陆地生态系统碳循环及其机理研究的地球信息科学方法初探

针对陆地生态系统碳汇/源的时空格局、碳循环过程的驱动机制及未来情景等前沿科学问题,提出陆地碳循环研究的地球信息科学方法,采用陆地生态系统碳通量/储量与碳循环过程的综合网络观测、生物过程的适应性实验研究以及河流碳输运过程研究为支撑系统的自下而上途径、与以土地利用/土地覆被变化和对地观测数据生态参量反演为基础的自上而下研究途径、经相互验证和尺度转换模型实现有机结合的研究方法,开展综合观测、调查、比对分析、模拟和评价研究,把握陆地生态系统碳循环的格局与过程规律,辨析自然和人为因素对陆地生态系统碳循环过程的影响,探讨全球气候变化条件下陆地生态系统碳循环过程的演变趋势。     

气候变化、火干扰与生态系统碳循环

 随着全球变暖的日益显著,气候变化及其影响越来越受到广泛关注。火干扰作为森林生态系统碳循环的一个重要组成部分,其干扰过程是对碳的再分配过程,因而对区域乃至全球的碳循环产生重要影响。气候变化、火干扰与生态系统碳循环三者之间存在因果循环关系,正确认识气候变化与火干扰的复杂关系及双向反馈作用,以及火干扰在生态系统碳循环中的作用,这对制定科学合理的火干扰管理策略,提高生态系统管理水平,减少碳排放,促进碳增汇,减缓全球变化速率均有重要意义。从两个方面阐述了气候变化、火干扰与生态系统碳循环之间的交互作用关系：气候变化与火干扰相互影响关系及双向反馈作用,分别从气候变化对火干扰的影响及火干扰对气候变化的影响两个方面阐述了两者之间的相互影响关系;火干扰与森林生态系统碳循环的交互作用,分别从火干扰对森林生态系统碳循环的影响及模型方法在模拟火干扰对森林生态系统碳循环影响中的应用两个方面论述火干扰对森林生态系统碳循环的影响及其定量评价模型方法。目前火干扰直接碳排放的模型方法比较完善,而间接影响碳循环的模型方法并不成熟,许多方法局限于定性描述,因此,应进一步探讨集成实地测量、遥感观测和模型模拟的跨尺度火干扰对碳循环的影响研究,注重尺度的转换问题。最后,提出了气候变暖背景下火干扰管理的路径选择,以及对今后的研究方向进行了展望。     

中国陆地生态系统的碳储量及其空间格局(英文)

地球系统的碳库变化和碳循环过程机制是气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策的科学基础,受到科技界和国际社会的广泛关注。从20世纪80年代中后期开始,中国学者就开展了陆地生态系统碳循环研究工作,并且在许多研究领域都取得了可喜的进展。本文在回顾中国的陆地生态系统碳循环研究发展历程基础上,重点评述陆地生态系统的碳储量及其空间格局方面的研究成果,评价有关研究的不确定性以及亟待解决的重要科学问题。分析表明,中国的陆地生态系统碳循环研究经过了陆地生态系统碳循环的前期研究、区域尺度生态系统碳循环综合研究、生态系统碳循环过程对环境变化适应性实验研究,以及生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理研究4个主要发展阶段。大多的研究表明,中国陆地生态系统碳储量及其空间格局是温度和降水控制的。全国土壤、森林和草地植被储存约为97.95 —118.93 Pg C;自20世纪70年代中期以来,我国的植树造林和林业管理、草地保护、农作制度改革和保护性耕作等措施发挥了重要的固碳功能,但是各种方法评估的结果仍然存在较大不确定性。今后的研究重点工作是建立天地空一体化碳储量和碳汇动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国区域生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

北京大学生物地理学与生态学的发展与成就

北京大学的生物地理学研究始于1953年成立的植物地理小组,1991年拓展为景观生态学教研室,21世纪初发展为生态学系。半个多世纪以来,依托地理学系（现城市与环境学院）,北京大学生物地理学与生态学研究团队极大地推动了植被结构、功能和动态研究,在干旱半干旱区、高山林线等关键地区的植物地理学研究方面取得了开创性的成果,在此基础上有力地推动了以景观生态学和城市生态学为代表的宏观生态学研究。近年来,围绕全球变化和生物多样性等全球关注的热点问题,北京大学生物地理学与生态学研究团队在气候变化及生态响应、碳循环、生物多样性、植物化学计量学等前沿方向开展了开创性的工作,并服务于气候变化的适应对策、生物多样性保护等国家战略。目前,北京大学生物地理学与生态学研究在软硬件建设方面都取得了长足的进步,建设了塞罕坝生态站等观测设施和全国树木生长、森林施肥实验、高山林线监测等平台,形成并延续了国家自然科学基金委“中国陆地植被的格局与功能”创新研究团队。未来将加强不同尺度生态学研究方法的整合,同时围绕区域生态退化开展生态修复的支撑研究。     

国际生态系统观测研究计划及启示

国际生态系统研究计划与全球可持续发展相结合,推动了区域和全球可持续发展相关生态系统科学知识的发现和应用。多尺度、多平台集成的生态系统观测研究网络有力地支撑了上述计划的实施,进而服务于管理决策,促进可持续发展目标的实现。本文阐述了国际生态系统相关研究计划和生态系统观测网络研究发展及其对中国生态系统观测研究网络的启示。全球生态系统相关研究计划的发展显示:面对复杂因素驱动的生态系统变化,生态系统研究需要发展多学科交叉、国际合作的研究平台,需要从单纯的生态系统过程机理的研究转向与全球可持续发展相结合。当前,国际生态系统观测研究网络的观测尺度从站点走向流域和区域,关注的对象从生态系统扩展到地表系统,逐渐将自然生态要素与社会经济相结合,深化了联网观测和联网研究;在观测手段上实现了地面观测和遥感多尺度观测的有机结合,日益注重数据共享和集成,促进了科学知识的产生。今后生态观测网络研究需要扩展观测和研究的时空尺度,深化和规范单要素联网观测和研究,有机结合地面观测和遥感观测,强化生物多样性相关监测与研究,发展耦合自然和社会经济的综合研究,拓展国内外合作研究,融入全球尺度的观测研究网络。     

偏远地区铅和汞的现代过程与历史记录研究综述

人类活动释放的重金属(尤其是铅和汞) 通过大气等介质的长距离传输,导致了全球环境的污染和损害,因而一直是环境科学研究的热点。为了认识重金属的污染程度、全球传输以及生物地球化学循环过程,急需在偏远的背景地区开展深入研究。本文概述了目前通过冰芯和湖泊沉积恢复重金属污染历史的研究成果,以及与背景地区大气重金属现代过程相关的研究进展,分析了存在的科学问题,探讨了青藏高原在开展该方面的研究、特别是综合集成研究上的独厚区域优势。而高原野外台站的建立(如纳木错多圈层综合观测研究站) 也为此类研究的实施提供了可靠的后勤保障。     

全球碳通量东滩野外观测站的建立

湿地作为地球上一种重要的生态系统类型,其碳循环过程与特征在全球陆地生态系统碳循环研究中具有相当重要的地位。崇明东滩湿地位于长江入海口,是陆地、海洋和淡水三大生态系统的交汇区,是具有国际重要意义的生态区,目前正遭受外来互花米草入侵和人类干扰的双重影响。2004年7月,复旦大学生物多样性与生态工程教育部重点实验室在崇明东滩建立了“全球碳通量东滩野外观测站”,这个野外观测站主要包括3座涡度通量塔和两条长期监测样带,并通过借助涡度协方差技术精确地测定生态系统能量、CO2和水汽通量,同时结合遥感、水文地质学和地面生物物理学调查,研究河口/海滨湿地生态系统结构、生物物理学过程及其他因子对二氧化碳通量的影响。本文的目的是介绍在东滩建站的根据、采用的技术以及将要开展的研究工作。     

关于地理学科"十五"重点项目的思考

国家自然科学基金地理学科在"十五"期间拟确立6个优先资助领域:全球变化的区域响应;地球表层系统的地理过程和环境效应;水、土资源形成的理论及其合理利用;环境演变、灾害形成与污染防治;区域可持续发展;对地观测技术、遥感理论和探测机理及空间数据分析建模.并侧重在多空间尺度生物地球化学循环;土壤(土地)质量变化;多尺度陆地水循环;冰冻圈动态变化研究;城市化、区域理论与方法研究;对地观测技术、遥感理论与探测机理研究等方面集中设立重点项目.     

土地变化的生态效应研究方法

土地变化研究是全球土地计划(GLP)的重要组成部分,并逐渐演化成新的研究领域——土地变化科学(LCS)。土地变化对陆地生态系统造成了深远影响,其生态效应研究在全球和区域尺度上广泛开展。该文对土地变化的大气、水文、土壤、生物单要素效应及区域综合生态效应的主要研究方法和技术手段进行总结。结果表明,在观测和试验基础上,抽象出数理模型对土地变化的生态效应进行模拟以及定量评价是主要研究方法;借助于多时空尺度模型,土地变化的大气、水文效应研究已经相当深入,但区域综合生态效应的研究还比较薄弱,主要以影响评价为主;建立多元素耦合、多尺度集成的机理模型和综合定量评价是今后发展的重要方向。     

国家重点研发项目:中国陆地生态系统生态质量综合监测技术与规范研究（英文）

生态质量是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,具体表现为生态系统的状况、生产能力、结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。生态系统的质量是我国生态文明建设和生态环境监测的重要内容,多时空尺度观测技术的发展为生态系统质量监测与评价提供了新机遇,但同时也对国家尺度生态要素、生物多样性和生态功能的观测标准与技术规范提出了新的要求。本国家重点研发项目自2017年7月立项以来,围绕国家尺度生态质量监测技术与规范,开展了生态系统网络观测技术规范、台站生态要素监测、区域生物多样性和区域生态功能监测技术与规范的研究,在典型农林草湿地生态系统开展应用示范。项目在生态质量综合监测指标体系构建、生态系统研究网络观测技术、区域生物多样性和区域生态功能监测、基于无人机和机器学习的荒漠植被监测等方面取得了重要进展,促进了生态质量监测技术的发展。我们组织本专辑从不同视野集中系统介绍本项目已取得的生态质量监测技术和评价方法,以期促进生态学及其观测技术的发展。     

西南喀斯特石漠化过程中土壤有机质组分及其影响因素

通过采集我国西南喀斯特地区不同石漠化阶段典型土壤样品,研究了土壤有机质组分及其影响因素.结果表明:(1)喀斯特地区土壤有机质各组分含量中胡敏素>富里酸>胡敏酸,HA/FA一般<0.4,为富里酸土壤,与同水平地带土壤一致.(2)石漠化过程对喀斯特地区土壤中有机质组成有明显的影响,土壤中胡敏素、富里酸与胡敏酸表现出未石漠化＞潜在石漠化＞轻度石漠化＞中度石漠化的趋势.(3)喀斯特地区土壤有机质组分空间分布有较大差异,剖面层次上各有机质组分胡敏素、富里酸与胡敏酸均表现出表土层>底土层,山区不同部位上表现以山坡中下部有机质含量最高,而以山顶最低,且FA/HA表现出从山顶到山脚有明显增加的趋势.(4)喀斯特地区土壤土壤有机碳、酸碱度、碳酸钙、容重、非晶形氧化铝、颗粒组成、有效磷与土壤有机碳组分间表现出显著或极显著的相关性,土壤有机碳和质地是影响土壤有机碳组分含量的主要因素.     

我国西南岩溶流域概念性分布式 水文模型的构建及应用

以贵州省三岔河流域为研究区,构建了一个以表层岩溶带产流过程为核心的岩溶流域概念性分布式水文模型。模型充分考虑了岩溶地区下垫面条件的复杂性,根据含水介质的不同,将岩溶水分为不同径流成分并分别汇流演算。模型中的大部分参数通过野外实验直接获得,通过对研究区1991―2012年共22 a逐日过程进行模拟演算,结果表明：该模型在三岔河流域有良好的适用性,径流深及洪峰误差均控制较好。     

锥峰和塔峰溶丘地貌的表层喀斯特带径流溶蚀形成机制

塔峰、锥峰和常态山是西南喀斯特地区的三种主要丘陵形态.表层喀斯特带径流溶蚀动力学机制可以较好的解释喀斯特坡地发育.表层喀斯特带的顺坡径流量大的喀斯特地区,坡地溶蚀速率高,易于塔峰和锥峰地貌的形成,反之,易于常态山地貌的形成.降水、岩层组构等环境要素控制了表层喀斯特带的顺坡径流量.西南喀斯特地区的这三种溶丘的空间分布和这些环境要素的区域差异有关.滇东高原、贵州高原和广西丘陵平原的岩性和大地构造条件差异不大,气候是这三地溶丘地貌形态差异的主要原因:滇东高原为西南季风气候区,降水量较低,表层喀斯特带顺坡径流量小,溶丘地貌以常态山为主;其余两地为东亚季风气候区,降水量较高,表层喀斯特带顺坡径流量大,溶丘地貌以锥峰和塔峰为主,其中,广西丘陵平原的降水量大于贵州高原,前者溶丘地貌以塔峰为主,后者以锥峰为主.     

The Implementation Effects of a Nationwide Sloping Farmland Soil Erosion Control Project in China

To understand implementation of a nationwide sloping farmland soil erosion comprehensive control project during China’s 12^th Five-Year Plan we used data collection and expert consultation. We selected 24 indexes across three aspects including project management, engineering construction and implementation benefit and used AHP-grey correlation analysis methods. We found that the scores for engineering construction were greater than 0.65 in most of the provinces, autonomous regions and municipalities. These scores are high and scores for project management and implementation benefit are between 0.45-0.65; however, overall scores are low. The comprehensive evaluation results are normally distributed. The composite scores for Sichuan, Yunnan and Guizhou are 0.71, 0.68 and 0.68 respectively, indicating that the implementation effects are good. The scores for Jilin and Liaoning are 0.38 and 0.42 respectively, indicating that the implementation effects need improvement. Scores for other provinces are between 0.45-0.65 and the effects are medium. The evaluation results show certain zonal rules spatially and the implementation effect in karst regions of Southwest China is the highest, followed by the purple soil region in Southwest China, Loess Plateau region of Northwest China, earth-rock mountain region of North China and red soil hilly region of South China. The implementation effect in the black soil region of Northeast China suggests that improvement is needed in this region.     

黔西南脆弱喀斯特生态环境空间格局分析

西南喀斯特地区是我国四大生态脆弱带之一。黔西南具有典型的喀斯特生态环境,是西部大开发中生态环境的重点治理区。长期以来,由于人类不合理的开发利用使得喀斯特地区出现了严重的土地石漠化、土壤侵蚀以及森林生态系统退化等生态问题,制约着地区生态-经济的持续发展。本文根据已有的研究成果,在GIS技术的支持下,分析了研究区内主要生态退化问题的现状和空间格局及其影响因素,运用空间叠加分析功能,构建了生态脆弱度指标,并将研究区分为四个亚区,为生态环境治理提供科学依据。     

基于RBFN模型的贵州省石漠化危险度评价

西南喀斯特山区石漠化已成为当地发展的重大障碍,国内诸多学者对此做了大量研究工作。本文在前人研究成果的基础上,选取影响喀斯特石漠化演化的相关指标,运用GIS技术提取各指标数据,建立RBFN模型 (Radial Basis Function Network,径向基函数网络模型),根据不同石漠化危险程度标准,选取12个市县相关数据进行训练,确定网络模型参数,进而对贵州省82个市、县 (自治州) 的喀斯特石漠化危险度进行了评价,结果显示：贵州省西南部的西南-东北沿线为喀斯特石漠化发生的极强危险区、整个西南部为强危险区,北部地区为中度危险区,而东南部地区为轻度危险区,并利用他人研究成果进行了对比验证,发现结果较为理想。     

中国喀斯特关键带岩石风化碳汇评估及其生态服务功能

喀斯特地区的岩石风化固碳被认为是全球遗漏碳汇之一,中国喀斯特地区的分布面积达344万km²,目前对其岩溶碳汇缺乏精确、系统的评估,对碳汇产生的机制仍存在争议。本文通过对喀斯特地区碳汇研究的回顾,详细介绍了适用于喀斯特地区固碳速率的估算方法,并对喀斯特地区的岩石风化碳汇进行再评估,然后将地球关键带科学概念引入喀斯特生态系统,阐述喀斯特关键带碳汇研究对生态系统服务和功能的意义。研究结果表明,中国喀斯特地区每年因岩溶作用产生的碳汇为4.74 Tg C yr^-1,未来中国需要加强岩石—土壤—水体—生物—大气复杂交互系统的基础数据收集,以明确各界面碳通量,对喀斯特关键带碳汇进行多尺度、多方法、全方位联合评估,在改善喀斯特生态系统功能、科学管理区域和国家碳收支及全球变化研究等方面为政府和学者提供参考。     

Carbon sequestration potential and its eco-service function in the karst area,China

The karst critical zone is an essential component of the carbon (C) pool, constituting the global C cycle. It is referred to as one of the “residual land sink” that remains largely indeterminate. Karst area (2.2×10⁷ km²) comprises 15% of the world’s land area, and karst area comprises 3.44×10⁶ km² of area in China. Due to the complexity of karst structure and its considerable heterogeneity, C sequestration rate estimations contain large inaccuracies, especially in relation to the different methods used in calculations. Therefore, we reevaluated rock weathering-related C sink estimations in China (approximately 4.74 Tg C yr^–1), which we calibrated from previous studies. Additionally, we stipulated that more comprehensive research on rock-soil-biology-atmosphere continuum C migration is essential to better understand C conversion mechanisms based on uncertainty analyses of C sink estimations. Moreover, we stressed that a collective confirmation of chemical methods and simulated models through a combined research effort could at least partially eliminate such uncertainty. Furthermore, integrated C cycling research need a long-term observation of the carbon flux of multi-interfaces. The enhanced capacity of ecosystem C and soil C pools remains an effective way of increasing C sink. Karst ecosystem health and security is crucial to human social development, accordingly, it is critical that we understand thresholds or potential C sink capacities in karst critical zones now and in the future.     

西南岩溶山区生态危机与反贫困的可持续发展文化反思

西南岩溶山区生态环境退化严重、贫困人口集中。文章探讨民族传统文化观念在岩溶山区经济活动中的作用,力图寻找岩溶山区生态恶化和贫困的深层次原因,指出岩溶山区存在的山地文化封闭性和典型的贫困文化特性及不合理的现代性转换导致区域生态恶化和可持续发展的滞后。岩溶山区应通过生态恢复模式示范建设、开展参与式社区资源管理、改善居民聚居点环境来实现文化创新和文化整合,实现传统性与现代性的深层次互动与接纳,拓宽现代性生长的内在精神空间,变外源性的“输血”机制为内源性的“造血”机制,从而使岩溶山区实现可持续发展。