激光雷达在森林生态系统监测模拟中的应用现状与展望

激光雷达是一种新兴的主动遥感技术,能够在多重时空尺度上获取森林生态系统高分辨率的三维地形、植被结构参数.其对森林生态系统变化的精确、高效监测和模拟在认识这些变化如何影响陆地生态系统碳循环、全球气候变化,并促进生物多样性保护方面将发挥重要作用.本文拟对激光雷达技术的概念和发展应用简史作一介绍,通过分析其在数字地形产品生成、森林生态参数提取反演应用中的主流算法和优势,继而阐明其推广应用所面临的挑战,最后指出未来激光雷达技术在生态学应用中可能的研究热点.本文认为,构建集太空、天空、地面多源传感器于一体的数字生态系统是未来生态系统观测网络发展的必然趋势,而激光雷达技术能够在数字生态系统建设过程中搭建可靠的数据支撑体系,最终有助于决策部门调控、优化人与环境关系,实现二者和谐共存.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明:近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段.尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识.以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究简

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明：近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段. 尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识. 以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

中国陆地生态系统增汇潜力研究展望

碳达峰与碳中和已经成为全球气候治理和生态文明建设的重大需求.厘清陆地生态系统增汇潜力不仅对准确预估未来气候变化对陆地生态系统的影响至关重要,更是人类制定气候变化应对方案的基本前提.本文从陆地生态系统碳储量和碳汇视角,综述了中国森林、灌丛、草原、农田和湿地等主要陆地生态系统碳储量、中国陆地生态系统碳汇及其对不同气候变化情景和人类活动的响应,发现中国陆地生态系统碳储量和碳汇的评价结果因不同的研究方法和资料差异较大,需要不断完善陆地生态系统碳储量和碳汇的评估方法并基于最新资料不断更新评估结果.文章进一步指出,现有研究对未来不同时期、不同排放情景下中国陆地生态系统的碳汇功能,尤其是同一区域不同国家重大生态工程增汇潜力的整合研究仍不足,对氮沉降及其与气候变化、大气CO₂浓度变化协同作用的影响,特别是对国家重大生态工程增汇潜力影响的研究仍不够,还没有开展中国陆地生态系统增汇的气候变化风险研究.据此,本文指出,未来中国陆地生态系统增汇研究需要重视国家重大生态工程增汇潜力及其风险评价,重点关注高度空间异质性的区域陆地生态系统碳收支模拟技术和不同气候变化情景下气象资料获取技术的发展...     

中国森林生物多样性监测网络十年发展

<正>森林在生物多样性保护和生态系统服务方面具有重要作用,特别是在调节气候、涵养水源、保持水土和减缓气候变化方面的作用尤其关键.据估计,全球陆地碳储量的45%存在于森林生态系统中[1].然而,全球森林生物多样性和生态系统服务正面临来自多方面(如土地利用变化、森林砍伐、狩猎、气候变化、环境污染、病虫害和入侵物种等)的巨大压力和严峻挑战,其中森林砍伐的影响更为突出[2].2000~2010年的10年间,全球范围每年约有1.3×107 hm2的森林丧失或退化,其中包括大约6×106 hm2具有很高生物多样性价值的热带原     

陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_Fe-OC)及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_Fe-OC数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_Fe-OC平均为21.9%,且深层土f_Fe-OC(37.5%)显著高于表层土(15.4%, P<0.01).(2)土壤平均f_Fe-OC在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%, P<0.01).土壤平均f_Fe-OC在不同气候...     

2001～2010年中国陆地生态系统碳收支的初步评估

<正>定量评估陆地生态系统的碳收支现状是实施区域碳汇管理、减缓气候变化行动计划的基础.因此,定量研究全球以及不同国别的陆地生态系统生产力及其在各种碳库或生态学过程中的利用与分配规律,评估陆地生态系统碳源/汇强度的空间格局和动态变化,不仅是生态系统与全球变化科学研究的重要内容,也是履行《联合国气候变化框架公约》、增强全球和国别温室气体管理的重大科技需求.     

土壤生物多样性研究:历史、现状与挑战

土壤生态系统是地球上生物多样性最丰富的生境.土壤生物多样性在维持陆地生态系统碳动态和养分循环方面具有重要的作用,是目前土壤生态学领域最为重要的热点研究问题.本文综述了过去20年对土壤生物多样性研究经历的过程和取得的成果.首先,介绍了土壤生物多样性研究的历史发展过程,从早期问题的提出与研讨,到大规模的实验研究,再到对土壤生物多样性的监测、评价和保护.其次,重点介绍了土壤生物多样性研究领域的4个核心问题及其进展,包括土壤生物多样性的维持机制、土壤生物多样性与生态系统功能之间的关系、土壤生物多样性的分布格局及土壤生物多样性与植物多样性之间的关系.最后指出,尽管人们对上述土壤生物多样性的问题取得了一些研究成果,然而,在土壤生物多样性的研究方法、土壤生物多样性的大尺度地理分布格局及其机制、人类活动和全球变化对土壤生物多样性的影响以及土壤生物多样性在污染治理和生态恢复中的应用等方面还面临着巨大的挑战.     

森林靓影

<正>森林是地球上最大的陆地生态系统,也是全球生物圈中重要的一环,更是人类赖以生存和发展的资源和环境,森林对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用。为了激发人们保护森林的热情,英国森林信托基金会2013年度森林摄影大赛揭晓:从宁静的林间小屋,到潺潺流动的小溪,再从欧洲蕨上的露珠以及美丽的落日景象……这些作品向人们展示了森林的绿色之美和勃勃生机。     

喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐风化碳汇占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要.生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节.生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.     

大气污染与森林——生态系统的一种剖析

欧洲和北美正在进行一场关于大气污染对森林树木胁迫和衰退作用的激烈争论。以前大部分研究集中于某一树种或专一污染物对树木的伤害过程上,本文从生态系统作为一个整体观点出发,进行讨论,其问题是:能否将由专一的大气污染物所导致的生态系统损害进行定量分析?我们能否找到森林损害与空气污染物扩散的定量关系?我们是否要等到污染扩散物与森林损害之间的定量关系后再来制订大气质量标准?最后是生态学家应起的作用是什么?在制订大气质量标准时,其职责是什么?     

青藏高原冰缘植物多样性与适应机制研究进展

高山冰缘带紧邻雪线,位于高山生境的最前端,在山地植物垂直带谱中位居最高,是陆地生态系统中最为极端的生境之一.受到高原环境中多变的气候、多样的地形、独特的生物交流屏障和迁移通道等因素的综合影响,青藏高原孕育了全球最为丰富的冰缘植物多样性资源.这类极端环境下的生物多样性形成和维持机制一直是学界关注的热点和难点问题.本文总结了青藏高原冰缘生态系统植物多样性特征及物种生态适应、繁殖和维持机制的最新研究进展,并特别关注了冰缘植物的生态适应结构,植物种间互助以及植物与昆虫间协同进化对于维持冰缘生态系统物种多样性的重要性.已有研究表明,全球气候变化对于冰缘生态系统多样性维持和物种共存会产生重要影响.如何预测和判断全球气候变化背景下,青藏高原冰缘生态系统内生物多样性资源的命运及其对生态系统功能的影响,将是生态学研究者面临的新挑战.     

从害虫“综合治理”到“生态调控”

害虫种群治理是农业昆虫学研究的核心问题,也是农业生态系统可持续性发展的重要基础.本文论述了害虫综合治理与生态调控的关系、地位、内涵和发展史,以及目前害虫种群治理的形势和需求.经典害虫综合治理(IPM)在集约化农业和粮食增产过程中发挥了重要作用,但这种体系框架下的害虫治理策略逐步引发了经济发展和生态环境之间的矛盾,尤其在全球变化加速的背景下,生态安全和环境健康问题日益凸显,这要求害虫种群治理更需要注重农业生态系统的可持续性,这就是害虫生态调控理论(EBPM).EBPM能够在更全面的复合生态系统服务和生态文明建设层次上通过调控食物网拓扑学结构和能量流动,通过天敌的下行控制(top to down)和土壤的上行效应(bottom to up)共同调控害虫种群,最终实现害虫种群的可持续控制.因此,害虫综合治理到生态调控的转变和过渡是可持续农业的要求,也是在全球变化背景下维持农业生态安全的必然选择.     

大气CO2浓度升高对植物根际微生态系统的影响

大气ＣＯ２浓度升高对陆地生态系统的影响是全球变化研究中的一个热点。针对地上部分如植物光合作用,生物量以及作物产量等的研究已经非常广泛和细致,相对而言,ＣＯ２浓度升高对地下部分包括植物 系以及土壤微生物的影响还鲜为人知。植物的根际微生态系统是土壤中一个十分活跃的区域。     

侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

寻找失去的陆地碳汇

全球碳循环是指碳元素在地球表层各圈层中的积累和流动的过程。由于人类活动的影响，从表观上看，现代的全球碳循环处于不平衡状态，即人类燃烧化石燃料和热带毁林所排放的一部分CO2不知去向，这被称为“CO2失汇”。研究表明，北半球的陆地生态系统主要吸收了这部分去向不明的CO2。本文对“CO2失汇”的由来、陆地碳汇的基本特征及其影响因素，以及中国陆地碳汇的大小等进行了评述。     

中国陆地生态系统土壤呼吸的时空变异研究取得新进展

土壤呼吸(即土壤CO2排放)是碳循环中一个重要过程,在全球尺度上,土壤呼吸量仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值,是陆地生态系统第二大碳通量过程.准确估算中国陆地生态系统土壤呼吸量对于研究碳循环过程具有重要意义.以往的估算研究中,年土壤呼吸量值存在较大不确定性,最高与最低值之间相差约每年1×1015克碳,并且关于其年际间变异规律及其与气候因子关系的研究尚     

基于大气反演陆地碳通量季节变化信息的模型参数优化研究

<正>生态系统碳通量是光合作用和呼吸作用之和.在没有附加信息的情况下,区分光合作用和呼吸作用对碳通量的贡献是目前参数优化研究的难点.本研究探讨了利用陆地生态系统碳通量的季节变化信息,优化生态系统模型中光合作用和呼吸作用参数的可行性,并利用大气反演系统估算的净生态系统生产力(NEP),在北美北部地区(BNA)开展了陆地生态系统模型参数(25maxV和Q10)优化研究.通过模型敏感性分析,我们发现     

放牧对草地生态系统磷循环调控机制的研究进展与展望

放牧是全球范围内草地生态系统最主要和最直接的利用方式.磷(P)是植物生长所必需的大量元素,同时也是草地初级生产力的关键限制性养分元素,广泛参与植物的光合、呼吸等重要代谢过程.放牧通过直接和间接作用影响草地植物和土壤各组分的P含量和P库,进而通过正负两种反馈影响生态系统的P循环.目前,国内外有关放牧对草地P循环的影响机制,特别是P循环的生物学过程和机制尚不十分清楚.本文总结了有关放牧对植物和土壤各组分P含量及P库的影响及其机制,并对该领域的几个重要研究方向和亟待回答的科学问题进行了展望.未来研究中需要重点关注的问题包括:(1)土壤微生物量P组成沿不同放牧强度的变化,以及放牧对土壤微生物P源和汇的影响机制;(2)放牧如何影响土壤磷酸酶的活性(磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、三磷酸单酯水解酶等)进而调控土壤中P的矿化过程;(3)放牧如何调控P在植物-土壤-微生物系统中的转化过程;(4)采用分子生物学和组学的手段,揭示土壤微生物在P循环及生态系统功能中的作用,以及放牧如何影响植物和根际微生物,进而调控生态系统P循环;(5)不同放牧强度如何影响植物多样性、菌根真菌多样性及两者之间的关系,进而影响植物对P的吸收和利用,以及地上和地下生物量P库;(6)不同家畜种类的食性差异及其对磷循环的影响机制;(7)其他植食动物(野生食草动物、植食昆虫、啮齿动物、蚯蚓、植食性线虫等)在草地生态系统P循环中的作用;(8)不同放牧强度如何调控生态系统各营养级组分的N:P化学计量关系,进而影响N、P循环之间的耦合关系.     

被子植物演化和水循环

陆地植物的蒸腾作用将部分降水再循环到大气中,是陆地水循环非常重要的一个环节.地质历史中陆地植物的形态和解剖结构不断演化,其蒸腾作用能力也在不断演化.现代陆地生态系统中占优势的被子植物具有导水性较强的导管和较高的叶片叶脉密度,使得它们在水分运输效率和蒸腾作用能力方面远高于其他现生和已灭绝的植物.早白垩世早-中期被子植物演化的最初阶段其叶脉密度较小,与其他现生和已灭绝植物的叶脉密度相近.但在白垩纪中期和白垩纪-古近纪之交被子植物经历了两次叶脉密度的显著增加,代表了两次被子植物蒸腾作用能力的显著提高.单穿孔板导管的出现和叶片叶脉密度的增加显著提高了被子植物的导水率、蒸腾能力和光合能力,进而增加了被子植物在生态系统中的竞争优势,并很有可能同时增加了水循环的活跃程度和降水量.利用被子植物化石可以重建古降水和古湿度等多个与水循环相关的气候指标.前人基于植物化石的研究发现,全球温暖的晚白垩世、古新世和始新世时期,现今为严寒荒漠的北极地区具有常年温凉湿润的海洋性气候和茂盛的温带森林.温暖的北冰洋和广布的森林导致了北极地区旺盛的水循环和较高的空气湿度,进而又有助于维持这一地区常年的温凉湿润气候.