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。     

中国陆地生态系统植被结构和净第一性生产力对未来气候变化响应

本文对现有的区域植被动态模型进行了改进,改进后的模型包含了生态系统中生物量动态、植被结构动态、氮素循环过程三者之间的耦合,以及植被和土壤的相互作用.新模型的状态变量包括植被的绿色和非绿色生物量及其氮素浓度,3层土壤的水分,土壤的全氮和速效氮含量.利用全国范围内在过去数10年中定点观测生物量、生产力、土壤全氮和速效氮的含量、卫星遥感植被指数、全国植被图、地形图、土壤图等多方面的基础数据,我们进行了模型的参数化工作,并对模型做了初步验证.结果说明本模型能够比较准确地模拟当前气候条件下植被的生物量、生产力和氮素吸收等动态过程.在此基础上,我们将改进后的模型用于中国陆地生态系统对全球变化响应的研究.为此我们采用了7个大气环流模型的输出的降水和温度的改变量和大气CO2浓度加倍条件,结合现有气候条件,生成未来气候变化情景(scenarios),并用这些情景来驱动改进后的模型直到模型到达稳定状态.模拟结果说明:在未来气候变化条件下,温带常绿针叶林、亚热带山地常绿针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林,典型禾草草原的分布将显著增加,而落叶针叶林、亚热带常绿针叶林、常绿灌木、禾草和半灌木草原、高寒禾草草甸的分布将有显著的下降,其他植被类型对全球变化的响应不太敏感.33°N以南,净第一性生产力将有显著增加,而33°N以北,净第一性生产力增加较少,局部地区生产力甚至下降.模拟的中国陆地生态系统的北部生产力比南部具有较大的变化和不确定范围.因此,从最大程度的减少和降低生态系统对气候变化响应的不确定程度出发,未来气候变化的研究的重点应该在北方.     

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。     

1971—2000年中国陆地植被净初级生产力的模拟

利用植被与大气相互作用模式(AVIM),基于气象台站的观测资料模拟了1971—2000年中国陆地生态系统NPP的变化特征.结果表明:1971—2000年我国陆地植被年均NPP变化范围在0~987.67 gC·m^-2·a^-1,全国平均值为349.74 gC·m^-2·a^-1,30 a呈现出递增的变化趋势.对各类植被NPP的模拟显示,最近30 a我国热带雨林、落叶阔叶林以及有地被层的阔叶林的年均NPP减小,而混交林、常绿针叶林、落叶针叶林、有裸土的灌丛、草地以及作物的年均NPP均为增加趋势.由于采用了先进的农业技术,与自然条件下我国作物的年均NPP变化相比,我国实际的粮食单产在上述时期呈显著的增长,表明了人类活动对于我国陆地植被净初级生产力有着深刻的影响.     

陆地生态系统碳循环对全球气候变化的动力响应

陆地生态系统和气候系统紧密相关,特别是植物,土壤和大气圈之间的碳循环。已有人提出气候和大气二氧化碳浓度的变化调整循环,使大量的碳沉淀提供给陆地生态系统,但直接证据很有限。估计了稳定气候态之间变化引起的生态系统碳储备变化,但对生态系统碳流动对短期气候变化的动力响应不了解得不够充分。用一个陆地生物持球化学模式,配合一个一般的循环莱模拟短期气候变化,定量研究１８６１－２０７０年大气ＣＯ２气候引起的短期生     

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。     

ENSO年代际变化对全球陆地生态系统碳通量的影响

使用动态植被陆面模式AVIM2,以NCEP (National Centers for Environmental Prediction)再分析气象资料作为大气强迫场,模拟了1953-2004年全球陆地生态系统净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP) 的空间分布及时间变化特征。结果得到,1953-2004年陆地生态系统NPP和NEP全球总量52 a的C平均值分别为65 Pg/a和1.2 Pg/a,NPP呈明显的上升趋势,而NEP的上升趋势不明显。虽然NPP和NEP的年代际增长趋势不同,但是在20世纪70年代中期,NPP和NEP的年代际变化都出现了一个明显的突变,突变点后的增长趋势都没有之前的增长趋势高。这是由于太平洋的年代际振荡(PDO)冷暖位相影响了厄尔尼诺与南方涛动（El Nin~o Southern Oscillation,ENSO)的年代际变化,对NPP和NEP的年代际变化也产生了重要的影响。1976年以前PDO处于冷位相年,增加了ENSO冷位相的强度和频率,使热带地区的气候偏凉爽湿润,从而利于NPP和NEP趋势增长,而1976年以后PDO进入暖位相年,El Nin~o发生频繁,赤道地区多为干热的气候异常,会降低NPP和NEP的增长趋势。     

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。     

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.     

陆地生态系统模型比较研究进展

陆地生态系统作为地球表层复杂系统中重要一环是全球碳氮循环研究的核心内容之一，在陆地生态系统研究中模型作为一种必不可少的手段备受关注。近年来，国际上发展了多种基于不同原理和目标的模型，其模拟结果也不尽相同。为了对这些模型进行比较研究，国际上开展了多个模型比较研究计划。本在筒述各种模型比较计划的基础上；阐述了目前国际上一些比较成功的模型的研究进展；指出模型的进一步发展必须建立在对生态系统各个组成要素、生态过程及其对气候变化的响应与反馈机制研究的基础之上。耦合大气、岩石圈、生物圈从机理上模拟碳氮动态，同时在进行区域或全球尺度评价时引入遥感、地理信息系统等手段，将是未来模型发展的趋势。     

全球气候变化对红树林生态系统的影响与研究对策

红树林生态系统出现于热带和亚热带的潮间带，是一个脆弱或敏感的生态系统，受到陆相和海相的双重影响，可能是全球气候变化影响的早期指示者。气候变化引起海平面升高的速率在９－１２ｃｍ／１００ａ时或超过红树林底质的沉积速率时，红树林就受到胁迫甚至消亡。平均气温上升可能造成红树林种类组成的变化。一定限度的升温有利红树植物的生长发育，但太高温度不利其叶的形成和光合作用，温度的累积作用会有相当大的影响，并通过土壤     

氮输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响

碳氮作为陆地生态系统最关键的两大生源要素,它们在自然界的循环过程中不仅各自对全球变暖做出重要贡献,而且两者的循环过程显著耦合,互相影响各自的作用和效果。从氮元素对植物光合作用、呼吸作用以及土壤呼吸作用影响的角度入手,综述了氮输入对陆地生态系统碳固定和碳排放这两个碳循环关键过程的影响特征和机理,分析了陆地生态系统碳源汇对氮素变化响应的不确定性,在此基础上对未来的相关重点研究方向进行了探讨和展望。     

遥感结合地面观测估算陆地生态系统蒸散发研究综述

地面观测和遥感模拟作为陆地生态系统蒸散发研究的2种基本手段,有着各自的优缺点且存在互补性。因此,有效地将遥感和地面观测站点资料相结合,探讨陆地生态系统蒸散发的时空分布规律及不同尺度转换理论与方法,实现蒸散耗水地面观测结果的尺度扩展和生态需水量估算成为普遍关注的焦点。从遥感与地面观测结合确定陆地生态系统蒸散发入手,论述目...     

全球变化与陆地生态系统研究：回顾与展望

全球变化与陆地生态系统相互关系的研究是国际地圈－生物圈计划（IGBP）的核心研究计划之一，也是整个全球变化的研究核心领域之一。该计划自上世纪八十年代启动以来，已经取得了一系列重要的研究成果，对于推动全球变化研究发挥了重要作用。中国学者在全球变化与陆地生态系统研究领域也开展了许多工作并取得了重要成绩。按照我国科学技术和社会经济发展的需求，本文提出了未来我国在该领域的研究重点，包括（1）中国陆地生态系统重要生命元素的代谢及其耦合机制研究；（2）全球变化敏感区域或重要样带上陆地生态系统对全球变化的影响研究；（3）我国的C、N、P、S生物地球化学循环与全球变化的关系研究；（4）发展中国特色的区域植被动态模型。     

气候变化对南极海洋性气候区土壤发生与演变的影响

南极海洋性气候区明显的气候变化已经对独特但脆弱的陆地生态系统构成严重影响。作为陆地生态系统中关键的环境要素之一,土壤的发生、发育与演化过程对气候变化同样敏感,其响应结果通过气候变化对成土因素的影响间接表现出来。首先,南极海洋性气候区日益加速的气候变暖现象导致冰川消退、地表积雪融化,为土壤形成与分布提供了母质与空间基础;同时,气候变暖导致自由水活动在时间和空间上的加强促进了以自由水为基础的土壤过程和冰缘地貌过程,对南极海洋性气候区土壤发生、发育产生深刻影响。低等植物对气温升高的响应主要表现为物种数量增加、生境拓展、群落结构演变、初级生产力与生物量提高,从而对土壤有机质积累过程以及土壤有机质结构与性状产生重要影响。气候变化与地壳运动等环境因素的变化对海洋脊椎动物的活动影响巨大,而动物活动直接影响海洋性有机质进入土壤与陆地生态系统的途径与数量;同时,动物栖息地的变迁与海岸及附近地区土壤景观演变密切相关。为了准确判断和预测一段时期内气候变化对南极海洋性气候区域土壤形成与演化影响的规模、程度与速率,对各种成土因素在气候变化背景下响应与反馈机制、以及与土壤过程之间相互作用机理方面的研究工作亟需开展。     

中国全球变化与陆地生态系统关系研究

预测陆地生态系统对大气和气候的反馈作用及在更微观的尺度上预测全球变化对自然和农业生态系统的结构和功能的效应是国际地圈－生物圈计划（ＩＧＢＰ）的核心项目“全球变化与陆地生态系统”（ＧＣＴＥ）的重要研究目标，中国科学家自１９８５年正式立面开 全球变化研究以来，全面加入了国际全球的研究，取得了巨大成果，文章就近年来中国在全球变化与陆地生态系统关系研究方面取得新进展作了评述，并指出未来中国进行全球变化与陆     

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。     

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。     

气候变化对中国北方荒漠草原植被的影响

气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈是全球变化研究的焦点之一。利用气候变量实现对遥感植被指数所表示的植被绿度信息的模拟，可以尝试作为表达生物圈过去和未来状态的一种途径。利用1961-2000年的气温、降水和1983-1999年的NOAA/AVHRR资料，分析了中国北方地带性植被类型荒漠草原植被分布区的短尺度气候的年际和季节变化，及其对植被的影响。结果表明，过去40年中该区域年际气候变化表现为增温和降水波动。年NDVI的最大值（NDVI_max）可以较好地反映气候的变化，过去17年中NDVI_max出现的时间略有提前。综合分析NDVI、植被盖度、NPP、区域蒸散量、土壤含水量及其气候的年际变化，表明增温加剧了土壤干旱化，降水和土壤含水量仍是制约本区植被生长的根本原因。     

2001~2010年中国陆地生态系统农林产品利用的碳消耗的时空变异研究

人类是陆地生态系统的重要组成部分,可以视为区域陆地生态系统的消费者,人类对陆地生态系统净初级生产力（NPP）的消耗是区域碳消耗的重要途径。量化农林产品利用的碳消耗总量（CCU）有助于准确评估生物圈与大气间的碳交换,为全球陆地生态系统的碳管理提供理论依据。基于农产品、草产品及林产品的统计数据,本研究评估了中国区域2000s人类利用农林产品引起的碳消耗总量及强度,结果表明：2001~2010年,农林产品利用的碳消耗总量为805.79TgC/a,占全国NPP总量的28.49%,最大值出现在山东、河南、广西等地。其中,农产品利用的碳消耗总量达到630.54TgC/a,最大值也出现在山东、河南和广西;草产品利用的碳消耗总量为114.90TgC/a,内蒙古、新疆和四川贡献的份额较大;林产品利用的碳消耗总量最少,仅为60.35TgC/a,主要分布在福建、浙江、湖南等地。碳消耗强度存在明显的区域差异,农林产品利用的碳消耗强度与农产品利用的碳消耗强度具有相似的空间分布,最大值均出现在山东、江苏等地;草产品利用的碳消耗强度的最大值出现在重庆、内蒙古、四川等地;林产品利用的碳消耗强度则出现在浙江、福建。中国区域农林产品利用的碳消耗总量及强度在年际间普遍呈现增大的趋势,碳消耗总量年均增加22.02TgC。本研究表明,农林产品利用的碳消耗在维持区域陆地生态系统碳平衡中起着重要作用,需要在今后予以充分重视。