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。     

青藏高原草地生态系统碳通量研究进展

青藏高原拥有我国面积最大的天然草地,区域内生态系统碳通量的长期定位观测研究具有重要意义.在总结生态系统碳通量主要研究方法基础上,对青藏高原不同植被类型碳循环的源、汇效应、时空变化及其与影响因子关系等研究领域所取得的重要进展进行了综合评述.现有研究表明,不同植被类型间CO2通量的季节变化、年际变化、交换量和碳源汇特征等存在明显差异,光合有效辐射、温度、降水、土壤水分和叶面积指数等是影响碳通量变化的主要驱动因子.最后,结合当前青藏高原地区生态系统碳通量研究的现实与需要,探讨了通量观测所面临的主要科学问题及解决途径.未来对青藏高原碳循环关键过程的研究工作还需要多尺度、长期生态实验和CO2通量观测数据支持,同时以此为基础发展新的数据处理、分析和跨尺度机理模拟方法,建立青藏高原生态系统碳循环模型.     

全球森林生态系统净初级生产力的空间格局及其区域特征

净初级生产力（Net Primary Productivity）是生态系统碳循环过程中的一个重要组成部分,森林生态系统的NPP占全球陆地生态系统的65%,深入了解全球森林生态系NPP的空间变异规律,是理解全球碳收支格局的基础。本论文以收集获得的野外站点实测NPP数据为基础,对全球森林生态系统NPP的空间分布格局及其区域特征进行综合分析得出：全球森林生态系统的NPP呈现出随着纬度升高而降低的趋势,北半球森林生态系的NPP随着纬度的升高显著降低,南半球森林生态系统的NPP则纬向规律不显著。全球各个大洲之间森林生态系统的NPP整体上差异不显著,只有南美洲森林生态系统的NPP显著高于亚洲、欧洲和北美洲的森林生态系统。全球森林生态系统的NPP呈现出从寒冷性气候区域向温暖性气候区域逐渐增大的趋势。经典的Miami模型能够较合理地估算当前气候条件下森林生态系统NPP的空间分布格局。在全球尺度上,年均温（r2约为0.50）较年降水（r2约为0.40）与森林生态系统的NPP有更强的相关性。这些研究结果为进一步探讨全球陆地生态系统碳源汇功能奠定了一定的基础。     

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。     

塞罕坝森林生态系统对区域温度降水变化的影响

森林是地-气之间物质运移和能量传递的高效接口,能够影响局地的气候特性。运用MK趋势检验和突变点识别、小波分析方法,选取塞罕坝地区为研究对象,以围场县和多伦县为参照对象,获取3个气象站的温度和降水资料,分析了各站1961—2020年的年降水、月降水、年均温、年最高温、年最低温、月均温的演变规律,对比得到塞罕坝森林对局地气候特性的影响。结果表明,林地对温度的影响表现在：年际尺度上,林地能够降低局地年均温、最高温、最低温,森林虽然改变不了局地升温的变化趋势,但能推迟升温的起始时间,并加强年均温的短周期变化;季节和月尺度上,林地能够维持春末夏初温度稳定、长时间尺度没有升降趋势、缩小年际间7月平均温的差异,却拉大冬夏季的温差,在冬季林地更易于出现低温。林地对降水的影响表现在：年际尺度上,林地能够减缓降水量的年际间波动,同时使局地降水增加更快;林地的存在打破了降水的周期性,使降水表现出非周期性变化;季节和月尺度上,林地减小了年内降水的集中程度,同时减缓了6—7月降水的变化趋势。     

青藏高原地区积雪年际变化异常中心的季节变化特征

利用青藏高原1980-2009年SMMR、SSM/I和AMSR-E被动微波遥感反演得到的逐日积雪深度资料, 应用EOF方法分析了近30 a青藏高原地区冬春季积雪年际变化异常的时空变化. 结果表明: 青藏高原冬春季积雪年际异常敏感区随季节有着显著变化, 并具有多尺度性. 其在大尺度上最主要的空间特征是从秋末(10-12月)到隆冬(12-翌年2月)位于青藏高原腹地和东南缘的河谷; 后冬和前春年际异常变化的敏感区显著变小, 整个青藏高原地区的积雪稳定少变; 而春季(3-5月), 随着青藏高原气温的回升, 敏感区出现在青藏高原东部. 青藏高原冬春季积雪年际变化在局地尺度上存在着季节变化, 表现为青藏高原积雪年际变化的异常与年际变化趋势相反的特征, 以及积雪年际变化东西反向异常随季节的演变. 青藏高原冬春季积雪年际变化的异常敏感区在空间范围上的变化, 反映了冬春季积雪在季节尺度上受冬季风和南来的暖湿气流之间相互消长和进退影响的特征. 青藏高原冬春季积雪具有显著的年代际变化, 在20世纪80年代处于多雪期, 80年代后期进入一个积雪较少期. 秋末至隆冬(10-翌年2月)的积雪在20世纪90年代后期出现明显转折, 进入多雪期, 2000年后又进入一个少雪期.     

全新世渭河流域植被演替对陆地生态系统碳储量的影响

陆地生态系统古碳储量演化历史既是理解过去区域碳循环过程的基础, 也是预测未来陆地碳库变化趋势的重要参照。以往由于实测记录的缺乏和现代碳循环模型应用的局限, 难于实现过去陆地碳库的准确重建。本研究通过地质时期86个点位的孢粉记录与古碳循环模型模拟的结合, 在定量化重建全新世渭河流域古气候参数空间格局的基础上, 模拟了自然植被时空演化过程及其陆地生态系统碳储量变化。结果表明, 全新世早期到中期, 流域森林面积覆盖度由34%增至63%, 导致陆地生态系统碳储量从2.48PgC增至3.40PgC; 全新世中期到晚期, 流域森林面积覆盖度降至20%, 陆地生态系统碳库储量随之减少了1.03PgC。空间上, 流域碳密度变化主要受控于植被类型的分布, 后者又与地貌条件密切相关。全新世中期全球增温情形下渭河流域森林植被大面积扩张和碳储量显著增加的结果, 预示着未来全球变暖背景下该流域陆地生态系统具有较强的碳汇潜力。

     

西江下游溶解无机碳含量的时空变异特征及其输出通量

选取西江下游干支流6个样点进行一个完整水文年度的观测分析,利用基本水文水化学参数来揭示河水溶解无机碳(DIC)含量的时空变异特征,并估算流域DIC输出通量.结果表明,西江下游干支流DIC含量受控于流域地质环境和水热条件,变化于0.74～2.40 mmol/L之间,存在明显的时空变异.干支流DIC含量季节变化模式基本一致,呈现汛期(不包括受洪水影响极强的时段)较高、非汛期较低而洪水期最低的变化特征,流域水热条件的季节变化是其根本原因;河水DIC含量的空间变异基本与流域碳酸盐岩空间分布格局一致,干流DIC含量明显高于支流,且向下游呈减小趋势.西江流域DIC输出通量约4.57×1012g/a,汛期和6月洪水贡献分别达84%和40%.全流域DIC侵蚀通量约12.95 g/(m2·a),在世界各流域中居中上水平.     

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CO2,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China FLUX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22.9gC/m2/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±641gC/m2/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±473gC/m2/a和1236±452gC/m2/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。     

青藏高原东部春季感热通量与我国东部气温的年际关系

利用ERA-Interim提供的地表感热、环流场资料和1979-2013年753站中国春季气温观测资料探讨了青藏高原（以下简称高原）东部春季感热通量与我国东部气温的关系。春季高原东部感热与我国东部气温在年际变化上存在密切的相关关系。去除9年滑动平均以后的SVD第一模态结果表明,当高原东部感热出现南弱（强）北强（弱）时,对应我国东北和华南地区的气温异常偏低（高）。当春季高原感热呈现南负北正的分布时,高层200 hPa上,高纬东风异常减弱背景西风有利于冷空气的南下,加之副热带西风急流显著增强,有利于东北地区形成气旋性环流。中低层环流场上,我国北方地区上空为一深厚的东北冷涡所控制,从对流层低层到高层,均呈现较强的气旋式环流分布。一方面,它引导西伯利亚冷空气南下,造成我国东北地区气压异常减弱,气温异常偏低;另一方面,其西侧北风异常阻滞了华南地区上空的背景西南风,不利于暖气流的输送。进一步分析得出,与PC1相关的南北温度差值场上,东亚地区上空从低纬到高纬呈现“负-正-负”的分布形势,有利于副热带西风急流在我国上空的显著增强。气旋中心上暖下冷的结构,导致位涡显著发展并向低层伸展、侵入,增强了对流层中低层的气旋性环流。气旋中心整个对流层为深厚的异常干空气,湿度负值中心与冷中心相对应,表明干冷空气异常下传发展。干侵入使得冷涡加强发展,维持了异常气旋性环流,导致春季东北、华南地区的异常降温。虽然前冬Nino3.4区海温与春季感热相关较好,但其对我国东部春季气温影响并不显著。     

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。     

祁连山地区1310年以来湿润指数及其年际变幅的变化与突变分析

本文通过用树木年轮资料重建的祁连山地区5～7月份1310年以来的湿润指数序列,建立了一个反映该地区湿润指数年际变幅序列,对这两个序列分别进行了等级分类和干湿、强弱的时段分析,并用最大熵谱分析法对这两个序列的不同时段分别进行了周期分析。采用HK突变检验方法对这两个序列分别进行了突变分析,发现祁连山地区的湿润指数及其年际变幅存在明显的突变年份。     

珠江河口水环境时空变异对河口生态系统的影响

分析近20年来珠江河口水环境变异的特征,探讨珠江河口水环境与水生物相互联系和相互作用的关系。结果表明,珠江河口形态、地貌、水文情势和入河污染物等变异改变了珠江河口水生物的栖息条件,削弱了河口生态系统的自动调节修复能力和稳定性,对河口生态系统的物质循环、能量流动和发育演化平衡构成了重大影响。     

风蚀对中国北方脆弱生态系统碳循环的影响

风蚀是中国北方脆弱生态系统土壤质量退化和沙漠化的关键因素。文章基于土壤剖面普查和土壤侵蚀遥感调查数据,计算出风蚀土壤有机碳的侵蚀量和空间分布,并与风蚀区的净第一性生产力(NPP)比较。结果发现土壤风蚀区的一个显著特征是表层土壤有机质含量较小,并且随着土壤风蚀强度的增加,相应的表层土壤平均有机质含量和NPP基本上逐渐减小,而相应的土壤有机碳的侵蚀量却明显增大。在中国北方严重风蚀的脆弱生态区,土壤有机碳的侵蚀量超过了NPP,风蚀影响了生态系统的正常碳循环。     

神农架大九湖泥炭湿地CH4通量特征及其影响因子

开展大九湖湿地生态系统CH₄通量研究,对深入了解碳循环机制、科学经营以及准确评估湿地生态系统碳收支等方面具有重要意义.以湖北省神农架林区大九湖亚高山泥炭湿地为研究区域,采用涡度相关法对CH₄通量进行原位连续观测,分析了泥炭湿地CH₄通量变化特征及其影响因素.结果表明,大九湖泥炭湿地在2015年8月至2016年5月期间表现为CH₄的源,日通量均值为15.57 nmol·m-2·s-1.CH₄通量具有“夜间极大值”(2:00或22:00) 和“三峰模式”(6:00、12:00和22:00) 两种昼夜变化规律;CH₄通量具有明显季节变化规律,8月释放最多(36.46 nmol·m-2·s-1),3月释放最少(3.92 nmol·m-2·s-1).相关性分析表明,大九湖泥炭湿地CH₄通量受空气温度(T_a)、土壤温度(T_s)、土壤含水量(SWC)和摩擦风速(U*)的共同影响;不同时间尺度上,各影响因子与CH₄通量的相关性有所差异.曲线拟合得出,CH₄通量与T_a和T_s呈指数增长趋势,与SWC呈二次曲线关系.      

杭州湾北岸芦潮港潮滩沉积物磁性特征的年际变化及其粒度控制

对杭州湾北岸芦潮港潮滩2007-2010年固定点沉积物进行了逐月的磁性测量和粒度分析,探讨了磁性特征的月际、年际变化及其与粒度的关系。结果显示,2007-2009年,芦潮港潮滩沉积物的磁性特征呈现出相似的季节性变化特征,磁性参数χ、χARM、SIRM以及比值χARM/SIRM总体上在12月次年7至月表现为高值,8-11月为低值,S-300变化趋势与之相反。粒度分析显示,每年12月至次年7月沉积物粒度总体较细,8-11月较粗,这说明潮滩较细沉积物中含有较多的亚铁磁性矿物,与已报道的2004-2005年研究结果相似。相比前三年,2010年1-7月及12月沉积物磁性矿物含量相对下降,8-11月份磁性矿物含量相对上升,导致2010年磁性参数月际变化幅度减小。同时,2010年沉积物粒度月际变化特征也发生了改变,即1-7月及12月沉积物粒度变粗,8-11月沉积物变细。相关分析表明,磁性参数与粒度之间的关系在2007-2010年中没有发生明显的变化,说明2010年沉积物粒度月际变化模式的改变是磁性特征月际变化改变的主导因素。尽管如此,长江流域来沙下降对河口潮滩沉积物物源的可能影响,仍需予以长期关注。     

基于M-K法对图们江干流含沙量年际变化的分析

本文选取图们江干流3个控制水文站的年含沙量资料,运用Mann-Kendall突变检验法进行统计分析,并对分析结果综合对比分析,得出图们江干流水土流失严重,特别是开山屯水文站以上断面,含沙量增加趋势明显,下垫面改变剧烈,人类活动已严重影响到当地气候变化,变得干旱少雨。通过本文对含沙量的趋势分析,以期为图们江流域水资源的科学管理与合理利用提供参考依据。     

神农架大九湖泥炭湿地甲烷通量特征及其与土壤微生物群落组成的关系

虽然神农架大九湖泥炭湿地的甲烷排放特征、土壤微生物群落组成已有一些研究,但是关于微生物群落与甲烷排放量的关系及影响的研究不多.采用涡度相关法和高通量测序技术,探讨2016年3月~2017年2月微生物对大九湖泥炭湿地CH₄通量排放的影响.结果表明,大九湖泥炭湿地研究期间表现为CH₄的源,年总排放量5 566.27 mg·m-2,日平均排放速率10.96 nmol·m-2·s-1;春、夏、秋、冬四季的平均通量分别为12.06、22.47、3.02、2.92 nmol·m-2·s-1;研究区优势菌为泉古菌（54.6%）、广古菌（18.9%）、酸杆菌（12.6%）等.对不同季节样品Shannon指数进行单因素分析,p值为0.000 127,分析结果表明:CH₄月通量变化均呈明显的倒“U”型;夏季CH₄通量最高,冬季最低;不同季节的微生物群落物种多样性存在显著差异;夏季、冬季微生物群落组成与CH₄通量分别呈显著正相关、显著负相关;未鉴别出的菌群和俭菌总门与CH₄通量呈极显著正相关关系,泉古菌门与CH₄通量呈极显著负相关关系.      

第三极地区气温和积雪的季节—年际气候预测研究

第三极地区气候多样、灾害频发,是影响全球和亚洲气候异常的关键区域,针对此地区开展季节—年际气候预测研究对于提高区域预报技巧以及减少灾害造成的影响具有重要的科学和指导意义.基于国家气候中心气候预测业务模式(BCC CSM1.1m)的历史回报和预测数据,对第三极地区2m气温和积雪的预测结果进行了确定性技巧评估,并分析了海洋因子对于预测技巧的调制作用.研究表明:该模式对于青藏高原及其周边地区气温和积雪的季节—年际气候预测具有一定的预测能力,对夏季气温的预测效果整体上好于冬季气温和积雪深度预测;预测技巧随着模式起报时间的提前而下降,但是存在技巧回升现象.研究也发现,海温异常因子对第三极地区的气候预测技巧具有不同程度的调制作用,厄尔尼诺等海洋信号能够通过直接和间接作用影响第三极地区的气候预测.     

全球气候变化对森林生态系统影响的研究(述评)

由于大气中二氧化碳等温室气体浓度的急剧增加,全球气候正呈现变暖多雨的趋势。全球气候变化对森林生态系统影响的研究是现代森林生态学的一个重要发展方向。本文综述了全球气候变化对森林生态系统影响研究的目的、内容和主要方法。全球气候变化将不同程度地影响森林生态系统分布、组成、结构、功能和生产力,同时也将影响生物多样性。森林生态系统的长期定位监测、实验生态学和生态系统的计算机建模是开展全球气候变化对森林生态系统影响研究的主要方法。最后简要探讨了全球气候变化对我国森林生态系统影响研究的现状及存在的问题。