大气水汽同位素组成的短期变异特征

Stable isotopes of atmospheric water vapor reveal rich information on water movement and phase changes in the atmosphere. Here we presented two nearly continuous time-series of δD and δ18O of atmospheric water vapor (δv) measured at hourly intervals in surface air in Beijing and above a winter wheat canopy in Shijiazhuang using in-situ meas-urement technique. During the precipitation events, the δv values in both Beijing and Shiji-azhuang were in the state of equilibrium with precipitation water, revealing the influence of precipitation processes. However, the δv departures from the equilibrium state were positively correlated with local relative humidity. Note that the δv tended to enrich in Beijing, but deplete in Shijiazhuang during the precipitation events, which mainly resulted from the influence of transpiration processes that enriched the δv in Shijiazhuang. On seasonal time-scale, the δv values were log-linear functions of water vapor mixing ratios in both Beijing and Shijiazhuang. The water vapor mixing ratio was an excellent predictor of the δv by the Rayleigh distillation mechanisms, indicating that air mass advection could also play an important role in deter-mining the δv. On a diurnal time-scale, the δv reached the minimum in the early afternoon hours in Beijing which was closely related to the atmospheric processes of boundary layer entrainment. During the peak of growing season of winter wheat, however, the δv reached the minimum in the early morning, and increased gradually through the daytime, and reached the maximum in the late afternoon, which was responsible by the interaction between boundary layer entrainment and the local atmospheric processes, such as transpiration and dew for-mation. This study has the implications for the important role of vegetation in determining the surface δv and highlights the need to conduct δv measurement on short-term (e.g. diurnal) time scales.     

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。     

生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中作用初探

生态化学计量学(Ecological stoichiometry)是利用元素比率来研究生态过程和生态作用的学科,它通过化学计量关系将从分子至生态系统的各个层次有机联系起来,已成为联系微观与宏观生态学研究的有力工具。生态化学计量学的两个非常重要的假设是内稳性假说(Homeostatic hypothesis)和生长率假说(Growth rate hypothesis),已在不同的研究层次上得到了验证或应用。前者是指在生活环境(或资源)的化学元素组成发生变化的情况下,生物体具有的保持自身化学元素组成相对稳定的能力;后者是指生物体的C∶N∶P比率对其生长速率具有较强的调控作用,通常生长速率较高的组分会具有高的N∶C和P∶C比以及较低的N∶P比值。经过近20年的发展,生态化学计量学的研究已从化学计量内稳性较高的水生生态系统扩展到化学计量特征变化范围较大的陆地生态系统,研究对象已涉及酶、微生物、动物、植物、食物链和食物网等多个层次,并逐渐被应用于解决或预测区域甚至全球的生态环境问题。生态系统不同组分的C∶N∶P计量关系的内稳性以及其生长率与异速分配相适应的调节机理,是维持生态系统结构和功能的重要机制之一。然而,目前学术界还未对生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中的作用给予关注,更缺乏相关的理论研究和系统性的论述。本文回顾了生态化学计量学研究的发展历程及其在不同领域的进展与应用;在此基础上,探讨了生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中的潜在作用,并展望了生态化学计量学与生态系统碳-氮-水耦合循环理论整合研究的理论基础和重点发展方向,期望能推动相关研究领域的快速发展。     

生态学代谢理论在生态系统碳循环研究中的应用

生态系统的碳循环过程和机制是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。生态学代谢理论在个体水平的建立以及在微观生命系统和宏观生态系统的发展,为我们研究生态系统物质循环提供了新方法和新思路。本文回顾了生态学代谢理论的发展过程、理论形成,及其在生态学不同尺度研究中的应用进展;并在此基础上,着重探讨了代谢理论在海洋和陆地生态系统碳循环中的发展和应用;展望了代谢理论在全球生物地球化学循环中的应用前景。期望对这一问题的理论探讨能够对生态系统物质循环研究领域基础理论的发展起到推动作用。     

塔里木盆地西南缘表土碳同位素组成特征分析

土壤碳同位素可以反映生长植被的同位素组成,从而进一步反映当时的植被类型以及气候环境状况。已有的研究显示,不同地区碳同位素与气候因子的关系存在显著差异,因此在不同区域开展土壤碳同位素与气候因子之间相关性关系分析对古气候的重建至关重要。通过采集塔里木盆地西缘帕米尔地区和盆地南缘和田地区策勒县的表土沉积物,分析测定后获得其有机碳同位素,并将该表土有机碳同位素数据与气候因子进行相关性分析,以探明研究区有机碳同位素组成特征及其潜在的气候意义。结果表明：帕米尔地区和策勒地区的表土碳同位素变化对气候因子的响应存在明显差异。气温方面,帕米尔地区与气温呈正相关,其中与冷季气温相关性最好（r=0.598,P<0.01）;策勒地区与气温呈负相关,其中与暖季气温相关性最好（r=-0.684,P<0.01）。降水方面,帕米尔地区与降水量的相关性不显著;策勒地区与年均降水量呈弱负相关,与暖季降水量呈弱正相关,与冷季降水量呈显著的负相关关系（r=-0.632,P<0.01）。上述分析表明基于沉积物有机碳同位素来重建古气候时应充分考虑区域差异的影响。     

泥炭记录的帕米尔高原晚全新世温度变化研究

近年来,“全新世温度谜题”已经受到全球古气候学者的广泛关注,为了解决这一谜题,需要在全球不同区域进行更多的全新世温度重建。帕米尔高原位于亚洲内陆核心区域,目前有关帕米尔高原全新世气候变化的研究相对较少,且已有的研究主要集中于相对湿度(或降水)变化的研究,而涉及温度变化的成果则相对较少。论文首先研究了表土碳同位素与气候因子之间的相关关系,结果显示帕米尔高原的δ¹³C_org与温度正相关;进一步在7个AMS ¹⁴C测年数据的支持之下,基于175个泥炭δ¹³C_α-cellulose分析,重建了帕米尔高原过去约5000 a的温度变化历史。结果发现：帕米尔高原晚全新世以来整体呈现波动升温趋势,约5000~3600 cal a BP阶段处于缓慢降温期;约3600~200 cal a BP处于波动升温期;驱动机制分析显示,约3600 cal a BP之前温度下降主要是夏季太阳辐射下降导致的,约3600 cal a BP之后温度上升是由温室气体辐射强迫增强导致的。     

中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science系统构建

全球/区域生态系统碳循环研究具有多台站联网观测、多源异构数据、多模型综合分析、跨领域科学家协同工作等特点。以中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为基础平台,论述建立碳循环科研信息化环境(e-Carbon Science)的迫切性,系统阐述e-Carbon Science的目标、组成、关键技术及研究进展,构建了由"四环境(碳循环数据集成与服务环境、模型模拟环境、可视化分析环境、科研协同工作环境)、三系统(站点、区域、全国尺度陆地生态系统碳收支评估应用系统)"组成的ChinaFLUX e-Carbon Science,形成ChinaFLUX通量数据采集—传输—存储—管理—处理—可视化—共享服务的一体化系统,实现不同尺度的碳收支快速评估与模拟,支撑并促进我国陆地生态系统碳循环研究和生态信息学发展,对我国野外台站网络信息化起到引领和示范作用。     

基于OGC WPS的碳循环模型服务平台的设计与实现

 碳循环模型是模拟陆地生态系统,估计和预测不同尺度碳收支格局和变率的重要手段。但传统碳循环模型应用中存在数据处理量大、运算复杂、互操作性差、难以推广等问题。由开放地理信息联盟(OGC)制定的网络处理服务(WPS)标准为实现碳循环模型的发布、共享、重用与组合,促进碳循环模型的发展和应用提供了一种新的途径。本文遵循OGC WPS标准,以SOA设计了碳循环模型服务平台的整体架构,详细描述了平台模型接口设计、模型算法开发、WPS服务的封装与发布、平台浏览器客户端界面开发等关键环节的实现方法,为用户提供了碳循环相关数据和模型服务的发布、管理、调用、组合、异步交互、状态监控和结果可视化等功能。并以VPM模型服务链为应用实例,演示碳循环模型WPS服务开发、封装、调用和组合的方法,展示了该服务平台的功能。该平台的建立为我国碳循环模型研究的发展提供了技术支撑。     

陆地生态系统碳- 水耦合机制初探

陆地生态系统的碳循环和水循环是当前全球变化研究的热点。大量的研究已经表明两者之间具有密切的 耦合作用。但是目前对于两者的耦合关系和耦合机制还缺乏系统的分析和总结。本文在综合相关研究的基础上,对 陆地生态系统碳- 水耦合的基本过程和基本作用机制作了概括。我们认为陆地生态系统碳- 水耦合过程共包括土 壤- 植被节点、植被- 大气节点(气孔节点)、土壤- 大气节点和生化节点4 个碳- 水耦合节点。碳- 水间的生化反应、气 孔对光合- 蒸腾的共同控制和优化调控作用、生态系统对碳、水循环的同向驱动机制分别是陆地生态系统碳- 水耦 合的生物化学、生物物理学和生态学基础,共同构成了碳- 水耦合的基本作用机制。我们还用水分利用效率(WUE) 概念对碳- 水耦合过程中的碳/水耦合比例关系作了探讨。     

中亚热带人工针叶林CO2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003—2005年连续3a涡度相关C02通量观测数据为基础,采用“单塔日变化法（Daily-differencing approach）”分析了CO2通量观测数据的随机误差,研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分（Reco,NEE,GEE）的影响,并利用不确定性分析方法——自助法（Bootstrapping）统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性．结果表明：（1）CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布（Laplace分布）,而不是高斯正态分布;（2）不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异,最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法;（3）最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的如。,NEE,GEE结果分别相差12．18％（176．47g C．m^-2．a^-1）,34．33％（79．175g C．m^-2．a^-1）,5．4％（91．955g C．m^-2．a^-1）;而TW_model与T_model模拟Reco,NEE,GEE结果分别相差1．31％（17．825g C．m^-2．a^-1）,2．1％（5．745g C．m^-2．a^-1）,0．26％（4．28g C．m^-2．a^-1）．这说明参数优化方法的选择对C02通量的影响高于模型的选择,因此选择适当的误差分布假设（参数优化方法）对CO2通量的确定和评价很重要;（4）最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法．且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化,时间尺度越大,CO2通量的相对不确定性越小．Reco,NEE,GEE年尺度上的相对不确定性分别为4％～8％．7％～22％．2％～4％．