北半球陆地生态系统碳交换通量的空间格局及其区域特征

陆地生态系统通过植被的光合作用吸收大气中的CO_2,深入了解陆地生态系统碳吸收强度的空间变异及其区域特征对于准确地预测和评估全球碳收支以及制定高效的区域性生态系统管理政策具有重要的指导性意义。本文以ChinaFLUX的长期联网观测数据为基础,整合了北半球区域已发表的涡度相关文献数据,对北半球区域碳交换通量,即总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(RE)和净生态系统生产力(NEP)的空间格局及其区域特征进行综合分析。我们获取了233个通量站点,732条站点年数据。观测站点分布于亚洲、欧洲和北美洲,纵跨纬度2.97°N到74.47°N,横跨经度148.88°W到161.34°E。气候类型涵盖了热带、亚热带、温带、北方林、极地与亚极地以及高山气候类型。生态系统类型包涵了森林(107个站点)、草地(65个站点)、农田(33个站点)和湿地(28个站点)四大生态系统。研究结果得出:北半球陆地生态系统GPP和RE呈现出显著的随着纬度升高而线性降低的趋势,纬度每升高1°N,GPP和RE在空间格局上约减少22.9g C/m~2/a,而NEP的纬向变化规律不明显。森林和农田生态系统的GPP和NEP显著高于草地和湿地生态系统。RE则在森林生态系统最高,平均约为1185±641g C/m~2/a,而在其余生态系统间无显著差异。在亚洲、欧洲和北美洲3个区域之间,森林、农田和湿地生态系统的GPP,RE和NEP均无显著差异。仅在草地生态系统中,欧洲草地生态系统的GPP和RE分别为1472±473g C/m~2/a和1236±452g C/m~2/a,显著高于亚洲和北美洲。GPP,RE和NEP呈现出从温暖性气候区向寒冷性气候区逐渐降低的趋势,同时受到水分状况的调节,表现出在相同的温度带里,相对湿润的气候区具有更高的NEP。这些结果表明北半球陆地生态系统碳交换通量存在着空间变异性,但没有显著的区域差异,然而在不同气候区和生态系统类型间差异显著,这意味着北半球陆地生态系统碳交换通量主要受到温度和水分环境条件以及人类活动的共同影响。     

青藏高原净生态系统碳交换量的遥感评估模型研究

青藏高原作为世界海拔最高的区域,是全球气候变化的敏感区之一。定量估算这一区域的净生态系统碳交换量(NEE)有利于理解陆地生态系统碳平衡对未来气候变化的响应。本文构建了一个模拟该地区NEE动态变化的净碳收支模型(NCBM)。该模型由来源于MODIS影像的增强型植被指数(EVI)、陆地表面水分指数(LSWI)以及来源于地面观测的空气温度和短波辐射共同驱动,并利用青藏高原地区的3种植被类型(包括高寒灌丛、高寒湿地和高寒草甸)的碳通量长期观测数据对模型进行了校准和验证。结果表明,在模型校准站点年,NCBM模型可以模拟NEE观测值81%的变化,均方根误差(RMSE)为0.03mol C/m~2/d,模型效率(EF)为0.81。在模型验证站点年,NCBM模型可以预测NEE观测值84%的变化,RMSE为0.03mol C/m~2/d,EF为0.81。在大多数情况下,NCBM模型可以清晰地模拟各植被类型的NEE季节和年际变化。此外,NCBM模型因为结构简单,模型驱动变量易于获取等优势,具有在区域尺度上模拟NEE时空变化的潜力。但是该模型还需要进一步的改进和发展,特别需要提高对植被非常稀疏地区NEE变化的模拟能力。     

中国区域土地利用/覆被变化对陆地碳收支的影响

准确估计土地利用/覆被变化（LUCC）对陆地生态系统碳收支的影响已成为当前全球变化和全球碳循环研究的重点内容。本文通过文献调研和数据的整合分析方法总结讨论了近年来中国区域LUCC时空特征及其对陆地碳收支影响,为合理评价中国区域陆地碳平衡以及确定未来研究发展方向提供参考。已有大量研究对近年来中国区域LUCC主要特征进行了探讨,并分别利用卫星遥感方法和IPCC清单法对中国区域陆地碳源汇影响进行了评估。结果表明,目前全国土地利用活动,特别是农林活动正对陆地生态系统碳收支产生了比较显著的积极作用,但基于以上两种方法的研究结论之间差异很大,反映出中国LUCC导致陆地碳收支变化的评估结果仍存在着较大的不确定性。通过分析认为,中国未来的研究工作应着重于发展和利用基于土地利用相互转化面积的计量方法,以提高对中国区域LUCC导致陆地碳收支变化评估的准确性。     

中国陆地生态系统净初级生产力变化特征——基于过程模型和遥感模型的评估结果

净初级生产力（NPP）作为生态系统物质与能量循环的基础,是区域和全球尺度碳循环和碳收支研究的重要组成部分。研究区域和全球尺度的净初级生产力主要依靠模型手段实现,过程和遥感模型是目前广泛使用的两种模型形式。本文搜集并整理了基于过程模型和遥感模型对我国陆地生态系统净初级生产力的模拟结果,分析了中国陆地生态系统净初级生产力的时间变化及对未来气候变化的响应特征,旨在对其进行综合评价。结果表明,中国陆地生态系统NPP平均为（2.828±0.827）PgC.a-1。1982-1998年的年际变化特征上,NPP平均每年增加0.027 PgC,年增长率为1.07%,总体上呈现在波动中逐年上升的趋势。不同植被类型的单位面积NPP总体表现为常绿阔叶林显著高于其他植被类型,但不同研究结果间变化范围很大;落叶针叶林、常绿针叶林和落叶阔叶林相差较小;农作物低于阔叶林,但高于针叶林;草地和荒漠均位于低值区,但前者显著高于后者。不同植被类型的NPP总量总体表现为农作物和草地位居前两位,两者之和高达各植被类型NPP总量之和的58.34%;除灌丛和常绿针叶林外,其余植被类型均不足总量的10%。在未来气候情景下,中国陆地生态系统NPP总体上可能表现为先增加后减小的趋势。     

长白山森林生态系统CO_2和水热通量的模拟研究

以基于过程的BEPS模型为基础,根据长白山温带阔叶红松林生态系统的生态过程机制,建立了能够描述半小时尺度生态系统通量日变化的模拟模型BEPS.应用该模型对2003年长白山温带阔叶红松林生长季内的CO2和水热通量的模拟结果表明:模型模拟的净生态系统生产力(NEP),潜热通量(LE),显热通量(Hs)与涡度相关系统的实测数据相关性较好,R2值分别达到0.68,0.75,0.71.模拟的长白山温带阔叶红松林生态系统的年累积NEP为300.5gC·m?2,与实测值也非常接近,说明应用该模型可以较好地模拟长白山温带阔叶红松林生态系统的CO2,水和热量交换过程.根据模型对不同气候变化情景下的NEP和蒸散(ET)的分析得出:长白山温带阔叶红松林生态系统的NEP对气候变化比较敏感,在气候变暖条件下该生态系统的碳汇功能可能会减弱.此外,作为基于过程的模型,BEPS对最大羧化速率(Vcmax)和最大气孔导度(gmax)等植物生理生态特征参数的变化反应也比较敏感.     

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。     

中国地带性森林和农田生态系统C-N-P化学计量统计特征

基于中国国家生态系统观测研究网络的7个森林和10个农田生态系统观测研究站的定位调查数据,本文对中国地带性森林和农田生态系统各个组分的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征进行了研究。结果表明:1)森林生态系统各组分的N和P含量大小排序均为叶凋落物枝根茎土壤,植被的各器官和凋落物的C含量明显高于土壤C含量。森林生态系统不同组分的C∶N和C∶P的大小排序均为茎根枝凋落物叶土壤;植被的各器官及凋落物的N∶P也高于土壤。2)在农田生态系统中,作物各器官的C含量相近,而籽粒的N和P含量明显高于其他组分;各组分C∶N、C∶P和N:P的大小排序均表现为茎≈叶≈根籽粒土壤。3)森林生态系统植被的C∶N∶P为3582∶27∶1,土壤的C∶N∶P为111∶8∶1;农田生态系统植被的C∶N∶P为740∶15∶1,土壤的C∶N∶P为26∶3∶1。本研究以地带性生态系统为研究对象,探讨生态系统及其各组分的C-N-P化学计量特征,增加了对生态系统尺度元素化学计量特征的科学认识,为进一步认识中国区域生态系统元素化学计量关系的空间变异规律提供基础数据。     

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。     

中国草地植被地上和地下生物量的关系分析

草地生物量大部分集中在地下,地下生物量对于估算草地生态系统碳储量及其碳固持效应都至关重要。由于草地地下生物量数据缺乏,利用地下与地上的根冠比(R/S)或者地下与地上生物量的关系对草地地下生物量进行估算,是目前最常用的方法。本文在综述草地生物量研究进展的同时,利用2004~2010年已发表文献的草地生物量数据对中国不同类型草地的根冠比进行了探索,同时分析了不同类型草地的地上与地下生物量的相关关系(高寒草甸、高寒草原、山地草甸、温性草甸草原、温性草原和温性荒漠草原)。分析结果表明:不同类型草地的根冠比存在显著差异(F=3.524,p0.01);进一步分析发现,山地草甸的根冠比显著低于其他类型草地(p0.01),R/S较大的草地类型为温性草甸草原和温性荒漠草原,均值分别为7.0和6.8。对地上与地下生物量相关关系的分析表明,3种类型草地的地上与地下生物量存在幂函数相关关系,即高寒草原(R~2=0.67)温性荒漠草原(R~2=0.36)高寒草甸(R~2=0.13),其他3种类型草地几乎不存在地上与地下生物量的相关关系。这为以后估算地下生物量提供依据,即地下生物量估算应该综合考虑根冠比和地下与地上生物量关系。     

中国亚热带5种林型的碳库组分偶联关系及固碳潜力

中国亚热带森林对亚热带地区乃至中国的碳收支和碳平衡具有十分的重要作用。根据中国亚热带地区5种主要林型(杉木林、马尾松林、常绿阔叶林、阔叶速生人工林和针阔混交林)生物量的文献资料,采用关联矩阵法分析了亚热带5种林型树干、树枝、树叶、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库、林下植被碳库(包括灌木层和草本层)、死生物量碳库(包括枯立木、枯倒木、枯枝和凋落物)8个碳库间的偶联关系,利用回归方程研究乔木层、林下植被层、死生物量碳密度与立木蓄积量的关系,通过Logistic曲线探讨5种林型乔木层的最大碳密度。结果表明:1)5种林型生态系统碳库组分的碳密度和分配比例存在明显差异,但均呈现乔木层死生物量灌木层草本层的规律;2)5种林型树干、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库的碳密度之间关联性极为显著(p0.001),它们与死生物量碳密度的关联性均达到显著水平(p0.05);针阔混交林的林下植被碳密度与其他碳库组分碳密度相关性不显著(p0.05),而其他4种林型的林下植被碳密度均与树干、乔木层地上部分、乔木层地下部分、乔木层总碳库、死生物量的碳密度显著相关(p0.05);3)针阔混交林的林下植被碳密度与立木蓄积量相关性不显著,其他4种林型的乔木层总碳密度、林下植被碳密度、死生物量碳密度与立木蓄积量的回归曲线均达到显著水平(p0.05);4)5种林型乔木层的碳密度与林龄的关系符合Logistic曲线(p0.0001),碳密度最大值分别为194.43Mg/hm~2,110.62Mg/hm~2,260.42Mg/hm~2,175.52Mg/hm~2和157.20Mg/hm~2,它们可视为亚热带5种林型乔木层固碳潜力的参考水平。