1980s-2010s中国陆地生态系统土壤碳储量的变化

土壤作为陆地生态系统有机碳库的主体,在全球碳循环中起着重要作用。然而,当前区域土壤有机碳储量的变化情况及其碳源/汇功能仍然不清楚。利用中国1980s （1979-1985年）第二次土壤普查数据,同时收集整理2010s（2004-2014年）已发表的有关中国土壤有机碳储量（0~20 cm和0~100 cm）的文献数据,综合评估了1980s-2010s中国土壤有机碳储量的变化情况,并分析森林、草地、农田和湿地等生态系统土壤碳源/汇功能;同时结合现有的中国植被碳储量变化研究,进一步探讨了1980s-2010s中国陆地生态系统的碳源/汇效应。研究发现：① 1980s-2010s中国土壤（0~100 cm）有机碳储量净增长3.04±1.65 Pg C,增长速率为0.101±0.055 Pg C yr^-1,其中表层土壤（0~20 cm）的碳汇效应明显;② 森林土壤是固碳主体,净增长2.52±0.77 Pg C,而草地和农田土壤增长有限,分别为0.40±0.78和0.07±0.31 Pg C;③ 湿地有机碳储量净减少0.76±0.29 Pg C;④ 中国陆地生态系统的碳汇效应较强,总碳汇量相当于同期（1980-2009年）化石燃料和水泥生产排放CO₂总量的14.85%~27.79%。随着中国森林和草地生态系统植被和土壤的进一步保护、恢复和重建,中国陆地生态系统具有较大的碳汇潜力,在未来全球碳平衡中将发挥更大的作用。     

欧亚大陆草原地上生物量的空间格局及其与环境因子的关系

本文以欧亚大陆草原为研究对象,收集和整合分析了该区域采用收获法实测的地上生物量数据,探讨了地上生物量的空间分布规律,地上生物量空间格局与环境因子之间的关系。主要结论为：① 欧亚大陆草原地上生物量的空间格局具有复杂的水平和垂直地带性分布规律,具体表现为：随着纬度的升高,海拔的升高,地上生物量都呈开口向下的抛物线变化趋势;随着经度的增大,呈开口向上的抛物线变化趋势。② 欧亚大陆草原地上生物量的空间分布虽然与年平均温度、年总太阳辐射、表层土壤（0~30 cm）的砾石含量、pH和有机碳含量有一定的相关关系,但是,主要受到年总降水量空间变异的影响。③ 欧亚大陆草原地上生物量的空间格局与年总降水量空间变异之间呈现为高斯函数关系,这主要是由青藏高原独特的草原分布与环境因素空间格局特征决定的。     

青藏高原金露梅灌丛草甸净生态系统CO_2交换量的季节变异及其环境控制机制

利用涡度相关技术,对2003年和2004年青藏高原金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量观测表明,金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量日变化、年变化明显,且日变化暖季大于冷季．CO2净交换量在年内的4,9月为两个释放高峰期,以7和8月的吸收量最大．2年的CO2吸收分别为231．4和274．8 gCO2·m-2,平均为253．1 gCO2·m2,在区域起着重要的碳汇功能．CO2日交换量与温度、辐射等气象因素具有显著的负相关关系．受年际间气候差异影响,两年CO2释放和吸收高峰出现及维持时间具有微小的差异．比较发现,各年白天CO2通量受光合辐射的控制作用基本相同,温度条件似乎成为影响CO2通量的重要环境因子．在植物生长季温度过高明显时,会降低碳的吸收能力．其原因可能是由于高温度条件下土壤呼吸增强有关引起的．生物量测定表明。2003和2004年的地上和地下生物年净固碳量分别为544．0和559．4 gC·m-2,与CO2年净交换吸收碳量(分别为63．1和74．9 gC·m-2)基本趋势一致．     

中国森林叶片功能属性的纬度格局及其影响因素

为了探究森林植物叶片功能属性的地理格局及其影响因素,在2013年7-8月期间系统调查了中国东部南北样带9个森林生态系统的847种植物的叶片面积（LA）、叶片厚度（LT）、比叶面积（SLA）和叶片干物质含量（LDMC）,并结合群落结构计算了各属性的群落加权平均值（LA_CWM、SLA_CWM、LT_CWM和LDMC_CWM）。结果显示：847种植物的LA、LT、SLA和LDMC的平均值（±标准误）分别为2860.01±135.37 mm²、0.17±0.003 mm、20.15±0.43 m² kg^-1和 316.73±3.81 mg g^-1。SLA和LDMC表现出了明显的纬度格局,随着纬度增加,SLA逐渐增加,LDMC降低;然而,LA和LT沿纬度的变化趋势不明显（R² = 0.02 ~ 0.06）。不同植物类型之间叶片属性的差异是影响LA、LT、SLA和LDMC空间变化的主要因素;叶片功能属性的群落加权值表现出了更加明显的纬度分布格局（R² = 0.46 ~ 0.71）,这主要受到了气候因素和土壤N含量的影响。本文结果完善了中国区域森林生态系统叶片功能属性地理分布的数据库,同时强调了在研究植物属性空间格局时,考虑群落结构在尺度扩展中的重要性。     

近50年中国地表净辐射的时空变化特征分析

基于GIS空间分析技术与Mann-Kendall趋势分析方法,对中国陆地区域699个气象站点1961-2010年逐年、季平均地表净辐射进行时空变化特征分析,结果表明:(1)参数拟合后的FAO Penman修正式对模拟站点逐日地表净辐射的总体精度较高,均方根误差为27.9W.m-2,相关系数为0.85,平均相对误差为0.13;(2)全国近50年站点平均地表净辐射在年、季均呈现出较明显的下降过程,年均降幅为0.74W.m-2.10a-1,不同季节的下降幅度存在差异,夏季降幅最大;(3)逐站点分析显示全国大部分站点(59.8%)年均地表净辐射呈显著下降趋势(0.05),东部趋势变化比西部明显,夏季在地表净辐射年际变化中的贡献最大,华北、华中、华南地区的站点在春夏秋季均呈显著下降趋势。     

植被功能型、气候和土壤氮素对中国东部南北样带叶片氮浓度空间格局的影响

我们通过采集中国东部南北样带（NSTEC）上112个样点的102种植物叶片样品,分析了植物叶片氮浓度对植被功能型（PFTs）以及环境因素的响应特征。研究结果表明：（1）植物叶片氮浓度均值为17．7mg.g^-1,最大值和最小值分别出现在落叶阔叶植物和常绿针叶植物中。对乔木而言,叶片氮浓度表现为落叶植物〉常绿植物,阔叶植物〉针叶植物;乔木和灌木的叶片氮浓度显著高于草本植物,而乔木和灌木之间则无显著差异。（2）叶片氮浓度与年均温度（MAT）呈现凸型二次曲线关系,与年均降水量（MAP）则呈现显著的线性负相关关系,与土壤氮素浓度（Nsoil）则线性正相关,并且这种关系并不随着植被功能型的改变而改变。（3）PFTs,气候和Nsoil共同解释植物叶片氮浓度空间格局变异的46．1％,其中PFTs,气候和Nsoil可分别独立解释植物叶片氮浓度空间格局变异的15．6％,2．3％,4．7％。该研究结果表明,气候和土壤氮素对植物叶片氮浓度的影响主要是通过作用于生态系统中的物种组成,而非直接作用实现的。这种基于较大区域尺度上的野外观测分析有助于我们准确的理解植被功能型和环境因素对叶片氮浓度变异的影响机制。     

基于MapReduce的空间敏感性分析并行算法设计

近年来,随着遥感空间数据广泛应用于生态系统,推动了区域尺度生态遥感参数模型的发展。敏感性分析对识别模型关键参数,降低模型不确定性和完善模型具有重要作用。区域尺度的生态遥感参数模型,在进行模型参数敏感性分析时,由于涉及到空间数据的复杂运算,单机环境无法满足快速分析的要求。为了提高生态遥感参数模型空间敏感性分析效率,本文以青藏高原为研究区域,利用植被光合模型VPM(Vegetation Photosynthesis Model)和开源云计算平台Hadoop,设计和实现了基于Sobol′的生态遥感参数模型空间敏感性分析并行算法,并在实验室集群环境下进行算法分析,验证了算法的有效性和适用性。该算法的核心是利用MapReduce并行编程技术,对空间敏感性分析中的地图抽样和模型迭代过程进行任务分割,将分割后的子任务分配至不同的计算节点进行并行计算。实验表明,本文提出的并行策略,能有效缩短地图抽样和模型迭代计算时间,相比于单机算法,并行算法的运行速度提高了14倍左右。     

干旱对陆地生态系统水碳过程的影响研究进展

在全球气候变化与生态系统研究领域中, 干旱对生态系统水碳过程的影响越来越受到重 视。在植物个体水平上, 干旱会引起植物叶片气孔导度降低, 溶质含量增加, 叶片变厚、地下生物 量比例增加等以减少水分损失。与此同时, 植物叶片的光合速率也因气孔导度的降低而下降。适 度的干旱通常会使植物利用效率得到提高。不同植物具有不同的水分利用策略, 它们的生理和形 态特征对干旱的响应表现出显著的差异性; 在群落或生态系统水平上, 干旱会影响群落冠层的生 理特性以及群落的结构组成, 从而引起生态系统的水碳循环过程的改变。主要体现为植被的光合 速率、呼吸速率、蒸腾速率降低, 而生态系统的水分利用效率在极端干旱条件下也可能降低。受干 旱影响, 植物群落耐旱植物所占比例增加, 群落的物种多样性和生产力也会降低。尽管目前有关 干旱对生态系统水碳过程影响在各个层面都已涉及, 但这些研究内容多是彼此孤立的, 为了深入 认识生态系统对干旱的响应机理, 还需要结合多种技术手段, 综合考虑生态系统水循环、碳循环、 氮循环等多过程间的耦合关系, 并建立生态系统不同层次间和时间尺度间机理联系的理论体系。     

陆地生态系统与全球变化的联网观测研究进展

全球变化引起的环境问题已成为国际社会及其科技界共同关注的重大挑战。陆地生态系统的联网观测作为研究全球变化与陆地生态系统相互关系的一种有效手段,越来越受到人们的重视,并且得到了广泛的应用。本文讨论了陆地生态系统联网观测在全球变化科学研究中的作用和地位,并简要介绍了几个有影响的国际陆地生态系统联网观测计划。在此基础上,分析评述了中国陆地生态系统联网观测研究的主要进展以及在全球变化研究中做出的主要贡献,并结合我国科学技术和社会经济发展的需求,指出了近期中国陆地生态系统联网观测研究应该重点发展的领域。     

基于空间化技术对中国近50年平均气温时空演变特征的研究

结合GIS空间化技术,对中国近50年平均气温数据进行定量化的分析,并分析其时空演变规律。采用空间化气候值 年际距平空间插值法生成中国1951—2001年分辨率为10 km×10 km的年、季平均气温空间化数据,通过对近50年空间化数据的分析,认为近50年中,年、季的全国平均气温都表现出显著增温趋势,冬季增幅最大,为0.313℃/10a,夏季增幅最小,为0.152℃/10a,年平均气温增幅为0.208℃/10a。1980年代中期以后增温趋势更加明显。从空间分布看,我国西南地区及西藏东南部和新疆西天山中段在不同季节都是主要的降温区域,而北方大部和西藏中西部地区在不同季节都表现为较强的增温趋势,我国东南地区在不同季节温度变化并不稳定,增温或降温的幅度都很小。暖冬事件在北方发生比较频繁,四川及云南部分地区较少,全国发生面积呈逐渐增大的趋势,增幅为国土面积的8.6%/10a。冷夏在新疆南部、西藏西北部和东南部以及江淮一带发生次数较多,辽宁南部、新疆沙漠地区、西藏中部、青海东部、四川大部分地区以及长江以南广大地区最少。全国发生冷夏的面积不断减小,50年平均减幅约为国土面积的5.8%/10a。