城市生态学长期监测的几个关键问题

伴随城市人口快速聚集及人类活动加剧,城市生态环境质量及其对人类社会经济发展的支撑能力正在受到严重挑战,城市生态系统及其变化的研究越来越受到重视,国内外涌现出大量城市生态学长期监测工作,但相关监测方法的讨论还很少。在分析城市生态学长期监测类型和实践经验基础上,从城市面临的环境胁迫和建设管理需求出发,构建了城市生态学长期监测的“胁迫+需求-生态系统响应”总体思路框架;从科学上最基本和社会上最关心的城市生态系统要素、格局和过程着眼,提出城市生态学长期监测的7项内容(土地覆盖与利用、人居环境质量、生物多样性、生物质生产、水文过程、生物地球化学循环和物质代谢);并分析了城市生态学长期监测的4种方法(遥感监测、仪器监测、调查监测、公众科学监测),分析了城市生态学长期监测单元及其空间布局及监测频率。这将为我国城市生态学长期监测工作开展提供方法论基础和实践参考。

北京城区自生植物分布格局及其影响因素

了解城市自生植物的空间分布格局有助于城市植物景观的规划和管理。基于北京城区的252个自生植物样地调查数据,使用指示克里金法和地理探测器模型展示了北京城区自生植物的空间分布格局并揭示其形成原因。结果显示:北京城区共记录自生植物173种,其中草本植物144种,木本植物29种。草本和木本自生植物的空间分布格局存在显著差异,草本自生植物多样性沿城市中心—城郊梯度增加;木本自生植物多样性在空间上没有明显的城乡梯度,在城区多数区域的多样性较低。人为干扰对城市生态系统的自生植物空间分布格局产生了巨大的影响,草本自生植物主要受到距市中心距离、社会经济因素和绿地管理强度的影响,而木本自生植物则受到距城市中心距离、绿地管理强度、房价等因子交互作用的影响。研究结果有助于确定北京城区将来迫切需要保护或增强物种多样性的区域,为北京城市绿地管理提供参考。

罗马直立生菜生长发育及营养指标对臭氧浓度升高和持续熏蒸的响应

环境臭氧(O_(3))已成为影响植物生长发育的重要生态因子。为探究地面O_(3)污染对蔬菜形态学特征及营养指标的影响,选罗马直立生菜(Lactuca sativa var.roman)为实验材料,采用开顶式气室开展熏蒸实验。实验设置4个O_(3)熏蒸浓度(NF:未过滤的环境空气;NF40:环境空气+40 nmol/mol;NF80:环境空气+80 nmol/mol;NF120:环境空气+120 nmol/mol),每个处理设置3个重复组,分析评价O_(3)污染对植物造成的可见伤害、生产量、叶片解剖学特征以及食用部位营养指标的影响。研究表明:(1)O_(3)熏蒸对生菜叶片产生不可逆的可见伤害,叶片出现浅黄色斑点和棕色斑点,且随着熏蒸时间延长,叶片出现黄化,大面积的坏死斑块,衰老加速。(2)高浓度O_(3)胁迫显著降低了生长阶段的株高(P<0.05)。与NF组相比,NF40、NF80、NF120组分别使生物量下降5.90%、14.99%、39.21%。(3)随着O_(3)熏蒸浓度升高,气孔密度增加,气孔开度减小。叶片厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度与O_(3)暴露剂量AOT40呈显著负相关关系(P<0.05)。(4)高浓度O_(3)暴露使蔬菜中Ca、Na、Fe、Zn、Mg等元素含量显著降低,脂肪和蛋白质含量增加,生菜的营养指标发生改变。研究表明,罗马直立生菜对环境O_(3)污染敏感,其生长发育及营养指标在O_(3)胁迫条件下发生明显变化。目前,关于O_(3)污染对蔬菜形态学特征影响的研究较少,研究系统探讨蔬菜的叶片厚度、栅栏组织、海绵组织、气孔密度及开度等形态学指标在臭氧污染条件下的变化。蔬菜的品质是关系到“三农”问题的重要方面,研究探讨了臭氧污染对蔬菜的产量及营养指标的影响,可为O_(3)污染条件下蔬菜的生产提供科学参考。

臭氧胁迫下白蜡与银杏幼苗的响应差异

为了明确大气臭氧(O_(3))浓度升高对木本植物的生长、生理生化特征的胁迫效应,本研究利用开顶式气室(OTC),以典型绿化植物白蜡(Fraxinus chinensis)和银杏(Ginkgo biloba)幼苗为研究对象,研究了3个臭氧浓度水平(环境浓度,AA;环境浓度+40 nmol·mol^(-1),AA+40;环境浓度+80 nmol·mol^(-1),AA+80)下白蜡和银杏的叶片数量、叶片面积、生物量、光合速率、碳水化合物和非结构性碳水化合物的变化差异。结果表明,累积熏蒸35、51 d和71 d后,对比AA试验组,AA+40和AA+80浓度O_(3)抑制了白蜡幼苗的叶片数量和叶面积生长,而促进了银杏幼苗的叶片数量和叶面积生长,并促进了白蜡的光合速率;AA+40和AA+80浓度臭氧均抑制了白蜡和银杏幼苗的叶片非结构性碳水化合物的含量和生物量。O_(3)浓度升高和臭氧熏蒸时间延长,对白蜡和银杏幼苗的叶片生长、光合速率和非结构性化合物累积整体呈抑制,但存在银杏叶片生长和白蜡光合速率受到不同程度促进的情况。O_(3)浓度升高会对白蜡、银杏幼苗的生长和光合作用产生胁迫,其中白蜡的叶片生长状态对O_(3)胁迫更敏感,银杏的光合速率对O_(3)胁迫更敏感。

城市生态系统长期观测研究站及其主要任务

随着对城市人居环境质量高度关注,城市生态学越来越受到重视。城市生态系统长期观测研究站(简称城市生态站),作为能够跟踪和研究城市生态系统长期变化规律的一种研究手段,在国内外得到了较快发展。在分析国内外城市生态站的研究经验和实践过程基础上,提出了城市生态站的科学目标、研究内容和主要工作,特别就城市生态站的观测工作、模拟实验工作和社会服务的基本框架和工作内容进行了论述,可以作为城市生态站建设的设计思路。为我国新建和完善城市生态站工作提供重要指导作用。

城市生态学自然模拟实验研究进展

自然模拟实验,通过适当控制影响因素研究自然状态下生态系统变化,已经越来越受到生态学家的欢迎。新兴的快速发展的城市生态学越来越多的采用自然模拟实验方法。研究从城市生态学的实验设计方法(如人工梯度、自然梯度和城市建设实验)、环境因子(如空气污染、热岛、灯光和地表硬化)生态效应和生态系统(如社区、绿地、绿化屋顶和集水区)响应等方面,分析了国内外大量城市生态学自然模拟实验的研究案例,并总结了城市生态学自然模拟实验的特点,指出了城市生态学模拟实验应该考虑的主要问题,并提出未来主要发展方向:(1)多种环境因子复合影响模拟实验研究,(2)生态系统结构和功能响应模拟实验研究,(3)近自然的长期模拟实验研究,(4)大范围的联网模拟实验研究和(5)面向城市生态恢复和建设的模拟实验研究。希望研究能够为推进我国城市生态学的实验研究起到抛砖引玉作用。

生态产品价值实现率评价方法——以丽水市为例

生态产品价值实现是指在维持生态系统稳定性和完整性的前提下,通过合理开发利用生态产品,将其生态价值转化为经济效益的过程。生态产品价值实现机制包含了促进生态产品价值实现的政策、市场和技术机制。生态产品通过各种途径实现的经济价值总和称为生态产品价值实现量。生态产品价值实现量与生态产品总值(GEP)的比值为生态产品价值实现率。评估生态产品价值实现率是评判生态产品价值实现状况的基础,是评估生态产品价值实现机制是否有效运转的重要前提。提出生态产品价值实现率的概念和核算方法,以浙江省丽水市为例,在核算GEP的基础上,评估生态产品价值实现量与实现率来分析丽水市生态产品价值实现状况、问题及影响因素,提出提高生态产品价值实现率的对策建议。研究表明,丽水市2019年GEP为4110.21亿元,生态产品价值实现量为1017.49亿元,生态产品价值实现率为24.76%。丽水生态产品价值实现模式主要有市场交易和政府补偿两种模式。市场交易模式贡献了95.84%的生态产品价值实现量,是目前丽水市最有效的生态产品价值实现模式,但存在价值实现效率不均衡、对于缺乏市场或是市场机制不成熟的生态产品不适用等问题。政府补偿模式贡献了4.16%的生态产品价值实现量,可广泛适用于各类产品价值实现,但存在价值实现效率低下、价值实现机制不成熟、价值实现资金来源单一、单项产品价值实现量小等问题。针对以上问题,研究建议通过完善生态产品市场交易机制、丰富生态补偿模式及资金来源、建立完整的生态产品产业链等途径促进丽水市生态产品价值实现。

喀斯特地区石漠化生态修复对土壤生物多样性的影响

我国西南喀斯特地区是具有土层薄和土被不连续等特征的生态脆弱区,人为过度干扰和土地不当利用导致了生境退化甚至石漠化的发生。从“九五”规划到“十三五”规划,为了有效抑制并逆转石漠化趋势,生态修复措施得到普遍的推广应用。“十四五”规划进一步提出科学推进石漠化综合治理,提高生态系统自我修复能力和稳定性。从土壤微生物、原生动物、线虫、微节肢动物、蚯蚓和线蚓等方面,综述了喀斯特地区生态修复对土壤生物多样性的影响。研究发现:(1)喀斯特生境细菌和真菌的多样性高于非喀斯特生境,原因是喀斯特具有较高的土壤pH和钙含量;(2)与非喀斯特生境相比,喀斯特生境土壤动物类群数相差不大而个体密度较低;(3)石漠化过程伴随着植被退化,降低了土壤微生物种类和功能多样性,土壤动物的个体密度和类群数也呈现降低趋势;(4)生态修复促进植被正向演替,土壤微生物量和酶类活性逐渐上升,真菌/细菌生物量比值增大,土壤动物个体密度和类群数增加,有利于土壤固碳和生态修复。因此,土壤生物多样性是适合指示喀斯特石漠化的生态修复的生物学指标。研究建议:(1)在传统分类鉴定基础上,结合宏基因组学、宏蛋白质组学和同位素标记等技术,完善生态修复的土壤生物学指标;(2)加强土壤生物多样性在生态修复过程的功能研究;(3)建立长期野外生态试验观测站,从真实时空尺度研究土壤生物多样性对生态修复的响应,以及和地上植被关系。这些研究有助于明确土壤生物多样性的维持机制及其生态系统功能,以促进石漠化的生态修复效果。

臭氧浓度升高对小白菜叶片生理特性的影响随暴露时间的变化研究

为探究近地面臭氧(O3)浓度升高对植物的不良影响随暴露时间延长的变化情况,本研究以小白菜(Brassica pekinensis)为研究对象,采用开顶式气室(OTC),设置4种O3浓度水平,即环境浓度(NF),环境浓度+40 nmol·mol^(-1)(NF40),环境浓度+80 nmol·mol^(-1)(NF80),环境浓度+120 nmol·mol^(-1)(NF120)。根据小白菜叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)、可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(SS)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性(PEPC)、丙二醛(MDA)、抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、总抗氧化能力(T-AOC)与O3暴露剂量(AOT40)的线性模型截距与模型斜率在不同测定时间的关系,明确O3浓度升高对小白菜叶片生理特征的影响随暴露时间的变化规律。研究发现,累积熏蒸28 d时,随着O3浓度升高,与NF组相比,NF40、NF80、NF120组小白菜叶片Chl,Car和SP含量分别减少19.09%、30.45%、33.66%,12.85%、24.69%、27.78%和26.30%、37.89%、38.16%(P<0.05),而叶片MDA,SS,GSH,AsA,T-AOC含量分别增加31.11%、33.42%、75.23%,165.61%、207.08%、306.00%,78.30%、89.08%、162.09%,14.47%、15.11%、92.35%,27.87%、32.84%、42.61%。结果表明,O3浓度升高会造成小白菜叶片光合色素下降和生理伤害增加,并诱使小白菜抵御O3胁迫的抗氧化能力增强。随着O3暴露时间延长,叶片中Chl、Car、SP、MDA对O3的敏感性(即指标对单位O3暴露剂量变化的响应大小)减弱(P<0.05),而SS、GSH、AsA、T-AOC对O3敏感性无显著变化,说明随着暴露时间延长O3胁迫对小白菜叶片生理特征的影响强度呈下降趋势,小白菜对O3胁迫的敏感性降低。研究表明,长时间高浓度O3熏蒸降低了小白菜的光合作用,提高了抗氧化能力,最终导致生物量降低,同时降低了小白菜对O3胁迫的敏感性。

城市复杂环境中碳通量日变化规律及其影响因素

城市是人类居住和活动最集中地区,其CO_(2)排放量占世界总排放量的71%,城市碳排放规律研究对全球碳减排工作具有重要意义。利用涡动相关技术观测了北京市某街区2015年至2016年的CO_(2)通量,重点研究了不同时间尺度和气象条件下的CO_(2)通量的日变化规律,分析了影响城市CO_(2)通量的社会及自然因素。结果表明,CO_(2)通量日变化特征具有(1)明显的早晚“双峰型”特征,早晚高峰分别出现在早上7:30—9:30和晚上17:30—20:30;(2)周末特征:周末早高峰时间延迟,晚于工作日约1.5h,且峰值低了约10.8%,但晚高峰时间提前,且峰值高于工作日约10.6%;(3)季节特征:冬季CO_(2)通量均值和早高峰值明显高于其他季节,夏季中午具有明显低峰区;(4)风向特征:在不同来风方向上,CO_(2)通量的日变化峰值差异很大;(5)天气特征:阴天双峰特征比晴天明显。研究表明CO_(2)通量日变化主要与交通流量动态变化关系最为密切,其次要受到植被的影响。因此,交通减排和植被增汇对于控制城市碳排放具有重要意义。

青藏高原生态修复格局空间优化

明确生态问题的空间特征及生态修复的空间格局,是提高生态服务的重要手段。尽管国内外对退化生态系统恢复重建已有诸多研究和探索,但是基于多个生态问题的协同治理格局尚不明确。因此,如何以多个生态问题的治理为主要目标,使用最小的面积获得最大的修复效果是急需解决的问题。通过收集数据模拟青藏高原水土流失、沙化、石漠化、森林和草地质量持续下降等生态问题,明确青藏高原主要生态问题空间特征,使用Zonation模型对各生态问题进行空间协同优化,识别青藏高原优先修复区。通过分析,青藏高原水土流失主要分布在青藏高原东南高山峡谷地区,沙化严重区域主要分布在南疆、西藏自治区的北部和西北部以及青海省西北部,石漠化以轻度石漠化为主,主要分布于青藏高原东部边缘地区、云南省西北与四川省西南交界的区域和西藏自治区与四川省交界区域。对比几种主要的修复目标发现,优先修复青藏高原30%的生态问题严重区域是比较适宜的选择。基于青藏高原主要生态问题空间协同优化结果与现有保护地和生态修复工程对比,划定阿里-藏北高原修复区、念青-唐古拉山修复区和三江并流修复区,在以上区域开展生态修复,修复4.81%的区域将会提升17.40%水源涵养服务、13.73%土壤保持服务和7.85%固碳服务。

臭氧暴露对大豆叶片群体光合作用及产量的影响

臭氧(O_(3))已经成为我国许多大中城市夏季的首要污染物,其具有较强的植物毒性,严重威胁农业安全。O_(3)污染常发生于高温晴天,具有间歇性和累积性的特点,但现有研究多集中于在叶片尺度上探究长期O_(3)暴露对植物生理过程的影响,而间歇性暴露对植物整株生长和光合生理特性的影响鲜有报道。以大豆为实验对象,依托开顶式气室(OTC)进行间歇性臭氧暴露,探究大豆叶片群体光合作用及产量对间歇性O_(3)暴露的响应。结果发现(1)间歇性O_(3)暴露具有累积性和恢复性,在低O_(3)暴露剂量(AOT40≤2.47μL L^(-1) h^(-1))处理下,大豆植株的净光合速率降低,但与对照组无显著差异。当AOT40较高时(AOT40≤5.35μL L^(-1) h^(-1)),大豆植株的净光合速率显著降低,而随着O_(3)胁迫的消失,大豆植株的净光合速率逐渐回升,并最终恢复。(2)不同的光合参数对间歇性臭氧暴露敏感性不同,其中最大净光合速率最为敏感。在低AOT40下最大净光合速率显著降低,且恢复时间更长。(3)O_(3)二次暴露后,净光合速率降低幅度较低,且恢复更快,说明间歇性O_(3)暴露可能会提高大豆的耐受阈值。(4)当AOT40低于5.35μL L^(-1) h^(-1)时,对大豆产量无显著影响,说明间歇性臭氧暴露条件下,大豆减产阈值更高。

开顶式气室的内外环境差异及其对小麦生长的影响

为探究开顶式气室(Open top chamber,OTC)内外环境差异及其对植物生长的影响,通过对比观测OTC内外的温度、湿度、光合有效辐射以及小麦的净光合速率、生物量、产量,评价了OTC对小麦生长的环境条件及叶片光合速率和产量的影响程度。结果表明:实验通气时间段(9:00—17:00),OTC内部温度比外部高4.8℃(P<0.05),相对湿度低0.6个百分点(P<0.05),光合有效辐射低32.3%(P<0.05)。OTC内小麦的净光合速率显著高于OTC外(P<0.05),且最大影响出现在小麦灌浆阶段。OTC内的小麦单株生物量增加了13.3%,其中穗生物量增加最多(35.2%);小麦单株产量增加了49.2%,其中籽粒数和千粒质量均增加了34.5%。实验结果不仅表明OTC增温能够促进农作物生产并提高产量,而且也提示,若采用OTC开展空气CO_(2)和O_(3)等浓度增加对植物影响模拟实验时,应该尽量减少OTC内外的微气候差异,并考虑OTC增温可能对实验结果的影响。

中国水土流失敏感性分布规律及其区划研究

以水土流失通用方程为理论基础 ,利用我国已有的水土流失研究成果及地貌、土壤和植被分布图 ,分析了降水、土壤质地、地形坡度坡长和地表覆盖因子对我国水土流失敏感性的影响及其形成的区域差异。在综合评价我国水土流失敏感性区域差异基础上 ,提出了中国水土流失敏感性区划方案。

全球碳循环中的失汇及其形成原因

近 2 0多年来 ,大气碳收支不平衡 ,即碳失汇 ( Missing carbon sink) ,一直是全球碳循环研究的核心问题之一。在总结全球碳失汇的主要研究成果基础上 ,分析了碳失汇数量和可能分布地点 ,并对形成的主要原因 :CO2 施肥作用、氮沉降的变化、变暖促进氮矿化和早期破坏后的森林再生等 ,进行了综述和分析 ,指出了该问题的复杂性。

中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究

提高森林生态系统C贮量的估算精度 ,对于研究森林生态系统向大气吸收和排放含C气体量具有重大意义 .中国的森林生态系统植物C贮量的研究刚刚开始 ,由于估算方法问题 ,不同估算结果存在着较大的差异 .本研究以各林龄级森林类型为统计单元 ,得出中国森林生态系统的植物C贮量为 3 .2 6～ 3 .73Pg ,占全球的0 .6～ 0 .7% ;各森林类型和省市间有较大的差异 .森林生态系统植物C密度在各森林类型间差异比较大 ,介于6 .47～ 118.14Mg·hm-2 ,并且有从东南向北和西增加的趋势 .这种分布规律与我国人口密度的变化趋势正好相反 ,两者有一种对数关系 .

DNDC模型在长江三角洲农田生态系统的CH_4和N_2O排放量估算中的应用

长江三角洲是我国农业发达地区之一 ,其农业生产所排放的CH4 和N2 O ,早已引起了研究者的重视 .本研究在分析总结现有的野外观测结果的基础上 ,验证了估算区域痕量气体排放量的生物地球化学模型DNDC ,估算出长江三角洲地区的CH4 和N2 O排放量分别为 1 69( 1 2 9～ 2 0 9)Tg·a-1和 0 0 1 9( 0 0 1 4～ 0 0 2 4 )Tg·a-1,分别占全国农田CH4 和N2 O排放量的 1 6 7%和 6 1 % .

生态效益评价内容和评价指标筛选

生态效益评价的重要性已经广为人知,但评价内容和指标不统一,大大影响了评价结果的可信度。基本上是各说各有理,很难相互比较。在分析国内外相关生态系统评价方法基础上,提出生态效益评价框架,强调生态效益与经济效益和社会效益共同构成了人类社会的价值判断标准和决策依据,是经济效益和社会效益的基础,应该包括生态系统整体贡献,考虑与生态系统的动态变化的关系;并探讨了生态效益评价指标筛选的原则(关联性、灵敏性、层级性、决策导向性、代表性、可行性、独立性及经济适用性和社会可接受性);提出了生态效益指标筛选的多准则综合法和生态效益评价指标检验的3个标准(可定量化、专一化和震撼性)。本研究将为生态效益指标体系的构建提供重要参考。

中国森林火灾释放的CO_2、CO和CH_4研究

在对各省火灾统计资料和生物量估计的数据基础上 ,用排放因子法和排放比法 ,得出中国森林火灾释放的CO2 、CO和CH4 年平均分别为 8 96TgC/a、1 1 2TgC/a和 0 1 0 9TgC/a,其中林下植物和地表枯落物的贡献分别为 39%、4 7%和 4 0 %。各省年平均森林火灾释放的CO2 、CO和CH4 量主要是由火灾受害面积决定的 ,森林火灾较多的黑龙江、云南和内蒙古的这 3种气体的排放量占全国的 80 %以上。森林火灾释放的CO2 和CH4 分别为全国所有源排放的 1 2 %和 0 35%。中国年平均森林火灾释放的CO2 、CO和CH4 量分别为全球森林火灾排放量的 0 3 %、0 5%和 0 0 1 %。

城市生态系统:人与自然复合

随着城市化快速发展,城市生态学进入了空前繁荣时期,一些新理念和新范式引起了广泛关注。从生态系统角度,分析了城市生态系统组分、结构、过程、功能和服务的特点,提出了城市生态系统研究的黑箱范式和结构⁃过程⁃功能⁃服务级联范式。重点分析了人与自然在城市生态系统的组分、结构、过程、功能和服务等方面上的不同角色,探讨了人与自然在城市生态系统组分上镶嵌、结构上融合、过程上耦合、功能上互补和服务上协同的相互作用机制,提出了城市生态系统研究的人与自然共同进化范式,即人类和自然相互作用和适应,推动了城市发展。这将为深入认识和研究城市生态系统提供重要理论支撑。