开展我国陆地生态系统碳氮循环的生物地球化学遥感动态评估的思路与建议

 全球变暖是目前全球变化研究中一个热点问题 ,温室气体被人们认为是造成全球升温的主要原因 ,碳循环不仅是IPCC、IHDP和IGBP中GCTE等一系列国际组织和核心项目的研究内容 ,并且已成为联合国气候变化框架协议、京都会议的一个重要话题。在自然界 ,各种温室气体的交换主要发生在大气、海洋与陆地生态系统之间 ,因此陆地生态系统的碳氮循环一直是人们的研究焦点。一、植被碳库、土壤碳库及其影响因素是陆地生态系统碳循环研究重点陆地生态系统中的碳库形式按生态类型分 ,主要有森林、草原、湿地、耕地等几种 ,其余如冻原和沙漠 ,所占比例很小。     

开展我国陆地生态系统碳氮循环的生物地球化学遥感动态评估的思路与建议

全球变暖是目前全球变化研究中一个热点问题 ,温室气体被人们认为是造成全球升温的主要原因 ,碳循环不仅是ＩＰＣＣ、ＩＨＤＰ和ＩＧＢＰ中ＧＣＴＥ等一系列国际组织和核心项目的研究内容 ,并且已成为联合国气候变化框架协议、京都会议的一个重要话题。在自然界 ,各种温室气体的交换主要发生在大气、海洋与陆地生态系统之间 ,因此陆地生态系统的碳氮循环一直是人们的研究焦点。一、植被碳库、土壤碳库及其影响因素是陆地生态系统碳循环研究重点陆地生态系统中的碳库形式按生态类型分 ,主要有森林、草原、湿地、耕地等几种 ,其余如冻原和沙漠…     

气候驱动的中国陆地生态系统碳循环研究进展

近年来,碳循环问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题,其中,陆地生态系统碳循环又是全球碳循环中最复杂、受人类活动影响最大的部分.本文主要对气候驱动的中国陆地生态系统碳循环研究进展做了综述,介绍了陆地生态系统中植被和土壤两个主要碳库以及陆地生态系统碳循环的基本过程,总结了陆地碳汇的形成机制、研究进展及气候变化对碳失汇的影响,提出了对陆地生态系统碳循环的研究应采用多尺度的研究方法,并简要叙述了中国陆地生态系统碳循环的研究展望.     

全球变化研究的新内容与方向

随着对全球变化研究的深入，全球变化已不仅仅局限在全球气候变化上，内容已扩展到全球人口增长、大气成分变化、养分生物地球化学循环变化，土地利用和覆盖的改变及生物多样性的丧失等方面，未来全球变化研究将重点放在全球变化对生物多样性的影响，生态系统中CO2浓度升高，营养、温度、水分变化对生态过程的影响，景观水平上的研究以及人类决定的反馈生态学等方面。     

农田生态系统碳水通量研究进展

农田生态系统是陆地生态系统的一个十分重要的组成部分,不仅受自然规律的制约,还深受人类活动的影响.在全球气候变暖的背景下,我国作为农业大国,农田生态系统被认为是影响气候变暖和全球碳水循环的重要因素,农田生态系统碳水通量变化特征的研究对于探讨整个陆地生态系统乃至全球范围内的碳水循环规律具有重要的现实意义.通过梳理国内外文献,总结农田生态系统碳水通量的研究现状,重点论述小麦生态系统、玉米生态系统和水稻生态系统等主要农作物类型的生态系统中碳水通量的时间变化规律及研究成果,并对比了复合轮作型农田生态系统通量研究结果,发现二者变化曲线存有差异;简单论述了土壤温度、水分、光照及农艺措施等因素对农田生态系统碳水通量变化的影响,提出今后的研究重点可考虑对多因子协同作用的分析.对目前国内外测量农田通量的主要观测方法和估算方法包括涡度相关法(EC)、波文比能量平衡法(BREB)、蒸渗仪法、大孔径闪烁仪法(LAS)、彭曼法(P-M法)及空气动力学法等在农田生态系统通量研究中的成果进行了总结,并探讨其应用方面存在的优缺点.指出目前研究的一些不足,并对未来研究中值得深入研究的科学问题做出展望,为以后正确评价全球气候变化和有效进行农业活动提供科学理论依据.     

土壤碳储量研究方法及其影响因素

近年来，碳储量问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题。土壤是陆地生态系统的核心，研究土壤碳储量及其影响因素对正确评价土壤在陆地生态系统碳循环以及全球变化中的作用有重要意义。文章综述了土壤碳储量研究常用的五种统计方法，总结分析了植被、气候、土壤属性以及土地利用方式等多种自然因素和人文因素对土壤碳储量的影响。     

"植物-土壤"相互反馈的关键生态学问题:格局、过程与机制

植物与土壤之间相互反馈的格局、过程与机制,不但是决定生态系统结构、功能及过程的关键科学问题,而且是陆地生态系统响应全球变化的重要组成部分。基于目前国内外研究现状,从养分循环角度剖析“植物-土壤”间的反馈效应,探明相互反馈在空间尺度(根面、根际、种类、生态系统以及区域等)与时间尺度(秒至千年)上的级联效应及其变化格局;阐明根际、植物种类、生态系统及区域地理等水平上“植物-土壤”的相互反馈机制,重点揭示根系分泌、共生、生长及代谢的根际界面过程对植物水分/养分吸收与土壤物理学修饰的调控机制,剖析“植物种类-凋落物化学-土壤生物-土壤有机质”相互作用对地上-地下养分循环过程的驱动机制,运用“上行-下行控制理论及腐屑食物网模型”揭示地上-地下生物群落交互作用的过程与机制,以及土壤地质演变(岩石风化模式、土壤形成模式及土壤养分格局的变化)与区域植被演替(优势种更替及植被分布模式、地上-地下凋落物输入格局等的变化)相互反馈的过程与机制;从“植物-土壤”相互反馈的理论视角,分析生态退化与恢复、外来物种生态入侵、大气氮沉降、二氧化碳浓度升高以及植物多样性减少等全球生态问题的特征、形成机制以及可能的应对策略,揭示生态系统“地上-地下”相互反馈的生态学过程,以及陆地生态系统对全球生态环境变化的响应特征与机理。     

2006年度国家自然科学基金项目指南：重点项目地球科学部

1．全球变化与地球系统拟重点研究的关键科学问题包括: (1)海洋生物地球化学循环、生态系统与生物多样性 (2)亚洲季风环境系统对全球变化的影响与响应 (3)高原与极地环境变化过程及其与东亚环境变化的联系 (4)陆海相互作用与河口海岸带环境演变     

土壤与植物生态化学计量学研究进展

生态化学计量学是一门新兴科学,主要研究生态作用和生态过程中能量平衡及碳、氮、磷等多重化学元素的平衡,有机统一了生物学不同层次(分子、细胞、个体、种群、生态系统以及全球尺度)的研究理论。陆地生态系统的生态化学计量学研究具有重要意义,土壤和植物的碳、氮、磷比例关系可以表征生态系统的养分限制状况以及有机质的分解程度及其对土壤肥力的潜在贡献等。主要综述了生态化学计量学的概念、起源及研究简史,重点概述了陆地生态系统(主要为草原生态系统)中土壤与植物碳、氮、磷的生态化学计量学特征及其对气候因子及人为干扰等因素的响应。     

中国植被物候研究进展及展望

本文围绕气候变化背景下的中国植被物候研究,梳理了植被物候对气候变化的响应机制,分析了中国植被物候变化对陆地生态系统碳、水和能量循环的影响,植被物候变化对局地气候的反馈机制以及通过大气环流对气候系统的影响．主要结论:1)中国植被生长季开始日期提前1~6 d?(10 a)–1,结束日期推迟2~5 d?(10 a)–1,生长季显著延长;2)中国中高纬度地区植被对温度的响应明显高于亚热带和热带地区,温度在控制植被物候的过程中起到多重作用,降水主要影响干旱和半干旱地区的植被物候;3)植被生长季延长增加陆地生态系统生产力,增加中国碳汇;4)植被物候变化改变植被的蒸散发量,从而改变我国的流域尺度河流径流;5)在中国大部分地区,植被物候变化对气候系统产生负反馈作用,甚至影响大气环流过程．中国植被物候的研究越来越多,但仍存在亟待解决的科学问题,比如未来中国植被物候研究需要更加关注遥感数据反演精度,明确物候响应气候变化机制的尺度效应,结合机器学习等智能算法改进物候模型提高物候模拟精度,并重视农作物物候,加强物候与森林管理结合研究以提高我国生态系统碳汇能力,积极面对碳中和带来的机遇与挑战．      

大气氮沉降对森林土壤微生物影响的研究进展

大气氮沉降是影响森林生态系统的新生态因子之一,过量氮沉降将改变参与森林生态系统物质转化和养分循环的土壤微生物.作者综述了国内外模拟氮沉降对森林土壤微生物生物量、群落结构和多样性、微生物活性和酶活性、底物利用能力以及功能基因的影响研究现状.结果表明：(1)整体来看,氮沉降对森林土壤微生物生物量产生负面影响的报道较多;(2)氮沉降改变了森林土壤微生物群落的构成和丰富性;(3)氮沉降短期内促进森林土壤呼吸速率,长期氮输入会抑制土壤呼吸速率;(4)氮沉降改变了参与凋落物分解相关土壤酶的活性;(5)氮沉降降低了土壤微生物代谢复杂有机质的代谢能力;(6)氮沉降增加和降低了某些微生物功能基因的丰度.此外,作者还探讨了氮沉降对森林土壤微生物研究存在的问题和未来研究的重点.     

林火对森林生态系统碳氮磷生态化学计量特征影响研究进展

林火可以改变森林生态系统元素的生态化学计量特征,反映火后森林生态系统环境中生物地球化学循环变化模式,阐明林火干扰下森林生态系统碳(C)氮(N)磷(P)生态化学计量特征,对于理解森林生态系统对林火干扰的响应机理至关重要。笔者通过查阅大量相关文献,总结与分析了林火干扰对森林生态系统C-N-P生态化学计量特征影响模式,以及林火干扰对植物C-N-P生态化学计量特征、凋落物C-N-P生态化学计量特征、土壤C-N-P生态化学计量特征的影响,认为森林生态系统C-N-P生态化学计量特征主要受到火烧因子(火烧强度、火烧频率、火烧后恢复时间)、植被类型及土壤性质3个方面的影响,针对林火对森林生态系统生态化学计量学研究亟待解决的科学问题,从林火干扰对植物生态化学计量内稳性的影响机制、林火干扰下多重元素生态化学计量学研究、建立林火干扰下植物-凋落物-土壤复合系统生态化学计量学关系等3个方面进行了展望,以期深入了解林火干扰下植物调控策略,明确林火干扰后多重化学元素间相互耦合机制,完善以植物-凋落物-土壤为复合整体的地上地下养分输入输出的关系,对于深刻理解全球气候变化背景下森林生态系统养分循环和平衡,以及合理制定林火管理措施具有重要作用。     

Variable effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon

Soils contain the largest near-surface reservoir of terrestrial carbon and so knowledge of the factors controlling soil carbon storage and turnover is essential for understanding the changing global carbon cycle. The influence of climate on decomposition of soil carbon has been well documented, but there remains considerable uncertainty in the potential response of soil carbon dynamics to the rapid global increase in reactive nitrogen (coming largely from agricultural fertilizers and fossil fuel combustion). Here, using 14C, 13C and compound-specific analyses of soil carbon from long-term nitrogen fertilization plots, we show that nitrogen additions significantly accelerate decomposition of light soil carbon fractions (with decadal turnover times) while further stabilizing soil carbon compounds in heavier, mineral-associated fractions (with multidecadal to century lifetimes). Despite these changes in the dynamics of different soil pools, we observed no significant changes in bulk soil carbon, highlighting a limitation inherent to the still widely used single-pool approach to investigating soil carbon responses to changing environmental conditions. It remains to be seen if the effects observed here-caused by relatively high, short-term fertilizer additions-are similar to those arising from lower, long-term additions of nitrogen to natural ecosystems from atmospheric deposition, but our results suggest nonetheless that current models of terrestrial carbon cycling do not contain the mechanisms needed to capture the complex relationship between nitrogen availability and soil carbon storage.     

荒漠地区土壤表层固碳作用研究进展

 干旱、半干旱地区的生态环境条件脆弱,光能自养生物在荒漠地区地表的物质循环和能量流动中起着重要作用。藻类和苔藓是荒漠地区地表普遍存在的固碳生物,不仅能够改善土壤的物理性质,起到保护土壤的作用,同时能够通过特定蓝藻的固氮作用增加土壤的氮含量,最重要的是这些固碳生物能够通过光合作用固定空气中的CO₂,是荒漠地区土壤表层固碳的主要贡献者。荒漠地区生态系统固碳量的研究也是研究全球气候变化的重要组成部分,固碳量的大小不仅受自然条件的约束,也与土壤表层固碳生物（主要是藻类和苔藓）的组成密切相关。当土壤中仅有丝状蓝藻存在时固碳速率较低,随着绿藻等高等藻类和苔藓的出现,固碳速率快速增加。本文综述了荒漠地区土壤表层固碳生物组成和影响地表固碳的因素,回顾和展望了地表固碳的研究方法。     

A unifying framework for dinitrogen fixation in the terrestrial biosphere

Dinitrogen (N(2)) fixation is widely recognized as an important process in controlling ecosystem responses to global environmental change, both today and in the past; however, significant discrepancies exist between theory and observations of patterns of N(2) fixation across major sectors of the land biosphere. A question remains as to why symbiotic N(2)-fixing plants are more abundant in vast areas of the tropics than in many of the mature forests that seem to be nitrogen-limited in the temperate and boreal zones. Here we present a unifying framework for terrestrial N(2) fixation that can explain the geographic occurrence of N(2) fixers across diverse biomes and at the global scale. By examining trade-offs inherent in plant carbon, nitrogen and phosphorus capture, we find a clear advantage to symbiotic N(2) fixers in phosphorus-limited tropical savannas and lowland tropical forests. The ability of N(2) fixers to invest nitrogen into phosphorus acquisition seems vital to sustained N(2) fixation in phosphorus-limited tropical ecosystems. In contrast, modern-day temperatures seem to constrain N(2) fixation rates and N(2)-fixing species from mature forests in the high latitudes. We propose that an analysis that couples biogeochemical cycling and biophysical mechanisms is sufficient to explain the principal geographical patterns of symbiotic N(2) fixation on land, thus providing a basis for predicting the response of nutrient-limited ecosystems to climate change and increasing atmospheric CO(2).     

Nitrogen loss from unpolluted South American forests mainly via dissolved organic compounds.

Conceptual and numerical models of nitrogen cycling in temperate forests assume that nitrogen is lost from these ecosystems predominantly by way of inorganic forms, such as nitrate and ammonium ions. Of these, nitrate is thought to be particularly mobile, being responsible for nitrogen loss to deep soil and stream waters. But human activities-such as fossil fuel combustion, fertilizer production and land-use change-have substantially altered the nitrogen cycle over large regions, making it difficult to separate natural aspects of nitrogen cycling from those induced by human perturbations. Here we report stream chemistry data from 100 unpolluted primary forests in temperate South America. Although the sites exhibit a broad range of environmental factors that influence ecosystem nutrient cycles (such as climate, parent material, time of ecosystem development, topography and biotic diversity), we observed a remarkably consistent pattern of nitrogen loss across all forests. In contrast to findings from forests in polluted regions, streamwater nitrate concentrations are exceedingly low, such that nitrate to ammonium ratios were less than unity, and dissolved organic nitrogen is responsible for the majority of nitrogen losses from these forests. We therefore suggest that organic nitrogen losses should be considered in models of forest nutrient cycling, which could help to explain observations of nutrient limitation in temperate forest ecosystems.     

“碳中和”背景下碳输入方式对森林土壤活性氮库及氮循环的影响

森林生态系统具有碳源和碳汇双重功能,调控森林中碳输入方式对于实现我国“碳中和”目标具有重要意义。作为森林土壤有机碳(SOC)的主要来源,不同碳(C)输入方式(如地上凋落物、地下植物根系等)对森林生态系统土壤氮(N)循环的影响一直是相关学者的研究重点。笔者综述了目前国内外不同C输入方式对土壤活性N库、土壤N矿化、硝化过程及氧化亚氮(N₂O)排放的影响研究现状,分析了森林土壤活性N库及N转化过程对不同C输入变化的响应,发现:① 地上C排除可以降低土壤有效态氮(主要包括$NH_{4}^{+}$-N和$NO_{3}^{-}$-N)的含量,但地下C排除却增加了土壤$NH_{4}^{+}$-N含量。C输入方式的改变对土壤微生物生物量氮(MBN)含量影响具有不确定性,这可能与生态系统类型、树种组成、时间尺度等因素相关。此外,地下C排除对土壤可溶性氮(DON)含量的影响较地上C排除的大,地下根系可能是影响土壤DON含量的主要贡献者。② 地上C输入对土壤N矿化及硝化速率的影响在短期内较大,而长期影响较小。其主要是通过间接改变土壤微生物活性从而影响了土壤N矿化及硝化过程,地下C排除增加了土壤N矿化速率,且随着时间尺度的增加表现更加明显。③ 地上C输入通过改变硝化和反硝化微生物的可利用C源而间接影响了N₂O的排放,且受到树种影响显著,而地下C输入对N₂O的影响因根系质量等的差异而发生改变。综上可知,森林土壤活性N库及N循环过程对不同C输入具有不同的响应机制,且受生态系统类型、物种、时间等因素影响较大。目前关于两种乃至多物种不同C的输入对森林土壤N影响的研究较少,且定性研究较为普遍;对优化森林生态系统地上地下C输入动态模型和精准预算不足,尚未建立完整的碳减排生态补偿机制。今后的研究亟须定量了解不同森林生态系统不同的C输入及其两者或者多物种之间的交互影响对土壤N的影响机制,且需更多地考虑在时间尺度上的长期变化过程;需要提升核算与预测森林地上地下碳中和能力,加快森林碳中和技术研发,为提前实现“碳中和”战略目标提供科技支撑。     

Plant diversity enhances ecosystem responses to elevated CO2 and nitrogen deposition

Human actions are causing declines in plant biodiversity, increases in atmospheric CO2 concentrations and increases in nitrogen deposition; however, the interactive effects of these factors on ecosystem processes are unknown. Reduced biodiversity has raised numerous concerns, including the possibility that ecosystem functioning may be affected negatively, which might be particularly important in the face of other global changes. Here we present results of a grassland field experiment in Minnesota, USA, that tests the hypothesis that plant diversity and composition influence the enhancement of biomass and carbon acquisition in ecosystems subjected to elevated atmospheric CO2 concentrations and nitrogen deposition. The study experimentally controlled plant diversity (1, 4, 9 or 16 species), soil nitrogen (unamended versus deposition of 4 g of nitrogen per m2 per yr) and atmospheric CO2 concentrations using free-air CO2 enrichment (ambient, 368 micromol mol-1, versus elevated, 560 micromol mol-1). We found that the enhanced biomass accumulation in response to elevated levels of CO2 or nitrogen, or their combination, is less in species-poor than in species-rich assemblages.