大气氮沉降数值模拟的演替进程与模型筛选

中国是维持全球氮平衡的关键.以大气氮沉降为例,畜禽养殖、化肥施用、能源消耗等人为扰动致使活性氮的排放量与沉降量正持续走高,欧美已率先开展氮沉降及其引发的环境与经济后果的评估.中国省级或更大尺度的沉降规模,空间分布和输移途径资料较难获取,大气传输模型(ATMs)提供了经济可行的解决方案.通过概述ATMs的演进阶段和代表模型,并为应对我国缺乏氮沉降模拟专业模型的问题,建立一个总量近百的大气氮沉降相关模型(排放源含NH3、NOx和SO2的ATMs),以总揽世界模型发展全貌.理论上,模型的检验和相互比较以监测值与模拟值的定性分析为基础,中国面临的困境缺乏全国性的统一监测网络在短期内难以解决.事实上,大气氮沉降模型在污染场和浓度场的模拟过程中受到诸如大气环流、边界层高度等条件的制约进而影响模拟效果.NH3的特性对模型提出了更高要求.一方面通过参考相关文献归纳各种制约条件的相对重要性,另一方面结合模型自身架构(格网大小、垂直精度、气象场获取途径以及扩散模式的选取)、模拟过程(源排放、干沉降和扩散)、设计意图,力图以定性或半定量的方法探讨各个模型应对制约条件的能力,比较各自优劣,以期筛选出适用于模拟省域乃至全国大气氮沉降的数值模型.     

土壤水分监测与模拟研究进展

土壤水分是土地持续利用、水资源规划与管理、节水农业技术研究的基础,土壤水分的监测与模拟已经成为国际前沿研究领域的热点之一。本文总结了国内外在土壤水分监测、空间变异和预测模拟等方面的研究进展,分析了土壤水分研究的现状,并对发展趋势进行了展望。目前,“3S”技术在土壤水分监测中发挥着重要作用,世界上一些发达国家已实现土壤水分监测的实时化、网络化,以及数据处理的自动化和智能化,而国内同类工作相对滞后;地统计学理论已被广泛用于分析土壤水分空间变异性,但多局限于相对小的空间尺度,对大尺度土壤水分空间格局及其变异性研究还有待深入;已有模拟模型各有长处与不足,以“3S”技术和地统计学方法为手段,应用非参数化方法建立综合性的土壤水分预测模型将是土壤水分模拟发展的主要趋势。     

土壤风力侵蚀研究现状与进展

土壤风蚀实质上是土壤颗粒在风力作用下发生位移的自然过程,它包含了土壤夹带起沙、空间输移及沉降淀积等三个阶段。风蚀研究的根本任务是对土壤风蚀的范围、强度及数量进行监测、评价以及预测预报。为此,科学家在断面尺度、地块(图斑)尺度以及区域尺度上,以年、月、日、小时等时间尺度展开了研究。当前的风蚀研究主要有以下四个方向:实验室和野外风洞实验研究、野外观测与网络监测、风蚀评价以及风蚀估算与过程模拟研究等。实验室和野外风洞实验有助于人们深入理解风蚀的基本过程;而网络监测数据对于实现风蚀研究从局部到整体的尺度转换具有重要意义;在风蚀评价方面,对风蚀发源地的风蚀评价研究卓有成效,但针对风蚀物运移过程及沉降过程的研究成果还不多见;在风蚀估算和过程模拟方面,一些模型或应用系统已经在不同的区域以不同的时空尺度取得良好的效果,但是要将这些模型和系统在不同的时空尺度上做进一步推广还有许多工作要做。遥感和GIS等现代地理信息技术在区域尺度的风蚀研究中有着显著的优势,并贯穿了风蚀研究的全过程。     

新垦沙地农田土壤有机碳时空变异特征

针对河西走廊临泽绿洲边缘区域的新垦沙地农田,采用传统统计学和地统计学相结合的方法研究田块尺度的土壤有机碳时空变异特征。结果表明：（1）在本研究的空间尺度内,土壤有机碳含量在2.66～6.90 g·kg-1范围之间变化,平均值为4.45 g·kg-1,变异系数为24.5%;其空间分布呈明显的斑块状,最佳的变异函数理论模型为指数模型,其块金值和基台值分别为0.13和1.28,偏基台值和基台值的比值及变程分别为0.90及18.24 m;土壤有机碳空间分布与全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量及电导率显著正相关（p＜0.01）,与pH值显著负相关（p＜0.05）。（2）在本研究的监测时间尺度内（2004-2010年）,土壤有机碳年平均值在3.81～4.71 g·kg-1幅度内变化,变异系数为6.8%,无明显的变化趋势;土壤有机碳含量年际间变化与播种量显著正相关,与作物产量显著负相关,而与施氮量、灌溉量和地上部生物量相关不显著。综上所述,新垦沙地农田土壤有机碳含量较区域水平低,其田块尺度的空间异质性是由成土母质、地形等区域因素作用的结果,而对农田管理影响下的新垦沙地农田土壤有机碳含量演变规律的研究需建立在更长时间尺度的土壤监测数据基础上。     

多粒度的人群移动模拟通用模型及其应用

人群的移动模拟应用广泛,但为不同时空尺度模拟需求开发不同的模拟系统十分困难和繁琐。该文设计了一种人群的空间移动模型(GMPM),GMPM具有多粒度特性,可应用于不同的领域,满足不同空间尺度、时间尺度的人群移动模拟需求;同时,GMPM又是一种通用开发模型原型,基于GMPM可以构造针对不同应用领域的人群空间移动模拟模型。最后,介绍了不同时空尺度人群移动模拟应用案例。     

马占相思人工林土壤有机碳的异质性

以鹤山站马占相思林土壤为研究对象,对相关土壤、生物指标进行了分析。对马占相思人工林土壤的地统计学研究结果表明:马占相思人工林土壤有机碳和全氮在空间分布上存在着较为显著的空间自相关性,即自相关部分的空间异质性占主导地位,分别占总空间异质性程度的81.3%和84.2%。土壤有机碳分布的空间特征与土壤全氮分布空间特征具有较一致的空间异质性;林木根生物量的分布特征未表现出与土壤有机碳分布的一致空间异质性,这说明根生物量的分布特征在表层土0-15 cm有机碳的空间分布差异上不是主导因子。林地碳、氮不但存在传统统计学上的线性相关,它们也具有景观层次上的空间自相关,指数模型的拟合表明,在7.62 m小尺度范围内,土壤有机碳的空间自相关性存在,在6.60 m尺度范围内,全氮的空间自相关性存在。     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望

基于微气象学理论的涡度相关通量观测技术实现了对生态系统尺度的生产力、能量平衡和温室气体交换等功能和过程的直接测定,特别是全球尺度通量塔观测网络的联合观测是实现从生态现象观察和生态要素观测跨越到全球尺度生态系统功能状态变化观测的重大突破。本文回顾了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的创建及发展历程,系统介绍了ChinaFLUX的科学目标和设计理念、观测技术体系、观测数据的标准化处理及长期积累;综合评述了ChinaFLUX在陆地生态系统碳—氮—水的收支评估和交换过程的环境响应、碳通量时空格局及其形成机制等方面所取得的主要研究进展。最后,在探讨未来全球尺度通量塔观测网络发展趋势的基础上,提出了ChinaFLUX的主要发展方向、关键科学问题与未来工作重点,为中国通量观测研究事业的进一步发展提供理论参考。     

旅游用地时空演变及其环境效应研究综述

旅游用地时空演变及其环境效应研究从20世纪30年代开始逐渐引起国内外学者的关注,并在海滨度假区、游憩商务区、环城游憩带的空间形态变化过程和变化机制以及旅游用地开发对旅游地的生态环境影响等方面取得了一些成果.研究方法以实证研究为主,具体有野外调查、模拟实验和长期监测,野外调查法被采用的最多.先进的3S技术在已被应用于旅游用地及其环境影响研究方面,但仍处于探索阶段.尤其在国内对旅游用地环境的影响研究多以社会经济统计资料、环境监测资料为依据,以野外调查为手段,缺乏对新技术的广泛应用.研究存在动态演变模型构建不足、时空尺度单一、生态环境效应的过程与机理研究薄弱、环境效应数据的动态监测缺乏等的问题.指出未来研究的趋势是:旅游用地时空演变机制的动态模拟;旅游用地时空演变环境效应时空尺度的扩展;旅游用地时空演变的生态环境效应定量评价;旅游用地时空演变环境效应的监测与预测等.     

风沙活动对人工梭梭(Haloxylon ammodendron)林土壤碳氮含量的影响

风沙活动及其物质输移是关键的陆地地表过程,对沙地生态系统影响显著.以石羊河下游民勤县不同林龄人工梭梭(Haloxylon ammodendron)林为研究对象,研究了固沙造林对0-1m深度土壤碳氮含量的影响以及风蚀和降尘引起的碳氮含量变化特征,探讨了风沙活动对人工梭梭林土壤碳氮库的影响.结果 表明:35 a人工梭梭林0...     

反硝化-分解模型在荒漠土壤CH4和N2O通量估计中的应用

甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)等温室气体通量具有高度时空变化特点,通过野外站点直接测量耗时且费力。为弥补监测方面不足,解析变化环境下反硝化-分解模型(DNDC)模拟值和样地原位观测值之间的对应关系,探讨模型在温室气体预测方面的潜力具有意义。本文选择古尔班通古特沙漠,对氮沉降影响下荒漠土壤CH₄和N₂O通量进行了模拟估计,并与实测数据进行了对比分析。结果表明：DNDC模型可较好地模拟荒漠土壤N₂O通量的变化,模拟值与实测值显著相关(P<0.001);而模型对荒漠土壤CH₄吸收量的变化模拟效果不显著,但模拟的年累计吸收量与真实值较为符合。DNDC模型敏感性试验分析表明,随着年平均气温、土壤有机碳(SOC)含量和施氮量的增加,土壤N₂O排放量和CH₄的吸收量显著增加;年降水量对土壤N₂O和CH₄通量变化影响不显著;土壤容重与土壤N₂O排放量和C...     

祁连山青海云杉林动态监测样地土壤pH和养分的空间异质性

为了探讨青海云杉林对土壤pH和养分的影响,选择祁连山青海云杉林动态监测样地(340 m×300 m)为试验样地采集土样,利用经典统计学和地统计学方法对其空间异质性进行了研究。结果表明:(1)pH、水解氮和全磷为弱变异性,有机碳、全氮、速效磷、全钾和速效钾为中等变异性,它们的大小依次为速效钾 >有机碳 >速效磷 >全氮 >全钾 >水解氮 >全磷 >pH。(2)半方差最优模型拟合分析表明,pH、全氮、水解氮、全磷、速效磷和速效钾均符合球状模型,有机碳和全钾均符合指数模型;pH、有机碳、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾的变程依次为108.8 m、88.5 m、112.8 m、131.9 m、143.3 m、73.3 m、73.3 m和134.7 m。从空间结构特征看,pH具有中等强度的空间自相关,而养分表现出强烈的空间自相关。(3)pH和养分均呈斑块状分布,有机碳和氮素具有相似的空间分布格局,全磷和速效钾分布变化较为明显,速效磷和全钾分布变化较为平缓。上述研究结果可为祁连山青海云杉林土壤pH和养分的取样设计和空间分布图制作等提供参考,也可为青海云杉林的土壤环境恢复与重建提供科学依据。     

陆地生态系统模拟研究中IBIS模型开发应用的回顾和展望

全球动态植被模型(DGVM)是研究生态系统复杂过程和全球变化的强有力工具。本文基于过去20多年全球已发表的文献,对得到广泛关注和应用的DGVM之一——集成生物圈模拟器(Integrated Biosphere Simulator,IBIS)的开发、改进、发展及应用进行了总结。IBIS是一个在全球变化等多领域中有着广泛应用的模型。自1996年诞生以来,IBIS在陆地生态系统的碳、氮、水循环,植被动态、陆气耦合、水域系统耦合和气候变化影响等多个方面取得了验证和应用。本文较为系统地阐述了IBIS模型在V2.5版本后的不同发展方向,主要针对IBIS模型在水文过程(蒸散、土壤水分、地下水、径流)、植被动态(植被功能型、土地覆盖变化)、植被生理过程(植被物候、光合作用、植被生长、碳分配)、土壤生物地球化学过程(土壤碳氮循环及反馈、温室气体排放等)以及包括土地利用变化、干扰与管理等人类活动过程等方面的改进与发展进行了全面的综述;在此基础上,对模型在生态系统生产力、碳水收支、水分利用效率、温室气体排放、自然干扰(干旱、火灾、虫害)和人类活动(土地利用变化、农业经营)等方面的应用,以及模型的技术性改进方面进行了回顾;最后对模型的前景和进一步发展提出了一些见解。     

Construction and progress of Chinese terrestrial ecosystem carbon,nitrogen and water fluxes coordinated observation

Eddy Covariance technique (EC) achieves the direct measurement on ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes, and it provides scientific data for accurately assessing ecosystem functions in mitigating global climate change. This paper briefly reviewed the construction and development of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX), and systematically introduced the design principle and technology of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation system of ChinaFLUX. In addition, this paper summarized the main progress of ChinaFLUX in the ecosystem carbon, nitrogen and water exchange and environmental controlling mechanisms, the spatial pattern of carbon, nitrogen and water fluxes and biogeographical mechanisms, and the regional terrestrial ecosystem carbon budget assessment. Finally, the prospects and emphases of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation of ChinaFLUX are put forward to provide theoretical references for the development of flux observation and research in China.     

中国陆地生态系统碳氮水通量协同观测系统的建设及其科学研究（英文）

Eddy Covariance technique(EC) achieves the direct measurement on ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes, and it provides scientific data for accurately assessing ecosystem functions in mitigating global climate change. This paper briefly reviewed the construction and development of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network(China FLUX), and systematically introduced the design principle and technology of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation system of China FLUX. In addition, this paper summarized the main progress of China FLUX in the ecosystem carbon, nitrogen and water exchange and environmental controlling mechanisms, the spatial pattern of carbon, nitrogen and water fluxes and biogeographical mechanisms, and the regional terrestrial ecosystem carbon budget assessment. Finally, the prospects and emphases of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation of China FLUX are put forward to provide theoretical references for the development of flux observation and research in China.     

滨海滩涂土壤有机碳演变驱动因子框架

通过归纳、总结前人大量的研究成果,从土壤有机碳演变的尺度约束框架、滩涂土壤有机碳的核心控制因子以及演变的驱动因素3个方面进行总结。结果表明：①目前形成的监测技术约束下的碳库研究体系,其研究的结果忽视了机理性认识的未来需要,这对于应对未来气候变化条件下的滩涂湿地碳库变化风险稍显不足; ② 滩涂土壤有机碳演变的核心控制因子有泥沙、地貌与埋藏速率、植被与农业活动。滩涂围垦后的农业活动类型与方式是滩涂开发后影响土壤有机碳演变的核心要素,远远高于自然滩涂中的自然主导因子; ③ 不同因素在不同时空尺度上会对滩涂有机碳演变起到重要影响,其中,土地利用/覆被对于有机碳的影响机制是需要重点关注的核心命题; ④ 小尺度、长时间尺度有机碳循环机制的研究需要加强,同时,综合考量要素的时空尺度特性及其技术手段的提升,更加注重过程研究对于指导未来滩涂土壤有机碳研究更具有现实意义。     

我国南大洋海洋大气化学研究进展

海洋大气化学是一门海洋化学与大气化学交叉的新学科。中国的南大洋海洋大气化学研究与我国的南极考察事业同步成长。30多年来, 随着南极科学考察的经验积累和数据集成, 我国的南大洋海洋大气化学关键过程研究即大气-海洋生物地球化学循环, 碳、氮、硫、磷、铁等的海气交换研究都有了长足的进步。与气候变化关系密切的碳、氮、硫的海-气循环等研究, 取得了一批新的认知和成果, 引起国际学界的关注。自20世纪80年代早期开始至今, 我国已开展了三十多次南极科学考察, 在这些考察中开展了南大洋大气气溶胶物质来源研究, 探究了大气-海洋生物地球化学的一些关键过程, 估算了硫、磷、氮、铁的海气交换通量。随着国家重大计划“南极在全球变化中的响应与反馈作用”项目实施及后续研究的开展, 对全球变化的敏感要素碳、氮、硫、铁在南大洋的源汇特征及其环境和气候效应等进行了研究, 对其有了更深的了解。我们还对南大洋海冰区碳汇格局演变, DMS、MSA、N2O、Fe等的海气交换过程及其对生态环境的影响有了新认知。同时, 在对上述化学物种的实时走航观测关键技术研发上也取得了重要突破, 为未来开展相关研究提供了坚实的技术支持; 在站区大气污染特征分布上进行了深入探讨, 为了解人类活动对站区环境的影响提供了评估依据。     

陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展

陆地生态系统碳循环和氮循环密切相关, 碳贮量与碳通量在很大程度上受氮循环的影响 和限制。由于氮循环的复杂性, 在以往的大多数碳循环研究中, 更多考虑水分、温度和大气CO2 浓 度等因子的影响, 考虑碳氮相互作用的研究较少。氮素可限制植物光合、有机质分解、同化产物的 分配以及生态系统对大气CO2 浓度升高的响应。根据目前有关碳氮模型的发展状况可将碳氮耦 合循环模型分为三大类: 一是静态模型, 它的土壤养分水平或者叶氮含量不变, 是常数, 这类模型 适合于在站点或氮素浓度变化不大的区域应用; 二是土壤氮限制模型, 能够保持稳定的生态系统 氮收支, 在NPP(Net Primary Productivity, 净初级生产力)的模拟中考虑土壤氮有效性的动态变化 的影响, 使模拟结果更为合理; 三是叶氮限制模型, 在NPP 的模拟中考虑叶片氮浓度的动态变化 的影响。这三类模型虽然都考虑了氮对碳循环的限制作用, 但在氮碳循环机理方面尚有不少欠 缺, 所以在研究中可能会带来很大的不确定性。在以后的研究中, 应通过加强碳氮相互作用的实 验研究, 增进对碳氮过程的深入了解, 进而建立综合动态的碳氮耦合模型, 以减少目前碳循环研 究中的不确定性。     

森林土壤碳、氮淋失过程及其形成机制研究进展

大气氮沉降对森林生态系统碳截存和损耗过程的影响已引起广泛关注, 但对沉降氮在森 林生态系统中的去向、增氮对土壤中碳/氮转化过程的影响以及土壤氮饱和前后土壤渗漏液中溶 解性有机碳(DOC) 和溶解性有机氮(DON) 动态等方面的研究还不够深入。本文论述了近年来国 内外在土壤氮饱和及土壤碳、氮淋溶领域的最新研究进展, 从系统论的角度阐述土壤氮饱和过程 及内涵; 通过论述DOC 和DON 含量及其结构组成变化来揭示其对增氮/氮沉降的内在响应机 理; 论述了增氮对土壤无机氮转化的影响以及生物和非生物因素对沉降氮固持的贡献。指出土壤 氮饱和为土壤中的有效氮随时间增加超过了土壤中生物和非生物的持留能力, 导致土壤氮的净 矿化、净硝化、NO₃^-流失以及土壤酸化等过程发生一系列非线性变化。初步认为土壤中DOC 和 DON 对增氮的不同响应归因于氮素饱和过程的三个不同阶段。对于特定的生态系统来说, 需要 清楚地认识土壤氮素矿化、硝化、反硝化和固持等过程, 才能明晰土壤氮素状态以及随时间的演 变。另外, 指出在上述三个研究领域中存在的问题, 并提出拟解决的途径以及未来的可能研究方 向, 以期对该领域的研究提供参考。     

湿地生态系统碳通量研究进展

湿地碳循环在全球气候变化中起着重要作用,而湿地碳通量研究是湿地碳循环研究的关键问题。由于湿地独特的土壤、植被以及水文过程,使得湿地碳通量有别于其他类型的生态系统。湿地温室气体特别是CO2和CH2的释放水平具有明显的时空变化特征,其通量变化与许多外部因素相关,包括土壤状况、水文条件、植被类型、外源氮等。对近年来湿地生态系统碳汇功能变化以及影响碳通量相关因子的研究成果进行了系统的分析和综述。现有的研究表明,土壤状况对湿地碳通量影响较复杂,在一定范围内,表层土壤温度与气体排放密切相关,甚至呈正相关关系;土地利用／覆盖也影响湿地碳通量变化,导致湿地温室气体排放增加;水文条件特别是水位高度对湿地CO2和CH2排放的影响不同,高水位不利于CO2排出,CH2则与之相反;植被对湿地碳排放也起到正、负两方面作用,并且物种各异。还讨论了湿地碳通量研究进展的瓶颈问题,特别对植被演替较快的潮滩湿地碳通量研究做了展望。