生物地球化学的概念与方法——DNDC模型的发展

生物地球化学作为一个学科包含4个概念,即生物地球化学量、流、群和场.这4个概念从不同角度描述了生命与其环境的关系.生物地球化学量探索生命及其无机环境在元素丰度上的相似性,这种相似性决定了生命体对环境化学状态的依赖性.生物地球化学流描写化学元素在生态系统中的迁移,此迁移导致了生命体与环境间的物质和能量交换.生物地球化学群描述化学元素在迁移转化时的复杂组合关系及其生物效应.生物地球化学场是生态系统中控制生物地球化学反应的各种环境营力的总和.生物地球化学模型即是这一综合力场及其对化学元素迁移转化影响的数学描述,DNDC模型即基于这些概念发展起来.DNDC模型可用来预测陆地生态系统中碳和氮的生物地球化学行为,该模型已被一些国家用来预测农业土壤的长期肥力和温室气体排放.     

硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程记录的海洋氮循环研究进展

海洋生态系统中的氮素生物地球化学循环主要是由微生物的代谢过程来驱动的,包括氮固定、氮同化、硝化以及反硝化和厌氧氨氧化过程,这些过程都伴随着不同程度的氮氧同位素的分馏,直接影响着海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素组成.因此,通过检测海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号,就可以捕捉到海洋中发生的具体氮素循环过程.细菌反硝化法是这一研究最有力的手段,通过细菌的作用把硝酸盐中记录的氮氧稳定同位素信号转化到N2O中,再通过痕量N2O的同位素质谱测定和分析,准确地反映海洋中发生的氮素转化过程.硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程为深入理解海洋氮循环提供了一个重要的工具,有力推动了海洋氮素生物地球化学的研究,在近10年来取得了重要进展.     

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

植物中汞的研究进展

植物生态系统中汞的环境过程是生物地球化学循环过程的重要组成部分，且与整个生态系统中各物种的生存和发展密切相关。本文介绍了植物中汞生物地球化学循环的进展，包括汞对植物的生物毒性、植物中汞的来源、分布与迁移转化、植物大气间汞的交换过程及其研究方法，以及植被在生态系统间汞循环中的重要作用，最后简要介绍今后的研究重点和热点。     

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。     

植被生态系统汞的生物地球化学循环研究进展与挑战

汞是联合国环境规划署重点管控的全球性污染物.植被是联结大气圈与土壤圈的关键纽带,在全球汞生物地球化学循环中扮演着举足轻重的角色.植被生态系统是全球大气重要的汞汇,但由于大气-植被-土壤的汞界面交换过程及植物组织中汞的分布、来源与迁移转化规律及驱动机制认识不清,致使当前的全球汞生物地球化学循环模型缺失植被过程模块,无法厘定全球植被的大气汞汇通量.近年来迅速发展的汞同位素地球化学、同步辐射和微气象汞通量观测等新方法,为多层次解析不同类型植被与土壤及大气界面汞交换过程,阐明植物组织中汞的分布、来源与迁移规律提升了可能,能为进一步解决当前森林生态系统汞的生物地球化学循环的研究难点提供独辟蹊径的视角.     

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。     

硅的生物地球化学循环研究进展

生命元素硅在陆地生态系统和水生生态系统中都扮演着重要的角色。它的生物地球化学循环与全球碳循环和全球气候交化密切相关。因此,近年来逐渐成为研究的热点。本文概述了近年来国内外有关硅的生物地球化学循环的研究进展,包括陆地和海洋中硅的生物地球化学循环过程及人类活动对硅循环的影响等方面,指出日前研究中存在的问题,展望了研究的重点。     

喀斯特系统生物地球化学循环及对全球变化的响应

生物地球化学循环是地球系统物质循环的核心,是维系地表生态系统稳定和人类社会可持续发展的重要基础。然而,气候变化以及人类的过度干扰可能会显著改变表层地球系统中的生物地球化学循环过程,尤其是脆弱的喀斯特生态系统。特殊的多孔隙关键带结构也加速了喀斯特地区物质循环及其对外界环境变化的响应,影响了不同尺度的物质循环和生物地球化学过程。本研究主要综述了宏观尺度（气候变化）、中尺度（人类活动）和微观尺度（微生物活动）的环境变化对喀斯特地区生物地球化学循环的影响。结果表明多要素变化导致喀斯特地区物质循环受到强烈影响,气候变化、人类活动和微生物活动及其耦合关系对喀斯特地区生物地球化学循环的调控作用具有重要意义。最后,本研究强调了现有研究的局限性并指出未来研究的挑战与方向,即未来应从系统研究（如地球关键带）的视角出发,将多尺度观测－分析与综合模型集成研究并举,从而构建多源多尺度耦合的过程和系统模型,进而为阐明喀斯特系统的演变规律和动力学机制、实现喀斯特地区的生态保护和高质量发展提供理论基础。      

潮滩生态系统中生源要素氮的生物地球化学过程研究综述

海岸带潮滩生源要素生物地球化学循环过程是国际地圈生物圈计划（IGBP）、海岸带陆海交互作用（LOICZ）研究的重要内容,也是全球变化区域响应研究中的重要组成部分。在过去的10～20年之间,潮滩生源要素氮的生物地球化学循环研究得到了长足的发展。基于此,较为全面、系统地总结和分析了有关潮滩氮营养盐的来源、潮滩氮素的物理、化学和生物迁移转化过程及氮素地球化学循环过程中底栖生物效应等一系列研究成果,并提出了今后潮滩生源要素氮的生物地球化学循环研究重点和发展趋向。     

中国农田的温室气体排放

中国是一个农业大国,拥有约1.33百万平方公里的农田。这些田地的种植、翻耕、施肥、灌溉等管理措施不仅长期改变着农田生态系统中的化学元素循环,而且给全球气候变化带来影响。农业生态系统对全球变化的影响主要是通过改变3种温室气体,即二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N₂O)在土壤-大气界面的交换而实现的。为了分析多种因素(如气候、土壤质地、农作物品种及各种农田经营管理措施等)对农业土壤释放CO_22222222     

海洋生物地球化学模式研究进展

海洋生物地球化学模式是定量认识物质的海洋生物地球化学循环、理解其控制机制以及预测体系变动的重要手段。20世纪90年代以来,该研究领域的进展主要体现在海洋生物地球化学循环的物理输送和生态动力学过程以及年际、年代际变动的模拟3个方面。物理过程模拟方面的进展,集中在寡营养海区上层海水营养盐的供应机制问题上,在经典的上升流、垂直扩散之外,提出涡旋可能构成一种重要的物理输入过程。而生态动力学过程的模拟方面,90年代前期考虑食物网基本结构,由浮游植物、浮游动物和细菌三大类群构成生物状态变量,氮和磷营养盐以及颗粒碎屑构成其他状态变量;90年代后期,开始引入铁和硅的限制问题,考虑不同浮游植物和浮游动物群落结构的影响,特别是浮游植物粒级结构变化的预测可能是未来该领域力图解决的一个技术问题。年际变化的模拟,多围绕ENSO事件对初级生产的影响及其机制问题展开;年代际和地质年代尺度的体系变动问题仍存在争论,相对缺乏有效的数值模拟研究。该研究领域未来应加强生物—化学过程的函数表达、物理模式、中尺度过程、边界交换以及资料获取技术等方面的研究,以应对目前面临的诸多问题与挑战。     

气候变化对黄土碳库效应影响的敏感性研究

中国黄土分布广、厚度大,是古气候变化的良好记录载体,然而黄土在大气CO2循环中到底是源还是汇一直是困扰人们的一个问题.本文利用陆相生态系统中的生物地球化学模型,通过敏感性试验,模拟了土壤有机碳对气候变化的响应.结果表明:1)在各种稳定的气候条件下黄土的土壤有机质都是持续增加的,因此可以认为自然条件下黄土是大气CO2的一个汇;2)温度和降水对黄土中土壤有机质含量的影响正好相反,表明湿度是影响黄土地区生态环境的主要因素,温度和降水都是通过对湿度的影响来影响植被生态的;3)地表植被和土壤有机质是黄土碳库与大气CO2之间的重要媒介.黄土表层的生物地球化学过程是影响黄土碳汇效应的主要过程;4)黄土碳库的主要存在形式以次生碳酸盐为主,其次是土壤有机质,气态CO2只占很小比例.     

Dynamic simulation of littoral zone habitats in low Chesapeake Bay. II. Seagrass habitat primary production and water quality relationships

Seagrasses are indicators of ecosystem state because they are sensitive to variations in water composition and clarity resulting from watershed-level impacts. A simulation model designed to studyZostera marina (eelgrass) habitat dynamics in a variable littoral zone environment was used to address the potential ecological responses to eutrophication in lower Chesapeake Bay. The adjacent channel boundary environment is a source of dissolved and particulate materials to the littoral zone. In the simulations, concentrations of key water quality variables in the adjacent estuarine channel boundary were either halved or doubled relative to the base case to investigate light versus nitrogen effects. The role of the seagrass meadow in littoral zone carbon and nitrogen dynamics was evaluated when meadow size was changed in the model. Particulate and dissolved organic carbon accounted for 83% of the submarine light attenuation in the seagrass meadow. In all model runs, the water column concentrations of chlorophylla and dissolved inorganic nitrogen (DIN) were below the habitat criteria proposed as critical to seagrass survival. Eelgrass community production was carefully regulated by the interactive effects of light, nitrogen, and grazing on epiphyte growth. Increased eelgrass coverage in the littoral zone led to a simulated doubling of ecosystem primary production but reduced the fraction of production by planktonic and sediment microalgae. The simulation model presented here demonstrated the importance of material input from the channel in littoral zone biogeochemical dynamics. Submarine ligh regulated primary production more strongly than inorganic nitrogen concentrations in the model. External DIN concentrations influenced seagrass survival indirectly: enrichment stimulated growth of epiphytes and phytoplankton and promoted shading of the seagras leaf. The model was based upon a unimpacted ecosystem and deteriorated water quality negatively influenced primary production greater than the increases triggered by improved condition. Increased material loading to the littoral zone reduced submarine light availability, increased phytoplankton production, lowered ecosystem production, and reduced subtidal vegetated habitat. This simulation model of the estuarine littoral zone model combines hydrodynamics, biogeochemical sources and sinks, and living resources in order to better understand structure, function, and change in aquatic ecosystems.     

DNDC模型对我国旱地N2O释放的拟合对比分析

本文根据贵州省玉米－油菜轮作田、休耕地和大豆－冬小麦轮作田的N2O释放通量及其影响因子季节变化的是观测结果，对比分析了DNDC模型计算与三试验田田间观测在N2O释放通量及其主要影响因子季节变化上的拟合程度。结果表明，对N2O释放通量、土壤NO3^-和NH4^ 含量、土壤湿度和土温，模型计算结果与田间观测具有相似的季节变化模式和相近的数值，模型较好地反映了上述参数的动态变化过程。据此，推算出贵州省农业土壤N2O年释放量，并分析了气候变化和农业活动对释放量的潜在影响。     

Modelling river-floodplain interaction during flood propagation

The (re)integration of flood storage areas in the river system is considered and proved as an effective flood protection measure. By their (controlled) filling and emptying, inundation risks for downstream areas with higher vulnerability can be reduced. They have an influence not only on the flood level, but also on the residence time of the water in the river ecosystem, which is an important biological parameter. A good prediction of storage flow is therefore necessary in an integrated ecosystem model. In such a model, which is being developed by the universities of Ghent and Antwerp, hydraulic, biological and biogeochemical processes are coupled. In this paper, a one-dimensional hydrodynamic module of the integrated STRIVE (STReam RIVer Ecosystem) model, which is based on the de Saint–Venant equations and solved by the Preissmann scheme, is adapted to be able to include flow exchange with storage cells. This model is validated with experimental laboratory measurements on a small scale. The flow between the storage cells and the river is controlled by weirs (flooded river banks). Model simulations with STRIVE are also compared with HEC-RAS simulations. Good agreement between simulations of both models and between the STRIVE simulations and the measurements is found.     

“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划进展综述

西南河流源区是中国的水资源战略储备区,但其未来水资源演变趋势不明,为厘清气候变化下的径流变化规律以开展适应性利用,国家自然科学基金委于2015年启动了“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划,本文对重大研究计划的总体情况和主要进展进行综述。重大研究计划实施以来取得了一系列研究成果:构建了西南河流源区天空地一体化监测体系,有效提升了西南河流源区的监测能力;创新了高原寒区径流水源组成的多元综合解析方法,揭示了高原寒区典型径流水源的形成机理及气候驱动下流域下垫面与水文系统的协同变化机理;创建了综合冰雪冻土寒区水文过程和示踪过程的分布式同位素水文模型,揭示了雅鲁藏布江径流变化的历史规律和未来趋势;提出了河流全物质通量概念,开展了大量取样检测,揭示了高原河流生源物质循环及生物响应规律,量化了澜沧江梯级水库运行的环境累积效应;发展了多目标互馈系统理论,从水量、水能、水质3个方面创新了梯级水库适应性利用技术,为西南水电消纳、澜沧江-湄公河水资源合作等国家重大需求提供了支撑。