陆地生态系统碳-氮-水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括:(1)植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;(2)土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;(3)生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目"森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制"的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。     

陆地生态系统碳循环对土地利用变化的响应

陆地生态系统碳循环在全球碳循环中占有重要地位,而土地利用变化是估测陆地生态系统碳储存与释放的最大不确定性因素。植被和土壤是陆地生态系统的两大碳库,是碳循环中的两个重要纽带,土地利用变化影响陆地生态系统土壤和植被碳的固定、积累与释放,从而影响整个碳循环过程。本文主要从土壤和植被碳库的角度出发,综述了近年来土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响及其机理,以及研究方法进展,着重分析了模型在此方面的应用;并提出了未来研究方向的展望。     

米亚罗林区冬季大型土壤动物的空间分布特征

土壤动物是陆地生态系统的组成部分,对多种地下生态过程具有重要的作用[1-2]。近些年,对土壤动物多样性及其功能的研究已成为生态学领域的一个新兴前沿[3-4]。土壤动物群落组成对植被变化有明显的依赖性,不同植被类型有着与其相适应的土壤动物群落[5-7]。但植被类型的变化常与海拔     

黄土高原植被水分利用效率对气候和植被指数的敏感性研究

生态系统水分利用效率(water use efficiency,WUE)连接了碳循环和水循环,是碳水耦合的重要参数。全面深入理解WUE的时空分布及其影响因素对预测陆地表面-大气相互作用和陆地生态系统的动态变化至关重要。该文基于大尺度遥感归一化植被指数(normalization difference vegetation index,NDVI)以及温度和降水栅格数据,采用中分辨率成像光谱仪的总初级生产力和蒸散产品计算2000—2014年黄土高原生态系统WUE,运用岭回归探究黄土高原WUE对温度、降水和NDVI的敏感性。结果表明:1)沿西北-东南随降水量的增加,黄土高原多年均WUE逐渐降低,且黄土高原西南部高海拔地区WUE最低;同时,WUE的年际变化明显,以2011年为转折点,2012—2014年WUE明显高于其他年份。2)WUE对温度的敏感性在整个黄土高原呈现正值,WUE对降水和NDVI的敏感性存在阈值效应,即小于500mm降水量,WUE随降水和NDVI的增加而升高,超过550mm降水量,WUE则随降水和NDVI增加而降低。3)草地和灌丛WUE与NDVI正相关,森林WUE与NDVI负相关;灌丛WUE对温度和降水的敏感度明显高于森林和草地。     

河北坝上地区植被恢复的土壤碳水效应

坝上地区植被恢复影响土壤水分和土壤有机碳含量,从而影响区域水源涵养和土壤固碳能力。为了保证植被恢复的可持续性,确定该地区土壤水分和有机碳对植被的响应对于维护生态系统的稳定具有重要意义。以林地、灌木、农地、草地为研究对象,研究0—200 cm土壤水分和有机碳的垂直分布特征,并确定影响其变化的驱动因素。结果表明:(1)与草地相比,植被恢复导致深层土壤水分亏缺,林地和灌木深层(120—200 cm)土壤水分亏缺效应分别为-0.23±0.08和-0.16±0.05;(2)与草地相比,植被恢复增加固碳效应,且随着土层深度的增加而增加;(3)对照草地的碳水耦合协调度始终显著高于其他植被类型(p＜0.05),且始终属于碳水平衡状态;而林地和灌木浅层土壤(0—60 cm)属于碳水协调状态,但深层(120—200 cm)碳水耦合协调度仅分别为0.54±0.03和0.57±0.04,处于失调状态。(4)土地利用对深层(120—200 cm)土壤有机碳和土壤水分的变化更加重要,而土壤质地是影响整个土壤剖面变化的稳定因素。研究认为该区域植被恢复固碳效应的增加是以深层土壤水分亏缺为代价,碳水失调影响区域生态恢复的可持续性。     

南方红壤严重侵蚀地不同恢复年限马尾松人工林生态系统碳储量特征

[目的]研究南方红壤侵蚀地不同恢复年限植被生态系统碳库储量,为该地区马尾松人工林制定合理的森林经营方式提供理论支持。[方法]以福建省长汀县河田镇裸地、不同恢复年限(10,20,30a生)马尾松人工林和天然次生林为研究对象,测定不同恢复阶段林地植被和土壤碳库储量。[结果]马尾松人工林植被恢复能够显著提高植被和土壤碳库储量。10a,20a,30a生马尾松人工林与裸地相比生态系统碳库储量分别增加2.80,3.54,8.56倍,但依然低于天然次生林;马尾松人工林植被恢复能够显著提高表层(0—10cm)土壤碳库储量,而对深层土壤碳库储量影响不显著;不同恢复阶段植被和土壤碳库增加速率不同,呈现非线性增加。[结论]南方红壤严重侵蚀地植被恢复能够增加生态系统碳库储量,但该地区土壤碳库的恢复是长期的缓慢过程。今后应加强南方红壤地区森林植被的保护,避免植被过度干扰和破坏而引起严重土壤侵蚀。     

冀西北地区不同生态系统枯落物的水文效应

[目的]揭示不同植被生态系统枯落物水文效应的差异,为张家口地区生态空间格局优化提供支撑。[方法]基于样地调查和统计分析方法,分别对冀西北地区张家口市森林、农田和草地3种生态系统的枯落物在生长季末期持水能力及其与生物量之间的关系进行分析。[结果]①森林生态系统枯落物的最大持水量(30.7t/hm~2)、有效拦蓄量(22.97t/hm~2)、有效拦蓄率(187.49%)和吸水速率(5.84g/h)4个指标均优于其他两类生态系统。②草地枯落物的各项水文指标均值皆高于农田,最大持水率甚至高于森林生态系统。③枯落物生物量与其最大持水量和有效拦蓄量呈显著正相关关系,而枯落物占生态系统总生物量的比例随总生物量增加呈幂数下降。[结论]如果造林营林方式正确,森林生态系统能够提升区域水源涵养水平,同时草地的水源涵养能力不容忽视,市域内大范围的耕地向草地扩展,将直接影响区域的水源涵养能力。以生物量表征的生态系统固碳能力与枯落物蓄水所反映的水源涵养能力之间的响应关系在生态系统不同尺度下具有不同的表现,在对区域生态空间格局进行优化时,需明确特定环境下不同生态系统类型枯落物的水源涵养能力及其变化对其他生态服务功能的影响,从而实现各生态系统平衡发展。     

中国典型陆地生态系统水分利用效率及其对气候的响应

水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是陆地生态系统碳-水耦合的重要指标之一,也是研究陆地生态系统响应全球变化的重要参数。深入了解生态系统WUE的长时序变化特征及其影响因素,对生态系统碳水循环研究以及水资源合理开发具有重要意义。该研究基于2003—2010年中国8个碳通量观测站的通量数据、气象数据分析WUE的年内、年际变化特征及其与关键气候因子之间的响应关系。研究表明:1)处于热带季风气候区的千烟洲、西双版纳、鼎湖山3个站点的WUE全年波动较大,无明显规律,其余5个站点的WUE则表现出明显的季节变化特征,均表现为在4—7月份之间,呈现显著增加的特征,在7—8月份达到最高值,8—10月份,WUE逐渐下降,在11月至次年2月份,植被WUE接近于0;2)2003—2010年间,高寒草甸(当雄)年均WUE值最低(0.18 g/kg),热带雨林(西双版纳)最高(4.20 g/kg)。人工针叶林(千烟洲)、热带雨林(西双版纳)、落叶阔叶林和针叶混合林(长白山)植被WUE呈下降趋势,其余5个生态系统年均WUE呈增加趋势;3)8 d时间尺度上,高寒草甸、农田、草原生态系统WU...     

沱江流域中游土壤有机质的空间变异特点及其影响因素

土壤有机质(SOM)是陆地生态系统中碳循环的重要源与汇[1-3]。其不仅能提高土壤肥力和生产力,且其对碳的固定也是人类应对大气CO2浓度升高的重要途径[4-5]。在区域尺度上,土壤有机质主要受气候、土地利用方式、地理因素如海拔高度、坡度和质地等差异的影响[6-9]。且不同自然地理条件和社会经济发展水平的区域,其土壤有机质的主要影响因素及其影响程度也会有所差异[10-12]。     

基于森林资源清查资料的森林碳储量计量方法

基于森林资源清查资料的森林碳储量估算是在景观、区域甚至全球尺度上评估森林碳收支的重要手段,且在陆地生态系统碳循环和全球变化研究中有着重要作用。森林植被碳储量的估计,常通过测定森林植被的生物量乘以生物量中碳元素的含量（0.45～0.55）推算而得。基于森林清查资料的森林生物量的估算方法主要有IPCC法,BEF为常数的生物量转换因子法,生物量转换因子连续函数法和生物量经验（回归）模型估计法等。概述了基于森林资源清查资料的森林植被碳储量的4种定量研究方法,并提出了该领域研究存在的主要问题与发展建议。分析结果表明,在今后的森林碳储量研究中,需要加强遥感技术手段的利用,增加碳通量在森林资源清查中的调查,开发适合我国实际情况的反演模型。     

川西高原土地利用碳储量估算及多情景预测

[目的]区域碳储量与土地利用密切相关。在“双碳”目标下,从碳储量视角开展重点区域土地利用变化预测研究,对协调与优化区域土地利用格局、提高区域生态系统未来固碳潜力具有重要参考价值。[方法]以川西高原为研究区,以2000年、2010年和2020年土地利用为数据源,预测不同情景下2030年土地利用,结合修正的土地利用碳密度数据和InVEST模型估算区域碳储量变化。[结果](1)从各地类相对研究区的面积占比变化看,2000—2020年草地从65.20%逐步缩减到63.65%,林地从31.73%不断扩张到32.92%,未利用地先减后增且净增0.57%,水域和耕地先增后减均净减0.11%,湿地持续增加,共净增0.07%;研究区2000年、2010年、2020年碳储量分别为24.26×10⁸,24.29×10⁸,24.27×10⁸ t,呈先增后减趋势。(2)与2020年相比,2030年自然发展情景下碳储量减少3.19×10⁵ t,在耕地保护情景、生态保护情景、耕地生态联合保护情景下将分别固碳4.29×10     

2000—2020年陕西省陆地生态系统NPP时空变化与潜力

[目的] 在“双碳”战略实施背景下,准确评估陆地生态系统固碳现状、速率与潜力对实现“碳中和”目标意义重大。陕西省横跨3个气候带,南北气候差异大,植被类型丰富。近年来,由于多项生态工程(退耕还林还草、三北防护林等)的实施,陕西省植被覆盖度进一步提升至60.7%,固碳能力巨大。陆地生态系统NPP(植被净初级生产力)是反映植被固碳能力的重要指标,然而,关于陕西省NPP的时空动态变化,以及NPP未来潜力的空间分布鲜有研究。[方法] 以陕西省陆地生态系统为研究对象,利用CASA模型和邻域相似空间分布法评估陕西省植被NPP及其潜力的时空分布特征。[结果] (1)陕西省植被总固碳量在2000年和2020年分别为687,1 020 Tg,增加333 Tg,增幅为48.5%。(2)陕西省NPP呈南高北低,中间存在最高值或最低值的空间分布态势,平均值在2000年和2020年分别为333.2,494.8 gC/m²,共增加161.6 gC/m²,增加幅度呈北高南低的分布态势。(3)陕西省生态系统NPP的实际最大潜力为2 304 Tg,相比于2020年增加41.3%,空间分布态势表现为由南到北逐渐降低,且空间分布特征均表现高度空间自相关特性,但局部差异较大。[结论] 陕西省植被总固碳量在2000—2020年显著增加,同时,未来植被固碳潜力巨大。评估和预测陕西省区域尺度生态系统NPP时空动态变化及潜力空间分布特征,可为科学评价提升区域碳汇能力提供一定的评价体系和理论参考。     

森林生态系统碳循环研究进展

针对森林生态系统碳循环在全球碳循环中的重要作用,综述了国内外森林生态系统碳循环的研究进展,包括森林生态系统植物和土壤碳固定、森林群落和土壤的碳释放、森林生态系统碳平衡和碳循环模型等方面,并指出今后的研究方向。     

渭北黄土高原不同类型人工林的生态效益评价

[目的]构建适应渭北黄土高原人工林资源与生态服务功能特点的人工林生态效益评价方法,阐明不同类型人工林建设对该地区东部、中部、西部生态环境的影响,为准确量化与科学评估不同类型、不同区域人工林的生态服务功能,优化林分结构、制定人工林生态补偿强度标准及准确计量评估人工林碳汇,将“绿色颜值”转化为“生态价值”提供理论依据。[方法]在构建渭北黄土高原生态林、生态经济林、经济林有效面积计算模型的基础上,采用典型区域调查、测定与森林二类调查资料和计量参数等收集相结合的方法,计算分析了3种不同类型,东部、中部、西部不同区域人工林涵养水源、固碳释氧、保育土壤和净化大气的生态效益。[结果](1)渭北黄土高原不同类型人工林的生态效益为生态林>经济林>生态经济林;生态效益中涵养水源价值量最高,保育土壤与固碳释氧效益次之,净化大气的价值量最低。(2)人工林单位面积生态效益为经济林>生态林>生态经济林。(3)不同区域人工林生态效益为中部>东部>西部。[结论]生态林和经济林在生态效益中发挥着重要作用,提高它们所占比重能显著提高人工林的生态效益。为提高西部人工林生态效益,生态林应加...     

碳中和背景下统筹土地利用碳收支的广东省横向碳补偿

[目的] 碳补偿机制是实现双碳目标和社会环境公平的重要途经。[方法] 在测算2010—2020年碳收支基础上,建立碳补偿模型核算碳补偿空间转移额度。[结果] (1)研究期间全省碳排放总量年平均递增率为2.51%,除佛山、东莞、清远外其余城市的碳排放均不同程度增加,空间上呈现以广州为中心的"核心-外围"的格局。广东省2010—2020年碳吸收总量呈现缓慢下降趋势,空间格局趋于稳定,总体呈现北高南低的特点。(2)研究期间碳补偿支付区范围变大,面积占比由55.22%扩大至60.49 %,支付区主要分布净碳排放较多的惠州及净碳排放少但碳排放效率低的云浮、阳江等,受偿区主要分为2类,一类是净碳排放量少的河源、汕尾等地;另一类是碳排放多但碳排放效率高的深圳、广州、东莞等。(3)惠州需支付碳补偿额度居于首位,深圳获得碳补偿额度最多,各市跨区域碳补偿额度占区域GDP的比例在0.017%~0.095%波动,跨区域碳补偿具有可操作性。[结论] 为实现广东省区域间的低碳协同发展,未来应建立以政府为主导的区域横向碳补偿制度,并实施以低碳为导向的差异化的低碳优化策略,这对区域协调和低碳发展具有重要的现实意义。     

淤地坝保碳、减排、增汇作用与其能力评估

淤地坝是黄土高原地区重要的沟道治理措施,也是陆地生态系统中重要的储碳场所。评估淤地坝的碳汇作用与能力,可为研究其他水土保持措施碳汇提供重要借鉴,也为我国碳达峰、碳中和目标提供科学依据。以黄土高原淤地坝为研究对象,系统探讨淤地坝的碳汇效应与机理,提出淤地坝碳汇能力估算方法。结果表明:淤地坝具有保土保碳、减蚀减排和增绿增汇作用。在过去50年中黄土高原淤地坝保碳能力为2.16×10⁷ t C,减排能力为4.33×10⁶~8.66×10⁶ t C,增汇能力为6.84×10⁵ t C。淤地坝产生积极的碳汇效益,对提升生态系统碳中和能力、降低碳达峰的峰值发挥重要作用。淤地坝与其他主要水土保持措施都具有保土、减蚀等多种水土保持效益,可充分发挥保碳、减排、增汇等多种碳汇作用。推行碳汇水土保持工作、实施水土保持增汇行动,既可全面巩固陆地生态系统碳汇作用,又能持续提升生态系统增汇能力,对碳达峰与碳中和作出水土保持贡献。     

基于图谱可视化的中国大气氮沉降研究态势分析

[目的]系统地探究近10a中国大气氮沉降研究态势,为今后的相关研究提供科学借鉴。[方法]基于科学计量学与信息可视化分析方法,借助Citespace软件,从文献中分析近10a中国大气氮沉降研究热点及趋势。[结果]近10a来,在氮沉降背景下,森林生态系统中凋落物分解与土壤微生物特征一直是研究热点;近5a草地生态系统的研究地区更加广泛,但较少涉及林下草地;碳氮循环相关研究多集中于温带及亚热带森林区,研究内容更加丰富,研究方法向大数据分析及模型建立方向发展;大气氮沉降通量观测以水域生态系统为主,近5a来较多地结合了非点源污染及示踪技术。[结论]近10a来,中国氮沉降领域各学科交叉性和系统性增强,研究内容和尺度不断扩大,研究方法和技术趋于多样化;草地生态系统及微生物群落特征、氮沉降与全球变化及人类活动耦合关系研究成为近年来关注的热点。     

大兴安岭重度火烧迹地不同林龄落叶松人工林土壤团聚体养分特征

[目的]为探寻大兴安岭重度火烧迹地植被恢复后不同林龄落叶松人工林下土壤团聚体养分含量与分布的变化。[方法]以大兴安岭1987年发生特大森林火灾形成的重度火烧迹地上分别在1989年、2000年、2010年种植的落叶松人工林(11,21,32年)作为研究对象,通过测定土壤团聚体各粒级有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾的含量,开展土壤团聚体养分分布特征研究。[结果](1)在重度火烧迹地上不同林龄的落叶松人工林中,土壤各粒级团聚体有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效钾的含量均随着粒径的减小逐渐上升,<0.5 mm粒级含量最大。(2)随着落叶松人工林林龄的增长,土壤各粒级团聚体有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量均逐渐上升。32年落叶松人工林土壤团聚体有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量相较于11年落叶松人工林分别显著增加77.35%～130.24%,77.61%～143.36%,105.84%～147.98%,94.58%～155.96%,206.98%～537.09%(p<0.05)。21年落叶松人工林土壤各粒级团聚体有机碳含量高于11年落叶松人工林,但二者无明显差异。(...     

基于RUSLE模型和地理探测器的鄂西南土壤侵蚀脆弱性评价

[目的]水土流失是鄂西南突出的生态问题,合理评估该区域的土壤侵蚀脆弱性,并探究其驱动机制是采取有效水土保持措施的前提。[方法]从人地耦合系统视角分析自然和社会经济因素对鄂西南土壤侵蚀的影响,从暴露度、敏感性和适应能力3个方面构建了鄂西南土壤侵蚀脆弱性评价指标体系,并采用综合赋权法确定指标权重。[结果](1)2010—2020年鄂西南土壤侵蚀脆弱性总体上呈现先降低后升高的趋势,强烈及以上强度的土壤侵蚀脆弱性呈现零星的碎片化分布格局,且主要集中在鄂西南的中南部和东部宜昌市辖区的西部地区;(2)研究区敏感性最高的区域集中在海拔800～1 500 m,敏感性在坡度25°～35°最大,并呈现出向两侧递减的趋势,当坡度>15°时,较高及以上敏感性面积急剧增加;(3)较高及以上土壤侵蚀脆弱性高于土壤侵蚀强度,较低及以下土壤侵蚀脆弱性低于土壤侵蚀强度,土壤侵蚀脆弱性与土壤侵蚀强度存在协同变化趋势;(4)土壤侵蚀脆弱性的分布格局是多因素协同作用造成的,地理探测器的分析表明坡度、植被覆盖度、教育质量和城镇化率对土壤侵蚀脆弱性的解释力较强。[结论]未来需要高度重视对坡度>15°地区植被覆盖的保护...     

黄河流域植被变化和产水服务的时空特征分析

[目的]黄河流域是我国重要的生态保护屏障,但其生态环境脆弱,研究黄河流域植被变化与产水服务之间的关系,为其生态建设和高质量发展提供保障。[方法]基于NDVI数据和InVEST模型,采用趋势分析和相关分析方法,将植被变化与水源供给服务相结合,对2001—2020年黄河流域NDVI与产水服务的时序变化和空间特征进行分析,研究NDVI与产水服务的趋势变化和相互关系。[结果](1)黄河流域NDVI与产水深度均呈现增加趋势,增速分别为0.05/10,18.215 mm/10 a, NDVI以明显增长为主,产水深度则以不明显增长为主,此外,流域产水量也不断增长。(2)NDVI与产水深度联系紧密,二者在时间上呈显著正相关,相关系数为0.75(p<0.01),空间上表现出东北正相关-西南负相关的空间分化。(3)较高植被覆盖度下产水深度增加速率最高,不同植被覆盖度下NDVI与产水深度均以正相关为主,但随着植被覆盖度增多,NDVI与产水深度的负相关比例不断增加,表明目前各类植被覆盖度下NDVI对产水的影响均是积极的,但随着植被覆盖度增加,其对产水深度的消极影响也不断增加。[结论]黄河流域NDVI与产...