祁连山海北高寒湿地植物群落结构及生态特征

海北高寒湿地系沼泽型和湖泊型湿地相并存.海北高寒湿地植物种类组成较少,从湿地中央到边缘植物优势种组成不同,群落结构变化明显.中部以帕米尔苔草为主要植物建群种的沼泽草甸,边缘地带以藏嵩草为主要建群种的沼泽化草甸,从中央到边缘地带主要有25种植物组成,隶属10科20属.高寒湿地植物有较高的地上生物量(349.373 g·m^-2)和地下生物量(仅1~40 cm层次最高可达10769.301 g·m^-2),而且地下部分远高于地上部分,地下生物量从表层到深层基本均匀下降,与矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸区的地下生物量分布截然不同.因湿地帕米尔苔草、藏嵩草、黑褐苔草、华扁穗草等为主的植物粗纤维高,牲畜利用率下降,不论地上还是地下对土壤有机物的补给均较高,多年的积累使其海北高寒湿地有深达2~3 m的泥炭层,使湿地形成一个非常重要的碳库.在气候变暖的条件下,这些未分解或半分解的土壤有机物质(或残体)将加速分解,对大气有更多的CO₂、CH₄等温室气体的排放.     

生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中作用初探

生态化学计量学（Ecological stoichiometry）是利用元素比率来研究生态过程和生态作用的学科,它通过化学计量关系将从分子至生态系统的各个层次有机联系起来,已成为联系微观与宏观生态学研究的有力工具。生态化学计量学的两个非常重要的假设是内稳性假说（Homeostatic hypothesis）和生长率假说（Growth rate hypothesis）,已在不同的研究层次上得到了验证或应用。前者是指在生活环境（或资源）的化学元素组成发生变化的情况下,生物体具有的保持自身化学元素组成相对稳定的能力;后者是指生物体的C：N：P比率对其生长速率具有较强的调控作用,通常生长速率较高的组分会具有高的N：C和P：C比以及较低的N：P比值。经过近20年的发展,生态化学计量学的研究已从化学计量内稳性较高的水生生态系统扩展到化学计量特征变化范围较大的陆地生态系统,研究对象已涉及酶、微生物、动物、植物、食物链和食物网等多个层次,并逐渐被应用于解决或预测区域甚至全球的生态环境问题。生态系统不同组分的C：N：P计量关系的内稳性以及其生长率与异速分配相适应的调节机理,是维持生态系统结构和功能的重要机制之一。然而,目前学术界还未对生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中的作用给予关注,更缺乏相关的理论研究和系统性的论述。本文回顾了生态化学计量学研究的发展历程及其在不同领域的进展与应用;在此基础上,探讨了生态化学计量学在陆地生态系统碳-氮-水耦合循环理论体系中的潜在作用,并展望了生态化学计量学与生态系统碳-氮-水耦合循环理论整合研究的理论基础和重点发展方向,期望能推动相关研究领域的快速发展。     

中国陆地生态系统净初级生产力变化特征——基于过程模型和遥感模型的评估结果

净初级生产力（NPP）作为生态系统物质与能量循环的基础,是区域和全球尺度碳循环和碳收支研究的重要组成部分。研究区域和全球尺度的净初级生产力主要依靠模型手段实现,过程和遥感模型是目前广泛使用的两种模型形式。本文搜集并整理了基于过程模型和遥感模型对我国陆地生态系统净初级生产力的模拟结果,分析了中国陆地生态系统净初级生产力的时间变化及对未来气候变化的响应特征,旨在对其进行综合评价。结果表明,中国陆地生态系统NPP平均为（2.828±0.827）PgC.a-1。1982-1998年的年际变化特征上,NPP平均每年增加0.027 PgC,年增长率为1.07%,总体上呈现在波动中逐年上升的趋势。不同植被类型的单位面积NPP总体表现为常绿阔叶林显著高于其他植被类型,但不同研究结果间变化范围很大;落叶针叶林、常绿针叶林和落叶阔叶林相差较小;农作物低于阔叶林,但高于针叶林;草地和荒漠均位于低值区,但前者显著高于后者。不同植被类型的NPP总量总体表现为农作物和草地位居前两位,两者之和高达各植被类型NPP总量之和的58.34%;除灌丛和常绿针叶林外,其余植被类型均不足总量的10%。在未来气候情景下,中国陆地生态系统NPP总体上可能表现为先增加后减小的趋势。     

大气水汽同位素组成的短期变异特征

Stable isotopes of atmospheric water vapor reveal rich information on water movement and phase changes in the atmosphere. Here we presented two nearly continuous time-series of δD and δ18O of atmospheric water vapor (δv) measured at hourly intervals in surface air in Beijing and above a winter wheat canopy in Shijiazhuang using in-situ meas-urement technique. During the precipitation events, the δv values in both Beijing and Shiji-azhuang were in the state of equilibrium with precipitation water, revealing the influence of precipitation processes. However, the δv departures from the equilibrium state were positively correlated with local relative humidity. Note that the δv tended to enrich in Beijing, but deplete in Shijiazhuang during the precipitation events, which mainly resulted from the influence of transpiration processes that enriched the δv in Shijiazhuang. On seasonal time-scale, the δv values were log-linear functions of water vapor mixing ratios in both Beijing and Shijiazhuang. The water vapor mixing ratio was an excellent predictor of the δv by the Rayleigh distillation mechanisms, indicating that air mass advection could also play an important role in deter-mining the δv. On a diurnal time-scale, the δv reached the minimum in the early afternoon hours in Beijing which was closely related to the atmospheric processes of boundary layer entrainment. During the peak of growing season of winter wheat, however, the δv reached the minimum in the early morning, and increased gradually through the daytime, and reached the maximum in the late afternoon, which was responsible by the interaction between boundary layer entrainment and the local atmospheric processes, such as transpiration and dew for-mation. This study has the implications for the important role of vegetation in determining the surface δv and highlights the need to conduct δv measurement on short-term (e.g. diurnal) time scales.     

中国喀斯特关键带岩石风化碳汇评估及其生态服务功能

喀斯特地区的岩石风化固碳被认为是全球遗漏碳汇之一,中国喀斯特地区的分布面积达344万km²,目前对其岩溶碳汇缺乏精确、系统的评估,对碳汇产生的机制仍存在争议。本文通过对喀斯特地区碳汇研究的回顾,详细介绍了适用于喀斯特地区固碳速率的估算方法,并对喀斯特地区的岩石风化碳汇进行再评估,然后将地球关键带科学概念引入喀斯特生态系统,阐述喀斯特关键带碳汇研究对生态系统服务和功能的意义。研究结果表明,中国喀斯特地区每年因岩溶作用产生的碳汇为4.74 Tg C yr^-1,未来中国需要加强岩石—土壤—水体—生物—大气复杂交互系统的基础数据收集,以明确各界面碳通量,对喀斯特关键带碳汇进行多尺度、多方法、全方位联合评估,在改善喀斯特生态系统功能、科学管理区域和国家碳收支及全球变化研究等方面为政府和学者提供参考。     

陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的基本科学问题、理论框架与研究方法

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环,它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而,自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系,在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上,探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程,提出该研究领域的基本科学问题,重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程,典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程,制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制,以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上,构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统,讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。     

长白山森林生态系统CO_2和水热通量的模拟研究

以基于过程的BEPS模型为基础,根据长白山温带阔叶红松林生态系统的生态过程机制,建立了能够描述半小时尺度生态系统通量日变化的模拟模型BEPS.应用该模型对2003年长白山温带阔叶红松林生长季内的CO2和水热通量的模拟结果表明:模型模拟的净生态系统生产力(NEP),潜热通量(LE),显热通量(Hs)与涡度相关系统的实测数据相关性较好,R2值分别达到0.68,0.75,0.71.模拟的长白山温带阔叶红松林生态系统的年累积NEP为300.5gC·m?2,与实测值也非常接近,说明应用该模型可以较好地模拟长白山温带阔叶红松林生态系统的CO2,水和热量交换过程.根据模型对不同气候变化情景下的NEP和蒸散(ET)的分析得出:长白山温带阔叶红松林生态系统的NEP对气候变化比较敏感,在气候变暖条件下该生态系统的碳汇功能可能会减弱.此外,作为基于过程的模型,BEPS对最大羧化速率(Vcmax)和最大气孔导度(gmax)等植物生理生态特征参数的变化反应也比较敏感.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO_2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础．但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段．可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难．人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段．在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化．结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0．75与0．866之间．RMSE在0．008μmol／m2与0．012μmol／m2之间,MAE在1．38μmol／m2与3．60μmol／m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统．其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度．最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象．该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法．     

基于遥感和地面数据的景观尺度叶面积指数和生物量的模拟

The method for simulating the temporal and spatial distribution patterns of leaf area index (LAI) and biomass at landscape scale using remote sensing images and surface data was discussed in this paper,The procedure was:(1) annual maximum normalized difference vegetation index (NDVI) over the landscape was calculated from TM images;(2) the relationship model between NDVI and LAI was built and annual maximum LAI over the landscape was simulated;(3) the relationship models between LAI and biomass were built and annual branch ,stem ,root and maximum leaf biomass over the landscape were simulated;(4) spatial distribution patterns of leaf biomass and LAI in different periods all the year round were obtained.The simulation was based on spatial analysis module GRID in ArcoInfo software ,The method is laso a kind of scaling method from patch scale to landscape scale ,A case study of Changbai Mountain Nature Reserve was dissertated ,Aalysis and primary validation were carried out to the simulated LAI and biomass for the major vegetation types in the Changbai Mountain in 1995.     

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。