草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应I.碳循环的分室模型、碳输入与贮量

概述了草地生态系统碳素循环的一般特征,介绍了一个草地碳循环的分室模型;对世界草地生态系统的碳贮量和碳输入量的有关数据进行了归纳整理,并初步讨论了草地生态系统在全球碳循环中的作用。     

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应I 碳循环的分室模型、碳输入与贮量

概述了草地生态系统碳素循环的一般特征,介绍了一个草地碳循环的分室模型;对世界草地生态系统的碳贮量和碳输入量的有关数据进行了归纳整理,并初步讨论了草地生态系统在全球碳循环中的作用。     

毛竹林生态系统能量动态分室新模型

根据福建省建瓯市40块毛竹[Phyllostachys heterocycla(Carr.)Mitford cv.Pubescens]林标准地的能量测定资料,提出毛竹林生态系统能量动态分室新模型,进而对毛竹林各分室的能量进行模拟。结果表明：所建立的新的分室模型更能反映毛竹林生态系统能量动态规律,从而为毛竹林的丰产与稳产提供理论依据。     

藏北高寒草地植被的碳密度与碳贮量

采用实地调查与查阅文献相结合的方法估算藏北高寒草地植被碳密度和碳贮量。结果表明:1)藏北高寒草地总面积约39.059×106 hm²,植被地上平均碳密度12.158±4.7g·m^-2,植被地下平均碳密度84.458±20.38g·m^-2,植被地上部碳贮量5.171±0.95Tg,植被地下部碳贮量25.223±2.96Tg,植被总碳贮量为30.394±3.91Tg;2)不同草地组间植被碳密度和碳贮量差异显著。其中不同草地组间植被碳密度以丛生禾草组碳密度值最低,地上和地下碳密度分别为6.13±1.51g·m^-2和26.04±5.8g·m^-2,具灌木的半灌木组碳密度最高,地上和地下碳密度分别为31±3.4 g·m^-2和244.59±6.9g·m^-2;而不同草地组间,草地植被碳贮量以小莎草组最大,植被地上和地下碳贮量分别为2.24±0.32Tg和9.52±0.89Tg,半灌木组碳贮量最小,其地上和地下碳贮量分别为0.012 4±0.002Tg和0.098 1±0.002Tg。3)藏北高寒草地分布各县(区)碳密度和碳贮量的分布也存在显著差异。从碳密度来看,革吉县、札达县、噶尔县和措勤县碳密度较高,植被平均碳密度分别相当于藏北平均植被碳密度的1.76,1.47,1.11和1.06倍,从碳贮量来看,碳贮量集中分布于双湖特别区、札达、尼玛、日土、革吉和改则6县(区),六县(区)草地植被碳贮量为25.2±2.31Tg,占藏北总植被碳量的82.89%。     

森林生态系统碳循环对全球氮沉降的响应

森林土壤和植被储存着全球陆地生态系统大约46%的碳,在全球碳平衡中起着非常重要的作用。过去几十年来,森林生态系统的碳循环和碳吸存受到了全球氮沉降的深刻影响,因为氮沉降改变了陆地生态系统的生产力和生物量积累。以欧洲和北美温带森林区域开展的研究为基础,综述了氮沉降对植物光合作用、土壤呼吸、土壤DOM及林木生长的影响特征和机理,探讨了森林生态系统碳动态对氮沉降响应的不确定性因素。热带森林C、N循环与大部分温带森林不同,人为输入的氮对热带生态系统过程的影响也可能不同,因此指出了在热带地区开展碳氮循环耦合研究的必要性和紧迫性。     

增温增水对草地生态系统碳循环关键过程的影响

生态系统碳循环是生态系统过程的重要组成部分,对碳循环关键过程机理的研究有助于更好地理解生态系统过程。目前,气候变化（全球变暖、降水时空格局变化）对草地生态系统过程产生了重要的影响。综述了气候变化（温度和降水变化）对草地生态系统碳循环关键过程（植物生产力、植物物候、植物根系周转、生态系统呼吸和生态系统净碳交换）的影响,在此基础上指出了目前气候变化（温度和降水变化）控制试验研究的不足,并进一步提出了今后应该加强研究的方向。     

中国草地生态系统碳库及其变化

准确评估草地生态系统碳库及其年际变化, 对揭示草地在中国陆地生态系统碳循环中的作用以及合理利用有限的草地资源有着极为重要的意义. 虽然中国学者在研究草地碳库及其动态变化方面已开展了很多工作, 但目前仍缺乏对中国草地生态系统碳库及其动态变化特征的全面认识. 通过综述当前中国草地碳循环研究的最新进展, 结合本研究组的工作, 试图全面评价中国草地生态系统碳库(植被生物量碳库和土壤有机碳库)及其动态变化. 结果显示: (1) 不同研究得到的中国草地生物量碳密度(单位面积生物量)存在较大差异, 为215.8~348.1 g C/m², 平均值为 300.2 g C/m². 同样, 对中国草地土壤有机碳密度(单位面积土壤碳库)的估算也存在显著差异, 在8.5~15.1 kg C/m²之间变动, 但考虑到8.5 kg C/m²的估算值是基于近千个土壤剖面的实测数据计算得到, 全国平均水平的土壤碳密度一般不会超过此值. 因此, 若采用目前最广泛使用的草地面积(331×104 km²), 那么中国草地生态系统碳库约为29.1 Pg C(1 Pg=1×10¹⁵ g), 其中96.6%的碳储存于土壤有机质中. (2) 文献报道的近20年中国草地生物量和土壤有机碳库的变化方向和变化量均存在差异. 按照最新的估算, 中国草地生物量和土壤有机碳库在过去20年里没有发生显著变化, 即中国草地生态系统处于中性碳汇状态. (3) 中国草地生物量的时空变异与降水量的变化关系密切. 土壤有机碳库的空间变异主要受与降水量密切相关的土壤水分的影响, 但土壤质地等因素也起一定作用. 此外, 放牧与围封等人类活动将对草地生物量和土壤碳库及其动态变化产生强烈影响.     

土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响

陆地生态系统是重要的碳库之一,在碳素生物地球化学循环中起着重要作用．本文就森林、农田生态系统,综述了土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响及其可能的作用机制．土地利用变化显著地影响陆地生态系统的结构和功能,造成系统碳贮量的变化,这很大程度取决于生态系统类型和土地利用方式的改变．森林砍伐后变为农田和草地,使生态系统中植被和土壤碳贮量大大降低．土壤碳含量的降低主要是由于凋落物输入的减少,有机质分解速度的提高,以及耕种措施对有机质物理保护的破坏造成的．土壤碳损失主要发生在森林砍伐后较短的时期内,而其降低速率取决于诸多因素以及土壤理化和生物过程．农田和草地弃耕恢复为森林,以及农田保护性管理措施的利用．能够使大气中的碳在植被和土壤中得到汇集．森林恢复过程中植被可以大量汇集大气中的碳,而由于农田耕种历史不同以及土壤空间异质性。导致土壤碳汇集速率差异极大．保护性农田管理措施(诸如免耕、合理的种植制度、化肥的施用等)可以影响土壤理化特性、作物根系生长以及残茬数量和质量、土壤微生物数量和活性,维持和提高土壤碳含量水平．     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。     

放牧对草地生态系统影响的研究进展

全球草地占据30%左右的陆地面积, 在全球气候变化、碳氮及养分循环、保持水土、调节畜牧业生产等方面具有重要的作用。目前草地的主要利用方式之一就是放牧, 不同的牲畜种类、放牧强度、年限、历史和制度等, 会影响草地植物群落、生物多样性及土壤微生物, 进而影响草地生态系统结构、功能和过程。该文围绕放牧对草地生态系统结构、功能和过程的影响, 1)回顾了20世纪50年代到现在各个历史阶段放牧对草地生态系统影响的研究; 2)利用文献计量分析的方法, 剖析了放牧对草地影响研究的热点内容、重要区域和关键词等; 3)阐明了放牧对草地植物生长、群落特征、碳氮及养分循环、生产力及土壤质量等的各方面影响的研究进展及国内相关研究的优势及存在的主要问题和不足; 4)基于上述分析, 从草地放牧精准管理、经典假说验证、放牧和全球变化研究相结合等方面, 提出未来研究的前沿方向和优先领域。该文在系统总结放牧对草地生态系统影响的研究进展、研究优势及存在问题的基础上, 提出未来的研究应与全球变化相结合, 为我国的草地放牧生态学研究、适应性管理和可持续利用等提供科学基础。     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

相对稳定的草地生态系统碳库

全球气候变化预期将对陆地生态系统碳过程和碳库动态产生深远影响[1].最近,《中国科学：生命科学》发表了3篇研究论文[2～4],从不同的角度和尺度研究了中国北方草地生态系统（包含青藏高原高寒草地）的碳库动态,发现中国青藏高原高寒草地和温带草原生态系统的碳库自20世纪80年代末以来没有明显的趋势变化,     

土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳循环的影响

土地利用/覆盖变化是学术界最为关注的环境变化问题之一,它能够影响陆地生态系统的生物多样性、水、碳和养分循环、能量平衡,引起温室气体释放增加等其它环境问题。不同类型的土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的作用不同,由高生物量的森林转化为低生物量的草地、农田或城市后,大量的CO₂将释放到大气中。全球土地利用/覆盖变化具有很强的空间变异性,对生态系统碳循环的影响同样具有明显的空间差异:热带地区的土地利用/覆盖变化造成大量的碳释放,而中高纬度地区土地利用/覆盖变化则表现为碳汇。目前,土地利用/覆盖变化引起的生态系统碳循环变化主要是通过模型模拟来估算的。尽管土地利用/覆盖变化及其相关过程与生态系统碳循环的关系已经比较清楚,但是,由于土地利用/覆盖变化过程复杂且影响广泛,对于如何量化两者之间的关系还存在很多不确定性。目前的量化过程主要是利用经验数据来实现的,机理性不强,使得对土地利用/覆盖变化造成的陆地生态系统CO₂释放量的估测差异很大。除了进一步加强长期定位研究以获得土地利用/覆盖变化与生态系统碳循环过程的定量关系外,土地利用/覆盖变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型的耦合也是今后模型发展的主要方向之一。采用合理的管理措施能够大量增加土地利用/覆盖变化过程中的碳储存量,降低碳释放量,因此在模型中耦合管理措施来研究土地利用/覆盖变化过程对生态系统碳循环的影响是未来几年的工作重点。     

放牧对全球草地生态系统碳氮磷化学计量特征影响的Meta分析

为明确全球尺度下放牧管理措施对草地生态系统碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征的影响,提高草地生态系统管理水平,本研究选取国内外83篇中英文文献进行Meta分析,并通过亚组分析探讨了放牧家畜组合(羊单牧、牛单牧和牛羊混牧)和放牧强度(轻度、中度、重度)对草地生态系统叶片、凋落物、根系,以及土壤C、N、P化学计量特征的影响。结果表明: 放牧会显著降低叶片和凋落物C含量、C/N、C/P,增加N、P含量及N/P;显著降低根系和土壤C、N含量,C/P和N/P,增加P含量和C/N。叶片、凋落物化学计量特征变化对牛、羊单独放牧响应更为明显,而根系、土壤化学计量特征变化则对混牧响应更为明显,重度放牧会对草地生态系统化学计量特征产生更大的影响。放牧会降低土壤N含量,增加P含量,表明放牧对草地N、P含量的影响路径不同。进一步研究N、P含量变化对放牧活动不平衡响应机制,将放牧方式、强度的影响纳入草地生态系统预测、管理模型,能够有效提高草地生态系统管理水平。     

草地农业生态系统的碳平衡分析方法

根据草地农业生态系统的结构,它的碳平衡为4个生产层的碳平衡之和,也是3个界面的碳平衡之和,而某一生产层或者某一界面的碳平衡则是其固定、输入、排放和输出的碳之和。草地农业生态系统4个生产层的碳平衡分析方法定量重要生产环节的碳汇与碳源过程,便于草业生产改进碳汇管理;草地农业生态系统3个界面的碳平衡分析方法显示碳源和碳汇的发生机理,及其空间和数量关系,便于调控草业生产组分以增汇减排;但是,这两个方法不易区分碳的来源和去向,难以明确其利用效率。草地农业生态系统碳平衡分析的输入/输出法定量地指示碳的来源和去向,以及碳效率,计算简单,但是较为概括,不利于牧场尺度的草业碳汇管理。以中国祁连山甘肃马鹿牧场和澳大利亚塔斯玛尼亚奶牛牧场为例,用3种方法分析了两个牧场的碳平衡,结果表明,放牧管理的草业系统的主要碳源是休闲旅游、产品加工流通环节产生的温室气体,主要碳汇是草地和土壤中贮存的碳,好的草地管理可以增汇减排。     

青藏高原高寒草地地上植物碳积累速率对生态系统多功能性的影响机制

在全球气候变暖的背景下, 草地作为陆地生态系统碳库的重要组成部分, 其较小幅度的波动, 会影响整个陆地生态系统碳循环和生态系统多功能性(EMF)。地上植物碳积累速率(CAR)表示从生长季初始到生长季生物量峰值的群落地上部分碳累积速率, 能够很好地表征固碳功能、固碳潜力和效率。因此, 植物CAR的变化会改变地上和地下群落维持EMF的能力。目前EMF的相关报道多探讨地上群落多样性和EMF的关系, 而缺乏高寒草地生态系统植被地上CAR对EMF的影响机制研究。该研究目的是探究高寒草地群落CAR对EMF的调控作用、机理和过程, 这将对草地生态系统管理提供理论支持, 并推进对生态系统多功能性维持机制的理解。2015年7-8月, 在青藏高原地区进行草地样带调查, 共计取115个样点。综合土壤有机碳、全氮、全磷、地上和地下生物量以及微生物生物量碳等13种生态系统参数计算生态系统多功能性指数(M)。利用归一化植被指数(NDVI, 1982-2013年)计算并提取2015年物候数据, 最终获得CAR。采用薄盘光滑样条插值法插值气象数据, 提取样点2011-2015年年降水量和年平均气温, 以供分析CAR对EMF的调控机理。主要结果: 地下生物量、土壤有机碳、全磷和微生物生物量碳含量对CAR和M有较高的权重(0.58、0.80、0.83和0.79; 1.05、0.98、1.02和0.97), CAR和M呈显著线性正相关关系(R² = 0.45, p < 0.01)。在降水和气温要素的影响下, 植物地上群落和地下土壤要素的协同作用, 影响植被CAR, 进一步调控EMF。     

基于红外增温的草地生态系统响应全球变暖的研究进展

为了更好地了解全球变暖对草地生态系统的影响机制, 该文介绍了红外加热技术的原理、增温效应及其优缺点, 重点从植物物候、光合生理、生长发育、群落结构和功能、土壤特性, 特别是植物群落地下过程方面, 系统综述了基于红外加热技术模拟气候变暖对草地生态系统影响的最新研究进展, 在此基础上探讨了未来草地生态系统响应全球变暖研究拟重视的研究领域。     

1980-2030年石羊河流域生态系统碳储存服务对土地利用变化的响应

陆地生态系统碳储量是表征碳储存服务的重要指标,其变化与土地利用变化存在着密不可分的关系。预测未来土地利用变化对认识区域生态系统服务及其变化具有重要的意义。利用石羊河流域1980—2020年土地利用数据,运用InVEST模型和FLUS模型,探究了石羊河流域在过去40年间和未来自然变化、生态保护、耕地保护3种情景下的土地利用变化对碳储量的影响。结果表明：石羊河流域在1980—2020年间耕地、草地、建设用地呈增加趋势,林地、水域、未利用地呈减少的趋势。40年间石羊河流域碳储量增加了7.98×10⁶t,增幅为1.44%。石羊河流域碳储量呈现明显的空间分异,碳储量较高的地区主要分布在上游祁连山区和中下游绿洲地区,这种分布格局与流域内土地利用类型的空间分布密切相关。至2030年,自然变化、生态保护、耕地保护情景下石羊河流域碳储量分别为563×10⁶t、563.43×10⁶t、564.98×10⁶t,较2020年分别增加了0.45%、0.53%和0.80%,其中生态保护情景与其他两种情景相比既保护了生态环境还保...     

气候变化对陆地生态系统土壤有机碳储量变化的影响

通过研究气候变化对土壤有机碳储藏的影响,对预测未来气候变化下土壤有机碳动态变化与深入理解陆地生态系统变化和气候变化之间的相互作用有着极其重要的意义。本文归纳了土壤类型法、模型模拟法等途径对土壤有机碳储量估算的结果并分析它们各自的不确定性,综述了气候变化对土壤碳贮藏影响机理的研究与相应过程模拟的模型研究进展,并综合分析了当前研究中还存在的问题与不足。