 近年来高山树线交错带成为全球变化研究中的热点问题。高 山树线交错带所指示的是一个复杂生态系统的特征, 反映出了由低处植被向高山植被的转化, 其 景观格局是综合了种子定居, 树木生长以及树木繁殖等多个树木生态过程和特定高山环境下的 地理特征格局的适应结果。一方面, 树木通过自身生理生态学上的调整对高山极端环境进行适 应。一方面, 高山特定地理环境特征对树线的景观格局进行影响, 因而高山树线交错带成为研究 景观格局- 生态过程相互关系的一个重要载体。通过运用3S 技术, 可以将高山树线交错带研究中 的树线景观结构和生理生态过程结合在一起, 并验证在其景观格局形成过程中地理特征和人为 因子的相对重要性。     

沉积物记录的亚高山湖泊环境变化——以鄂东南云中湖为例

根据云中湖27 cm长沉积岩芯进行元素、粒度和硅藻多指标分析以及²¹⁰Pb测年,结合流域气候和人类活动等历史资料,反演1958年以来云中湖在气候变化和人类活动影响下的环境变化。冗余分析结果显示云中湖沉积硅藻组合变化与Al、Fe、Pb和温度四个变量显著相关。硅藻属种聚类分析的结果表明云中湖环境变化经历了两个阶段：1958-1993年间喜碱性水体的Achnanthes minutissima和Fragilaria nanana属种大量出现与较高CIA指数响应于气候调控下的流域侵蚀过程;1993年以来气候变暖与旅游发展引起入湖营养盐增加是Cyclotella pseudostelligera和Aulacoseira alpigena等中—富营养硅藻种增殖的主要诱因。重建亚高山湖泊在气候变化以及人类活动影响下湖泊生态系统的演化,为保护亚高山湖泊生态环境和改善流域水质提供参考。     

隐花植物对UV-B辐射响应和适应机制的研究进展

 隐花植物是指不产生种子的植物,是我国干旱、半干旱地区主要表面特征——生物土壤结皮的组成成分,并在其中扮演着独特而重要的生态作用。隐花植物对环境因子变化的响应和适应能力大小对整个生态系统稳定性具有重要影响。因此,有关增强UV-B辐射对隐花植物影响的研究已成为目前UV-B辐射研究领域的发展趋势和热点之一。通过系统地综述国内外有关隐花植物对UV-B辐射响应和适应机制研究方面的进展,分析了研究趋势,讨论了目前该领域研究的一些不足并对未来发展提出了展望,以期促进隐花植物的研究,加深对我国干旱、半干旱区隐花植物在应对UV-B辐射增强的响应和适应机制的认识。     

青藏高原生态学研究的回顾与展望（英文）

青藏高原是地球的"第三极",是全球海拔最高的生物地理单元。由于其高、寒、旱的生物环境特征,高寒生态系统对气候变化和人类活动非常敏感,为全球变化研究提供了天然的实验室,一直受到国内外专家重视,是生态学和全球变化研究的热点区域。青藏高原生态学研究经历了从朴素认识到机理研究的理论升华,从生物地理格局的科学考察到生态学机理定位研究的范式转变,从个体、群落到生态系统及多学科综合研究的尺度延伸,以及从理论研究到支撑资源有效利用与可持续发展的发展轨迹。今后青藏高原生态系统研究将更加聚焦于量化辨识气候变暖和人类活动对生态系统的影响,以及高原生态系统对气候变化的反馈作用研究。加强与自然地理、环境科学和遥感技术多学科、多技术、模型融合的交叉与集成研究,服务于气候变化的适应及生态-社会系统的可持续发展。     

水沙过程变异下洞庭湖系统功能的连锁响应

从作用于洞庭湖系统功能的水沙过程人手,探讨水沙过程变异下湖泊系统功能的连锁响应认为:①洞庭湖是一个由其形态系统功能、生态系统功能和服务系统功能共同维系的巨系统;②水沙条件变化导致湖盆结构变形、湖面湖容缩小、生物多样性不稳定、航运里程缩短、水环境净化能力减弱、东方田鼠与钉螺极度膨胀、鱼类捕捞产量和水资源量减少等响应现象;...     

生态系统科学研究与生态系统管理

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统学科以生态系统生态学研究为核心,通过研制生态系统观测和模拟分析的技术和方法,探索解决区域性/大尺度生态学问题的理论和方法,监测生态系统变化,认知生态系统变化规律,推动生态系统生态学、生物地理生态学、全球变化生态学和生态信息科学技术的发展,创新生态系统管理模式,服务于国家和地方的生态建设、应对全球变化及区域可持续发展。面向国家重大需求,在中国华北平原农业区、南方红壤丘陵林业区、青藏高原农牧区以及黄土高原区等典型区域开展生态系统管理技术与模式的集成与创新研究,着力解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题,推动区域生态系统管理领域的科技进步。围绕生态系统生态学学科前沿,着重在① 生态系统联网观测、模拟与信息管理,② 生态系统结构、过程与功能,③ 生态系统空间格局与机制,④ 生态系统对全球变化的响应与适应,⑤ 生态系统管理与生态系统服务等五大主要研究方向,系统开展生态系统生态学前沿理论和实践的创新研究,研究成果处于国内和国际生态学研究的科学前沿。     

气候变化下湿地生态系统碳、氮循环研究进展

湿地是陆地生态系统重要的碳库和氮库,气候变化显著影响了湿地中的植物和土壤微生物,改变了湿地生态系统的碳、氮循环过程,而且日趋增强的人类活动更加剧了这种变化。综述了湿地中地上和地下生物过程、地上与地下生物过程交互作用对气候变化的响应及其对土壤碳、氮循环的影响、气候变化与人类活动叠加对湿地植物和土壤营养物质可利用性的交互影响,指出了相关研究中存在的不足,展望了未来相关研究的趋势。     

气候变化和人类活动对南方红壤丘陵区森林生态系统影响模拟研究——以江西泰和县为例

在全球气候变化和人类活动的影响下,森林生态系统结构、功能以及空间格局都将发生不同程度的变化。明晰景观尺度上未来森林的动态变化,对森林可持续发展具有重要意义。选择江西省泰和县为研究区,综合利用土地利用模型（CA-Markov）和森林景观动态模型（LANDIS-II）,并结合生态系统过程模型（PnET-II）,模拟气候变化、土地利用、采伐以及综合情景下未来40年（2010-2050年）阔叶林、针叶林的面积及生物量变化。结果表明：① 气候变化对森林面积影响较小,采伐使森林面积显著减少,土地利用变化使森林面积的变化更加剧烈;② 针叶林和阔叶林对不同干扰方式的响应表现出较强差异,针叶林对采伐的响应更加剧烈;③ 多模型综合模拟方法有助于区域森林管理,为南方红壤丘陵区森林结构优化和功能提升提供科学建议。     

国外湿地生态系统碳循环研究进展

在全球变化背景下,面对湿地生态系统是否能维持其碳汇功能等问题,在以下几方面进行了讨论:当前湿地生态系统碳源与碳汇评估中存在的问题;湿地碳源与碳汇功能时空格局变异最新研究进展;影响湿地甲烷排放的因素;湿地碳循环过程对全球变暖的响应模式;湿地生态系统碳循环模拟。认为当前对湿地生态系统碳循环认识的局限性,是导致碳循环成为全球变暖互馈机制中不确定性的主要原因之一。针对中国当前湿地生态系统碳循环研究的特点,提出了中国未来湿地生态系统碳循环研究的焦点问题,即如何在气候变化及人类活动双重影响下,维持中国湿地生态系统现有碳储存库的功能,以及如何提高已退化湿地的固碳功能及潜力。