冬季土壤呼吸:不可忽视的地气CO_2交换过程

冬季土壤呼吸是生态系统释放CO2的极为重要的组成部分,并显著地影响着碳收支。然而,过去绝大多数工作集中在生长季节土壤呼吸的测定,对年土壤呼吸量的估算大多基于冬季土壤呼吸为零的假设。目前为数不多的研究集中在极地苔原和亚高山,其它植被类型的研究只有零星报道。极地苔原和森林冬季土壤呼吸速率分别为0.002～1.359和0.22～0.67μmolC·m-2·s-1;土壤呼吸的CO2释放量分别为0.55～26.37和22.4～152.0gC·m-2,是地气CO2交换过程中不可忽视的环节。雪是土壤呼吸过程的重要调节者,积雪厚度和覆盖时间的长短均会影响土壤呼吸的强弱;水分的可获取性是重要的限制因素;对于维持活跃的土壤呼吸有一个关键的土壤温度临界值(-7～-5℃),低于这个值会因自由水的缺乏而抑制异养微生物的呼吸。如果存在绝缘的积雪层,可溶性碳底物在自由水存在的情况下可控制异养微生物的活力。该文对冬季土壤呼吸的重要性、研究方法、土壤呼吸强度及其影响机制等进行了综述,并讨论了冬季土壤呼吸研究中存在的问题及未来研究方向。

武汉市2001～2005年大气环境质量模糊综合评价

文章对武汉市2001～2005年东湖梨园等6个监测站所监测的二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入颗粒物(PM10)结果的年变化趋势进行了分析,根据国家标准利用模糊综合评价模型对各区各年大气环境质量状况做出了合理的综合评价,并由模型中各污染因子的权重判断出可吸入颗粒物(PM10)武汉市大气质量的制约因子,二氧化氮(NO2)的权重逐步上升。根据分析数据初步分析了三种污染物的主要来源。

1982—2010年全国草地生长时空变化

基于遥感技术,利用1982—2010年间NOAA-AVHRR卫星获得的归一化植被指数(normalizeddifference vegetation index,NDVI)数据对全国29年来的草地生长动态变化及其与温度、降水的相关关系进行分析。结果表明:29年来,全国草地生长季NDVI总体上呈显著增加趋势(R2=0.25,p<0.01),尤其是在1982—1999年间(R2=0.60,p<0.01),而自20世纪90年代末开始失速。值得注意的是,最近十几年(1999—2010年)草地生长季NDVI变化趋势的大小和方向基本上取决于起始年份的选择,因而这一阶段草地生长的总体趋势不显著。不同地区、不同时段生长季NDVI变化趋势的空间分布存在较大差异。草地生长在1982—1999年间呈广泛(约占85%)增加趋势,在1999—2010年间出现较大范围(约占50%)的逆转,尤以干旱、半干旱地区的草地植被生长下降趋势最明显。水热组合状况是影响这一变化的主要原因。生长季平均NDVI与气候因子之间的相关关系分析表明,全国大部分地区草地生长变化主要受降水驱动,对于部分高寒和湿润、半湿润地区的草地,生长季NDVI与温度关系密切,温度上升对该地区草地生长有利。

1982～2006年全球植被生长时空变化

基于遥感和地理信息系统技术,利用1982～2006年间NOAA-AVHRR获得的归一化植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex,简称NDVI)数据对全球最近25年来的植被生长的动态变化及其与温度、降水的相关关系进行了分析。结果表明:25年间,全球植被生长季NDVI总体上呈显著上升趋势(R^2=0.27,P<0.01),尤其在1982～1997年间(R^2=0.68,P<0.01);而在最近的10年(1997～2006年),全球平均生长季NDVI呈下降趋势(R^2=0.34,P=0.08)。不同地区生长季NDVI变化趋势存在较大差异。1982～2006年间,热带地区生长季NDVI增加速度最快(R^2=0.32,P<0.01),其次为北半球中高纬地区(R^2=0.14,P=0.06),而南半球温带地区平均生长季NDVI主要处于波动中(R^2=0.04,P=0.31)。生长季平均NDVI与气候因子之间相关关系分析表明,北半球中高纬大部分地区植被的NDVI与温度成正相关,说明温度上升对该地区植被生长有利。

Forest-CEW:一个模拟森林“能-碳-水”过程的生态系统模型

过程模型是探究生态系统内部运行机制的一个重要手段,但在这方面,我国目前所开展的原创性工作还比较少,鉴此,本文介绍了一个自主研发的、复杂程度适中、用户易于使用、结构合理、过程机理明确、接口丰富的生态系统过程模型,同时将其命名为Forest-CEW.该模型借鉴了陆面过程模式的框架,对现有的知识进行了整合,而且它还注重对环境生物物理过程和生理过程的刻画,具有友好的用户界面设计.为了验证模型的模拟效果,本文还将其模拟的结果与日本苫小牧站的实测数据进行了对比与分析,结果表明:其模拟效果非常理想,实测和模拟结果的线性回归斜率接近1. 0,决定系数达到了0. 88,并且其可以成功地再现生态系统的内部主要过程.此外,通过在实践中的不断改进,该模型还有望给业界提供更多有益的信息,从而使人们对生态系统的内部过程有更深入的理解.

季节补偿效应导致2015/2016厄尔尼诺期间北半球未发生明显的碳汇降低

厄尔尼诺事件通常在北半球导致广泛的植被生长下降和碳汇降低.然而,基于遥感观测、全球陆地生态系统模型模拟及大气CO_(2)反演多套数据,本研究表明在2015/2016厄尔尼诺成熟阶段,北半球(主要为热带之外的区域)植被普遍持续增绿,陆地碳汇未见减弱.研究结果发现,春季植被生长增强对随后的夏季和秋季植被生长有明显的补偿效应,这种补偿效应维持了夏季植被增绿,并导致2015年春季、夏季及2016年春季陆地碳汇略有增加,特别是在生长季前期(前一年的11月至当年的3月)水分供应增加的北半球热带之外的区域.两套独立数据集结果表明,相对于厄尔尼诺事件发生前5年均值, 2015年春季和夏季陆地碳汇分别平均增加23.34%和0.63%, 2016年春季平均增加6.82%.同时,相较于1997/1998厄尔尼诺事件,更强的季节补偿效应有效地缓解了2015/2016年厄尔尼诺事件对植被生长的不利影响.本研究进一步明确,生长季前期的供水对后续植被生长的遗留效应能够持续约6个月.该研究结果凸显了季节补偿效应在应对偶发性极端厄尔尼诺事件时对植被生长和陆地碳汇的调节作用.

中国北方天然草地的生物量分配及其对气候的响应

通过收集我国近20年来草地生物量的有关文献，估算了我国北方天然草地根冠比（R／S）及地下生产力占总生产力比例（fBNPP）的大小及其对气候变化的响应。结果表明：不同草地类型R／S比及fBNPP变异较大，根冠比为1．66～15．21，fBNPP为0．29～0．98；荒漠草原的R／S比及fBNPP较大，但变幅较小；森林草原R／S比和fBNPP较小，但变幅较大；R／S比及fBNPP随年降水的增加而显著降低，随年平均气温增加而降低的趋势不明显。采用生长季最大生物量估算的方法可能高估了R／S比fBNPP。长期、高质量的生物量观测数据，尤其是地下生物量的数据以及开展不同研究方法对生产力估算结果的影响，对于准确评价草地在区域及全球碳循环中的作用是十分必要的。

基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究

2016年4月签署的"巴黎协定"的目标是到21世纪下半叶全球人为碳排放与生态系统碳汇持平,为了实现这一目标需要精确计量全球不同地区的碳通量,而全球碳同化系统是有效的技术手段。为此,国家科学技术部在"十三五"期间部署的国家重点研发计划"全球变化及应对"专项资助了"基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究"项目。将发展生物圈和大气圈关键参数多源遥感协同反演技术体系、多源卫星与地面观测数据联合碳同化算法,进而建立耦合生态系统模型的高分辨率全球碳同化系统,联合同化多源观测数据,优化生态系统模型关键参数、光合和呼吸碳通量、重点区域人为源碳通量,定量揭示全球陆地生态系统和重点区域人为源碳通量时空格局、生态系统碳源汇驱动机制,为全球变化与应对专项目标的实现和国家决策提供技术与数据支持。

全球变暖和厄尔尼诺导致青藏高原中部湿地迅速扩张

阐明青藏高原湿地的时空变化规律和驱动因素,对理解青藏高原湿地对气候变化的响应及保护其生态系统和生物多样性至关重要.由于湿地边界的不确定性、遥感数据光谱和纹理特征的复杂性,湿地的智能识别监测面临许多技术挑战.本研究提出了一种面向遥感场景分类的深度学习框架,实现了基于Landsat遥感图像的青藏高原湿地智能提取.结果表明,近30年(1990~2019年)青藏高原湿地面积增加了31.2%,其中青藏高原中部,即羌塘高原、柴达木盆地和三江源地区的湿地面积增长最明显.气温升高引起的多年冻土融化是该地区湿地面积增长的主要驱动力.因厄尔尼诺而导致的气温和降水异常进一步加剧了湿地面积的增长.

极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.

地理系统模型研究进展

地理系统是多圈层交互的复杂巨系统。地理系统模型是理解和预测不同尺度地理系统格局和过程变化最重要的研究方法。地理系统模型作为可持续发展科学决策必需的工具,是自然地理学重要的研究方向。过去几十年来,在全球变化等全球性重大环境问题和人类科学决策需求的推动下,地理系统模型虽然发展迅速,但还不足以准确地模拟和预测复杂人地耦合系统。本文分别从模型原理、框架和尺度等方面回顾与梳理了地理系统模型从单要素到多要素、从统计到过程、从静态到动态、从单点到区域和全球尺度模拟等发展历程,并总结了地理系统模型对发展人类—自然耦合系统以及模型—数据融合系统的趋势。发展中国的地理系统模型将有助于中国和全球可持续发展的科学决策。

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟,陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展,总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用,并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。

湿地面积时空变化特征及其生态效应

内陆湿地在全球水文循环、生物地球化学循环和生物多样性保护等方面发挥着重要作用。然而,由于气候变化和人类活动的影响,近几十年全球范围的内陆湿地发生了明显退化。探究历史和未来湿地面积时空变化特征及其生态效应,对未来的气候变化政策制定和生物多样性保护具有重要意义。本文分析了湿地面积时空变化特征及其生态效应的研究现状和面临的挑战,探讨了未来的发展趋势和关键科学问题。在此基础上,本文建议未来应重点关注湿地时空变化特征与驱动机制、湿地水文过程与生物地球化学循环机制、湿地与气候变化、湿地生物多样性保护和湿地生态系统修复等研究方向,相关建议可为未来湿地面积时空变化特征及其生态效应的研究提供参考。