典型森林生态系统碳交换的机理模拟及其与观测的比较研究

CEVSA模型是一个基于生理生态过程模拟植物—土壤—大气系统能量交换和水碳氮耦合循环及其对环境变化响应和适应的机理模型,在区域和全球尺度上得到广泛应用,但缺乏在生态系统尺度上的验证。本研究对CEVSA模型中碳循环关键过程的定量表达进行了重要改进：将模型的模拟时间步长由“旬”改为“日”;增加了物候参数化的子程序;调整了生物量的分配方案;基于碳平衡模拟叶面积指数的季节动态等。分别使用改进前后的CEVSA模型模拟了3类典型森林生态系统碳交换的季节动态,模拟的结果与通量观测进行了比较分析。结果表明,改进后的CEVSA模型能更好地模拟不同类型森林生态系统碳交换的季节动态,但在不同生态系统的不同时段,模型模拟的结果与通量观测相比还有一定的偏差,模型在碳交换关键过程对环境变化的响应和适应,尤其是针叶林光合作用对温度变化的响应和适应,以及生态系统对高温和水分亏缺的响应和适应等方面的模拟还需要进一步的改进和验证。     

高寒冻土地区草甸草地生态系统的能量-水分平衡分析

为了揭示青藏高原高寒地区土壤冻融过程对地表植被大气三者之间能量水分循环的影响, 在青藏高原风火山左冒孔流域(长江源)开展了不同植被盖度条件下冻土活动层水热状态的野外观测(在30%、 60%、 90%的草甸盖度下观测分层土壤水分及温度)和相关试验. 选取考虑了积雪、植被覆盖及枯枝落叶层对土壤冻融影响的水热盐分耦合模型SHAW为动力学约束模型, 进行参数率定及其模拟计算. 结果表明: 青藏高原地气间的能量交换主要受冻土、植被生长和地表土壤含水量的影响, 并且呈明显的季节性变化;未退化高寒草甸草地对青藏高原冻土具有明显的隔热保温作用, 可以降低冻土对气候变化的响应. 在土壤活动层冻结过程期间, 土壤水分具有向表层和深层两向分流汇聚的特征, 植被覆盖变化对水分运移通量有明显影响.     

东北北部冻土退化与寒区生态环境变化

我国东北地区位于中高纬度欧亚大陆东缘,大、小兴安岭多年冻土区是欧亚大陆高纬冻土区向南最突出的部位,属于高纬山地冻土.东北多年冻土区是我国,乃至全球范围内,受气候变暖和人为活动影响最显著的冻土区之一.过去40 a来该区冻土显著退化,主要表现在:1)冻土南界及不连续多年冻土各分区边界北移而导致总面积减小、空间分布破碎化;2)活动层加深,融区扩大,局地冻土岛消失;3)冻土温度升高、厚度减薄、热稳定性降低等.由于各种因素的共同影响,寒区生态环境也发生了一系列变化.这具体表现为以兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,整个北方森林带北移,沼泽湿地面积减小等,寒区生态系统和环境已出现恶性循环.关注、研究、整治和管护寒区环境对区域社会、经济和生态可持续发展不可或缺.     

近10 a来冻土微生物生态学研究进展

冻土微生物在冻土生物地球化学循环中起着重要的作用, 并且在一定程度上可以指示全球气候变化. 在全球气候变暖的背景下, 研究冻土微生物群落特征及其与环境因子变化的关系是当前热点研究领域. 系统综述了冻土微生物群落的复杂性以及其影响因素、 冻土微生物生态功能及其对碳氮循环的反馈机制、 冻土微生物对环境气候变化的响应机理, 旨在为研究冻土微生物对全球气候变化的响应及其在生态系统中的作用提供参考.     

积雪变化对地下生态系统影响的研究进展

在气候变化背景下,全球积雪厚度、积雪密度和雪水当量发生着一系列变化,并进一步影响陆地生态系统的水热状况、生物地球化学循环过程以及生态系统的结构与功能。本文综述了北半球积雪变化（雪深、积雪覆盖日数）的现状,积雪生态研究方法及其优缺点,积雪与生态系统相互作用,以及积雪变化对主要陆地生态系统类型（草地、灌丛和森林）地下过程（养分周转、土壤动物和微生物、根系生长）的影响及其机制。研究发现：（1）雪深在40～70 cm时对土壤的保温作用最显著;（2）积雪增加通过加速土壤碳氮循环过程引起碳氮损失,尤其显著发生在相对湿润的生境中,相对干旱的生境中变化不显著;（3）在草地生态系统中,土壤有效磷含量对积雪增加的响应程度受生态系统自身干湿条件调控,即湿润的生境有效磷增加,干旱的生境有效磷降低;（4）积雪增加促进了草地生态系统植物表层根系的生长,积雪减少对植物根系生长的影响程度取决于消极影响（根系损伤和死亡）和积极影响（土壤养分有效性增加）之间的动态平衡;（5）相对于草地生态系统和森林生态系统植物根系生长而言,灌丛生态系统植物根系生长对积雪变化的响应更稳定。本文还提出了现有研究中存在的不足和未来发展趋势。     

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。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情况下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高会降低土壤含水率和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

大兴安岭秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地可溶性有机碳的影响北大核心CSCD

土壤温度和含水量是影响可溶性有机碳(DOC)变化的重要因素。然而,多年冻土泥炭地土壤DOC变化对秋季冻结期土壤水热变化的响应尚不明确。本研究选取大兴安岭3种多年冻土泥炭地[小叶章泥炭地(CP)、兴安落叶松-泥炭藓泥炭地(LP)、白毛羊胡子苔草泥炭地(EP)]作为研究对象,开展野外原位试验探究秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地土壤DOC变化的影响。结果表明:秋季冻结期土壤DOC含量表现为EP>CP>LP,平均含量分别为83.99、45.75和43.13mg·L^(-1)。在秋季冻结前期3种类型多年冻土泥炭地土壤DOC含量均呈波动下降趋势,中、后期CP,LP土壤DOC变化较平缓。在秋季冻结前期,CP整体土壤DOC含量随浅层土壤温度的降低而减少;在后期CP浅层和整体土壤DOC含量随浅层土壤含水量的增加而增加。在秋季冻结中期,LP浅层土壤温度升高和含水量的减少,降低了土壤DOC含量;LP整体土壤DOC的变化随着浅层温度的升高逐渐降低。在秋季冻结后期,EP深层和整体土壤DOC含量随深层含水量增加而增加。在整个秋季冻结期,LP浅层土壤DOC主要受地表温度驱动,深层土壤DOC则主要受深层含水量的影响;整体土壤DOC则受地表温度影响较大。研究表明秋季冻结期多年冻土泥炭地土壤水热变化驱动土壤DOC含量的变化。研究结果为多年冻土区碳循环和“双碳”背景下的碳排放研究提供基础科学数据。     

冻土区甲烷排放研究进展

冻土区土牡表面和活动层土的ＣＨ_４排放和吸收表现出强烈的时空变化性。根据多年冻土中ＣＨ_４含量的模拟结果表明，全球尺度上，平均每米厚度多年冻土含有ＣＨ_４６５Ｔｇ。在未来的２００年间，多年冻土融化所导致的大气ＣＨ_４附加年源强变化于２～２５Ｔｇ。     

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、 多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放, 进入大气圈或水系统, 改变原有多年冻土区碳循环, 并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展, 主要包括多年冻土碳库储量、 降解机理及变化预测, 研究表明： 北半球多年冻土区的碳储量巨大, 但不确定性很高, 尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估; 多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、 土壤有机质C/N比、 有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响; 目前, 关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明, 多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是, 无论是针对多年冻土碳库评估, 还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果, 都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解, 如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。     

青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响

青藏高原作为“亚洲水塔”对气候变化极为敏感,研究气候变化下青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响有助于理解多年冻土地区水文过程对气候变化的响应情况。基于Budyko-Fu假设,构建了考虑多年冻土活动层厚度变化的水热耦合模型,建立了符合青藏高原多年冻土区的模型参数化方案,通过设置情景假设探讨了多年冻土退化对蒸散发的影响。模拟结果表明：1982—2018年青藏高原多年冻土区平均年蒸散发为275.6 mm,空间分布由东南向西北递减;研究区年蒸散发整体上以3.57 mm/a的速率上升。多年冻土活动层加深会引起蒸散发的增大,忽略冻土退化因素将导致约2.2%的蒸散发低估。冻土退化对蒸散发的影响呈现显著的空间异质性,土壤有效含水量和植被覆盖度越低的地区,蒸散发对冻土退化的响应越敏感。     

Rapid runoff via shallow throughflow and deeper preferential flow in a boreal catchment underlain by frozen silt (Alaska, USA)

In high-latitude catchments where permafrost is present, runoff dynamics are complicated by seasonal active-layer thaw, which may cause a change in the dominant flowpaths as water increasingly contacts mineral soils of low hydraulic conductivity. A 2-year study, conducted in an upland catchment in Alaska (USA) underlain by frozen, well-sorted eolian silt, examined changes in infiltration and runoff with thaw. It was hypothesized that rapid runoff would be maintained by flow through shallow soils during the early summer and deeper preferential flow later in the summer. Seasonal changes in soil moisture, infiltration, and runoff magnitude, location, and chemistry suggest that transport is rapid, even when soils are thawed to their maximum extent. Between June and September, a shift occurred in the location of runoff, consistent with subsurface preferential flow in steep and wet areas. Uranium isotopes suggest that late summer runoff erodes permafrost, indicating that substantial rapid flow may occur along the frozen boundary. Together, throughflow and deep preferential flow may limit upland boreal catchment water and solute storage, and subsequently biogeochemical cycling on seasonal to annual timescales. Deep preferential flow may be important for stream incision, network drainage development, and the release of ancient carbon to ecosystems.     

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分, 其水热状况是影响寒区生态环境、 陆气间水热交换、 气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识, 对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理, 并指出了当前研究中的不足。研究认为, 气象条件、 植被覆盖度、 土壤性质、 积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素, 目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。     

土壤的冷生构造及其对阿拉斯加土地利用的意义

Cryogenic structure (patterns made by ice inclusions) in seasonally frozen and permafrost-af-fected soils result from ice formation during freezing. Analysis of cryogenic structures in soils is essential to our understanding of the cryogenic processes in soils and to formulating land use management interpretations. When soils freeze, the freezing front moves downward and attracts water moving upward resulting in mainly horizontal lenticular ice formation. Platy and lenticular soil structures form between ice lenses in upper active layer. The reticular soil structure usually forms above the permafrost table caused by freeze-back of the permafrost. The upward freeze-back resulted in platy soil structure and the volume changes following the annual freeze-thaw cycle resulted in vertical cracks. The combined result is an ice-net formation with mineral soils embedded in the ice net. The upper permafrost layer that used to be a part of the active layer has an ice content exceeding 50% due to repeated freeze-thaw cycles over time. The mineral soils appear in blocks embedded in an ice matrix. The permafrost layer that never experienced the freeze-thaw cycle often consists of alternate layers of thin ice lens and frozen soils with extreme hard consistence and has relatively lower ice content than the ice-rich layer of the upper permafrost. Ice contents and thaw settling potentials associated with each cryogenic structure should be considered in engineering and land use interpretations.     

基于Noah陆面过程模型模拟青藏高原植被和土壤特征对多年冻土的影响

针对青藏高原植被稀疏、土壤颗粒较粗糙的特征,基于Noah陆面过程模型（LSM）,模拟了植被和土壤对整个高原多年冻土分布和关键属性特征（包括活动层厚度和年平均地温）的影响,并通过野外调查数据对模拟结果进行了评估。结果表明：在考虑稀疏植被和粗糙土壤后,改进的Noah LSM对青藏高原多年冻土分布和属性的模拟性能都有所改善;多年冻土面积由原始Noah模型模拟的1.216×10⁶ km²减少到1.113×10⁶ km²,模拟的空间差异主要出现在多年冻土与季节冻土的过渡区及高原南部的岛状多年冻土区;模拟的高原平均活动层厚度由原始Noah模型模拟的2.55 m增加到2.92 m,年平均地温也由-2.17℃增加到-1.65℃。总之,青藏高原稀疏植被和粗糙土壤对多年冻土有重要影响。     

青藏高原多年冻土区地下水及其变化

青藏高原的高海拔多年冻土的分布格局及其动态变化、季节冻结融化作用与地下水的补给、径流和排泄关系密切,对各种尺度的水文地质环境具有控制或重要影响。作为一个隔水层或弱透水层,冻土层在地下水形成、演化、运移和水动力过程方面具有抑制作用,从而对地下水的分布、动态和水循环产生重要影响。而且,冻土可通过其中的水分迁移、冰分凝和地下冰结构重组等方式,形成和改变地下冰储量及地下水动静储量,调节水文地质循环。气候变暖显著和人类活动日益增加,冻土退化显著,已经普遍影响到了高原冻土生态水文地质环境,并引发了一系列水文（地质）、生态和环境问题,亟待系统、长期和细致的观测、试验和模型研究。     

祁连山区黑河上游俄博岭多年冻土区活动层碳储量研究

为了探索在全球气候变化背景下多年冻土区碳储量现状, 通过野外实地勘探和室内实验, 对黑河上游俄博岭多年冻土区地貌特征及不同海拔活动层内的碳储量进行考察和估算. 结果表明: 黑河上游俄博岭冰缘现象显著, 土壤季节冻融过程活跃, 且活动层中碳储量丰富. 在研究区约2.5×10⁶ m² 的范围内, 活动层平均厚度约为1.1 m, 活动层土壤有机质平均含量约为72.1%, 碳储量估算约为1.57 Mt C. 活动层不同深度处有机质含量呈现不同的变化规律. 随着活动层深度增加, 土壤有机质的含量逐渐降低, 在多年冻土上限附近有机质含量较高. 另外, 活动层有机质含量随着海拔和土壤含水量的不同而变化, 同时多年冻土区微地形和地质条件也对有机质含量具有重要的影响.