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.     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应:进展与展望*

  人类活动引起的土地利用/覆盖变化、气候变化、大气CO2浓度增高和氮沉降加剧等使得生物有机体的性状、种间关系、分布格局与生物多样性发生改变,进而影响生态系统过程和功能,并最终影响人类的生存和社会经济的可持续发展。应用全球变化实验结合环境梯度研究方法,我们已经就我国主要的森林生态系统和草地生态系统对全球变化的响应与适应作了初步研究。基于已开展的实验研究和数据积累,以协同研究为主要手段,结合我国独特的自然条件,今后将加强以下四个方面工作:①开展长期的多因子实验;②构建动态物种分布模拟体系;③构建数据模型融合系统;④生态系统对全球变化的区域响应和适应性的集成分析。     

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.     

生物多样性丧失机制研究进展

生物多样性是地球上所有生命形式的总称,包括物种多样性、遗传多样性以及生态系统多样性.其中,物种多样性是核心,它既体现了生物与环境之间的复杂关系,又体现了生物资源的丰富性;物种的保护是生物多样性保护的主要内容.生态系统内的物质循环和能量流动是通过许多错综复杂的食物链和食物网完成的,而动物有机体在此过程中起关键作用.因此,物种多样性,特别是动物种类多样性将直接影响整个生态系统的功能.然而,随着世界人口的持续增长和经济全球化的快速发展,人类社会对地球上的生物多样性造成了愈来愈显著的影响,在这一过程中产生的诸如栖息地丧失与破碎化、过度利用、环境污染、气候变化等现象已对物种的生存产生了严重威胁.本文以生物多样性丧失为主线,回顾了近10多年来在该方向的主要进展,重点关注人类活动对物种多样性的影响,分析了生物多样性丧失的主要原因、特征及其危害,介绍了生物多样性研究的最新方法,并根据我国生物多样性的现状提出了未来生物多样性研究中需要重点关注的科学问题.     

CO2增浓和气候变化对陆地生态系统的影响

ＣＯ２增浓和气候变化对陆地生态系统的影响中国科学院植物研究所博士中国自然科学基金委员会副主任倪健中国科学院院士中国科学院植物研究所所长张新时当今,全球变化、生物多样性和可持续发展等全球性环境问题为世人所瞩目,被称为世界三大环境热点,而其中ＣＯ２浓度升...     

生物多样性的丧失和保护

物种丧失 数百年来，物种、种群（包括作物、家畜和家禽品种）以及自然生境的丧失过程都在明显加速。 一般认为，生物多样性包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性。因为遗传多样性实际上包含在物种个体之中，故此处只谈物种和生态系统水平上的多样性。 生物物种的灭绝是自然过程，但灭绝的速度由于人类活动对地球的影响而大大加速。有些科学家估计，自１６００年以来，人类活动已经导致７５％的物种灭绝。众所皆知的渡渡乌、毛象、塔斯马尼亚狼和恐鸟都是由于人类捕猎而灭亡的。有些种因被过度商业利用而处于灭绝的边缘。如在肯尼亚…     

青藏高原高寒草甸生态系统稳定性研究

青藏高原生态系统对全球气候变化较为敏感, 系统的行为能更早地预兆全球变化, 进而影响到邻近地区乃至全球气候. 因此, 青藏高原生态系统的行为研究具有特殊重要性. 利用中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站多年来积累观测的长时间序列数据, 运用生态系统稳定性直接分析方法, 定量分析高寒草甸生态系统的稳定性及其对环境变化的灵敏度. 结果表明, 高寒草甸生态系统的主要气候因子如年降水、年均气温都比较稳定(CV值分别为16.55%和28.82%), 而年度地上净初级生产量较降水和气温更为稳定(CV值为13.18%). 净初级生产量关于降水和气温的灵敏度或弹性分别为E = 0.0782和0.1113, 即净初级生产量对降水和气温的波动均不敏感, 也说明高寒草甸生态系统具有较高的稳定性. 通过高寒草甸生态系统与世界其他地区5个草地生态系统的稳定性度量值横向比较, 也显示出该系统的稳定性程度较高. 结构相对比较简单的高寒草甸生态系统有较高的稳定性, 说明群落稳定性虽然与物种多样性和群落复杂性有关, 但未必成正比关系. 还有其他一些因素与生态系统稳定性密切相关, 如生物群落的外部环境稳定程度等. 高寒草甸生态系统的主要气候因子(年降水和年均气温)以3~4年的主周期随机低频振荡, 在其作用下生态系统的行为呈现同主周期、振幅比较稳定的随机波动. 高寒草甸生态系统的较高稳定性, 是较稳定的环境和系统适应环境的进化演替结果.     

生物多样性科学研究进展

<正>生物多样性科学是关于生物多样性及其保护的科学,20世纪90年代逐步形成,并得到了快速发展[1].近年来,随着研究的深入,新的成果不断涌现.为了促进国内生物多样性科学研究者的学术交流,中国科学院生物多样性委员会联合相关部门自1994年开始每两年召开一次全国生物多样性保护与持续利用研讨会.2012年在哈尔滨召开的第十届研讨会有500余人参加,大会报告和部分专题报告受到同行的高度评价.为了让更多的同行了解国内外生物多样性科学研究进展,我们邀请部分报告人和参会同行一起组织了本专辑.     

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.     

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.     

人类土地利用的历史变化对气候的影响

通过MPM-2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC), 对近1000 a来土地利用对气候的影响进行了模拟, 主要评估人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理作用. 以耕地面积的变化来近似森林砍伐的动态过程, 近300 a来大面积的森林砍伐使全球变冷了0.09~0.16℃, 而北半球年均温降低了0.14~0.22℃, 尤其在春季更为显著. 为了将人类土地利用和其他强迫进行比较, 还模拟了气候系统对温室气体浓度变化的响应. 目前, 植树造林正逐渐成为陆地碳“捕获”以及调节区域气候状况的重要手段, 表明在进行气候变化研究时, 人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理机制是不可被忽略的.     

城市森林建设的意义和途径探讨

城市森林是城市生命支持系统的主体，具有最大的生态服务功能，能提高城市国有生态资源，减少绿地养护管理费用，丰富城市景观。因此，城市森林建设是将城市可持续发展由口号变成实际行动的生态工程，也是２１世纪城市园林绿化的必由之路。城市森林建设加强合理规划布局，遵循生态学原理，以乔火为骨架，以木本植物为主体，以生物多样性为基础，以植物群落为结构单位，以地带性植被为特征，以城乡一体化为格局，以提高绿地系统生态效     

全球变化下的地下生态学: 问题与展望

生态学100多年的探索和发展主要集中在地上部分. 然而, 当今的生态学家已经越来越强烈地认识到, 鲜为人知的地下部分已成为生态系统结构、功能与过程研究中最不确定的因素, 因而严重制约着生态系统与全球变化研究的理论拓展. 自1990年代后期以来, 伴随着全球生态学研究的深入, 一个新兴的生态学领域——地下生态学(belowground ecology)开始形成, 并得到了快速发展. 地下生态学从不同学科层次探索地下部分的结构、功能、过程以及与地上部分的关系, 并特别关注其对全球变化的响应. 它的研究对象包括植物根系、地下动物和土壤微生物. 分析了生态系统地上和地下部分的关联、根系生态、根系生物地理, 以及地下生物多样性等方面的主要研究进展和亟待解决的问题, 着重评述地下过程对全球变化响应的若干理论问题, 指出地下生态学将是21 世纪生态学的重要发展方向.     

生物多样性对人类意味着什么

我们人类之所以能在地球上生存、繁育,依赖于两个环境,一个是自然界中的氧气、水、温度这些无机环境;第二个是有机环境——生命物质系统,也就是地球上的生物多样性。人类的衣食住行必须依赖于无机环境和有机环境,特别是有机环境,比如吃的,穿的,医疗,这都是自然界中生物多样性给我们提供的。所以生物多样性是一种重要的战略资源。中国政府签约的《国际生物多样性公约》里有一个很重要的命题:生物多样     

水循环地质演变研究的重要性

<正>水是维持地球生物多样性和生态系统健康的根本保障,更是地球表层系统机体运作的“血液”.当今全球变暖背景下,与水循环变化密切相关的干旱、森林大火和洪涝等极端灾害天气频发,以及海平面上升、海洋热浪与酸化等全球性生态危机问题日益突出,深刻影响了全球生态系统健康和人类社会的可持续发展.政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第6次评估报告中,     

温带森林土壤浸提液和渗漏液中溶解性有机碳降解及其与紫外吸收的关系

森林地表溶解性有机碳(DOC)含量及其生物可降解性影响到表层土壤异养呼吸碳排放和矿质层土壤碳素蓄积.研究森林生态系统不同来源的DOC动态及其稳定性对于正确认识森林土壤碳循环关键过程以及对全球变化的适应和响应均有重要意义.由于     

生物多样性:价值及其与全球变暖的关系

1998年全球气候达创纪录高温,1999年入夏以来北大西洋两岸等中高纬度地区又出现了创纪录高温天气.美国副总统戈尔曾警告地球变暖会加重自然灾害.全球变暖正困扰着人类,与之密切相关的是生物多样性减少.本文在介绍生物多样性概念、研究层次及生物多样性重要价值的基础上,分析了生物多样性与全球变暖的相互影响关系.旨在引起人们对生物多样性的关注,促进对生物多样性的保护,保护生物多样性就是保护人类自己.中国环境保护21世纪议程15.3条指出"生物多样性为中国国民经济和社会发展提供了充实的物质基础和可靠的环境保障,因此在中国社会经济建设中居于重要的战略地位."     

科学拥抱多样性

<正>在生态学领域,生物多样性与生态系统功能的关系无疑是一个重大课题,尤其是作为人类生存与发展的基础,生物多样性正在丧失的当下。21世纪兴起的微生物组学又为生态学研究提供了新的落脚点,尽管有科学家对此颇有微词,认为存在过度炒作的嫌疑。人体内的微生物群落事关人类的健康和生存,因此人类微生物组计划仍需从多样性和整个生态系统出发,积极破解生命的规则。在科学研究的生态系统中,多样性同样值得关注。本期"科学与     

湖泊富营养化及其生态系统响应

我国是一个多湖泊的国家.其中约三分之一是淡水湖泊,主要分布在长江中下游地区.这些湖泊中的绝大部分已处于中营养或富营养水平.湖泊富营养化是当前我国湖泊面临的主要生态环境问题之一.湖泊富营养化后会导致一系列的生态系统异常响应.这些响应包括沉水植物消亡、蓝藻水华频发、微生物的生物量与生产力增加,生物多样性下降,营养盐的循环与利用效率加快等.整个湖泊生态系统,也会伴随着富营养化的发展,呈现出生物多样性下降、生物群落结构趋于单一、生态系统趋于不稳定的现象.在浅水湖泊中,还会进一步导致从"清水态"的草型生态系统,逐步转换为"浑水态"的藻型生态系统.生态系统的这种演替机制,推测是水生植物与浮游植物利用营养盐的效率不同所致.而对于严重富营养化的湖泊,生态系统最终的演替趋势则是从浮游植物为主的自养型湖泊转化为以微生物、原生动物等为主的异养型湖泊.