以生态科学为指导 造就多功能、多样性的生态系统

“植树造林，绿化祖国”已初见成效。中国现在拥有世界上最多的人工林，面积已达3379万hm^2，占全国森林总面积的31．86％，占世界人工林总面积的1／3。许多研究表明，中国的植物植被状况趋于良性发展，大范围水土流失得到控制。然而，在大规模植树造林、生态恢复过程中还存在着一些不科学的方面．若不引起重视，将产生永久性的后患，将来纠正也会非常困难。世界上其他国家已有类似先例，我们要引以为戒。

黄土高原草地和农田系统碳动态对降雨、温度和CO2浓度变化响应的模拟

全球气候变化通常是多种环境条件同时连续地发生变化,而多因子的控制实验并不能完全模拟环境的变化且其通常需要耗费很高的成本。应用模型可以加深理解全球气候变化对生态系统结构和功能的影响。应用陆地生态系统(TECO)模型模拟黄土高原草地和农田生态系统在CO_2浓度、温度和降水改变情况下生态系统碳动态,探讨黄土高原草地和农田生态系统碳动态对未来气候变化响应。研究结果表明,随着温度升高,草地和农田生态系统净初级生产力(NPP)和异养呼吸(Rh)都呈现先增加后减少的趋势,生态系统碳净交换(NEE)表现出先减少后增加趋势,除农田系统的Rh对温度响应的拐点在当前温度,其余对温度响应拐点在增温4℃,此时系统固碳能力最高。降水和CO_2浓度增加改变生态系统NPP,Rh和NEE对温度变化的响应。随着降水增加,生态系统对温度响应更敏感;草地生态系统NPP,Rh和NEE对温度变化响应拐点发生改变,而农田系统无变化。CO_2浓度升高使农田生态系统NPP,Rh和NEE在增加4℃情景下,对温度变化响应不敏感。增加降水和增温对草地和农田生态系统NPP、Rh和NEE交互作用相对强度最大,分别为51.0%和30.0%、51.3%和16.6%以及-46.1%和-28.9%;增雨和增加CO_2浓度对草地和农田生态系统NPP、Rh和NEE交互作用相对强度最小,分别为2.4%和7.5%、3.7%和3.4%以及8.1%和-9.0%。三因子交互作用对生态系统NPP,Rh和NEE没有明显促进作用。与农田相比,草地生态系统碳动态对气候变化交互作用响应更显著。

清华大学CIESM模式及其参与CMIP6的方案

世界气候研究计划(WCRP)组织实施第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6),清华大学联合国内多家单位,通过多年的模式研发,完成联合地球系统模式(CIESM),除了CMIP6的气候诊断、评估和描述试验(DECK)和历史气候模拟试验(Historical),模式拟参与6个CMIP6子计划。通过介绍该模式的基本情况及其参与的试验子计划,为今后模式试验数据使用者提供参考。

一种基于敏感性分析的改进参数筛选方法

地球系统模式是预测未来气候变化的重要工具。物理参数化方案是其关键部件,其包含的大量不确定参数会严重影响模型模拟性能。而参数不确定性分析面临参数个数过多的挑战。传统敏感性分析方法被广泛用于识别重要参数,然而它并没有考虑参数交互作用的动态变化对筛选过程的影响。对此,利用一个典型非线性数学函数分析该变化导致的筛选结果偏差,进而提出了动态敏感性分析方法(Dynamic Sensitivity Analysis Method,DSAM)。在一个数值函数和单柱大气模式的实验中,DSAM和传统方法的定量筛选结果偏差高达29%。将筛选结果应用于参数优化,模式的优化性能提升67%。

入侵植物凤眼莲管理中的若干生态学问题

凤眼莲 (Eichhorniacrassipes)是一种外来恶性杂草 ,它的入侵不仅威胁到土著的生物多样性和生态系统 ,而且还导致巨大的经济损失 .针对上海市黄浦江流域的情况 ,讨论了有关凤眼莲管理中的几个生态问题 .凤眼莲的控制方法主要有人工或机械控制、化学控制、生物控制和转化利用等 ,而化学除草剂控制凤眼莲在黄浦江流域是不行的 ,因为黄浦江是上海市 16 0 0万市民最重要的淡水资源 .人工或机械打捞也有相似的问题 ,因为目前尚无经济、有效处理被打捞风眼莲的方法 .有鉴于此 ,提出了一个综合管理凤眼莲的方案 ,即通过政府转移支付的形式 ,采用机械打捞、生物控制、检疫措施、完善监督、部门协调、水体富营养化控制、流域管理和资源利用等来控制凤眼莲 .

外来种互花米草和土著种芦苇空中凋落物氮动态的比较研究

土壤氮含量是限制植物生长的重要因素,所以入侵植物要入侵成功必须突破土壤氮限制的瓶颈。近年来,外来种互花米草(Spartina alterniflora)在中国海岸带盐沼中快速取代土著种芦苇(Phragmites australis),引起了多方面的生态学后果。为了解互花米草与本地种芦苇空中凋落物的氮含量是否存在差异及产生这种差异的机制,2003年11月至2004年4月,作者在长江口九段沙湿地对互花米草与芦苇空中凋落物氮含量(单位面积凋落物的总氮量,Ng/m2)进行了测定,结果表明互花米草的氮含量比芦苇高。在空中分解过程中,互花米草茎(包括叶鞘与秆)凋落物的氮含量显著上升,但芦苇茎凋落物的氮含量显著降低。2006年1月,又对中国海岸带6个地点的盐沼中互花米草的凋落物进行取样和氮浓度测定,发现互花米草空中叶鞘与秆的老凋落物(2004年冬季产生)的氮浓度均显著高于其新产生的凋落物(2005年冬季产生),表明在空中分解过程中,互花米草叶鞘与秆凋落物氮含量增加具有普遍性。进一步的温室受控实验结果表明,互花米草凋落物氮含量增加可能是由腐生固氮微生物引起的。以上结果表明,互花米草取代芦苇后,改变了空中凋落物的氮动态,增加了生态系统中氮的输入,可能有利于互花米草的快速扩张。

通量观测事业的科学使命再认知--为解决全球可持续发展的生态学问题奠定坚实的数据基础(英文)

自地球系统进入人类世,要解决全球可持续发展问题,生态学研究需要进入一个大尺度、定量的和可预测的新时代。生态学观测技术的革命和科学数据的长期积累是实现生态学研究跨时代发展的必需。生态系统的通量观测技术是生态学观测技术上的一次重大革命。然而,全球规模的通量观测事业的独特优势和潜在价值仍未被充分认识。回顾全球气象学观测事业的发展历史及其对社会的科学贡献,很好地启示我们再认识通量观测事业的科学使命。

武夷山沿海拔梯度土壤活性有机碳库的变化(英文)

土壤活性有机碳(LOC)是一组活跃的化学物质,由于其较短的周转时间和对环境变化的敏感性在全球碳循环中发挥着重要的作用。但是,对活性有机碳在亚热带森林沿海拔梯度的空间变异还缺乏了解。在本研究中,我们测定了福建武夷山自然保护区不同海拔高度具有代表性的中亚热带常绿阔叶林(500 m)、针叶林(1150 m)、亚高山矮林(1750 m)以及高山草甸(2150 m)土壤不同土层(0-10,10-25和25-40 cm)中微生物可利用碳(MAC)、微生物量碳(MBC)、易氧化碳(ROC)、水溶性碳(WSOC)和轻组碳(LFC),并观测了相应的植物凋落物质量(LM),土壤温度和湿度。结果表明:沿海拔梯度的植被变化和土层深度变化对土壤活性有机碳有显著的影响。微生物可利用碳、微生物量碳、易氧化碳和水溶性碳在不同土层均沿海拔高度的增加而显著增加;而低海拔的常绿阔叶林和针叶林中轻组碳的含量高于亚高山矮林和高山草甸的轻组碳的含量。各土壤活性有机碳库均随土层的加深而减小。除轻组碳外,各碳库间存在着极显著的正相关(p<0.001)。轻组碳分别在低海拔(常绿阔叶林和针叶林)和高海拔(亚高山矮林和高山草甸)与各碳库显著相关。

中亚热带人工针叶林CO2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003—2005年连续3a涡度相关C02通量观测数据为基础，采用“单塔日变化法（Daily-differencing approach）”分析了CO2通量观测数据的随机误差，研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分（Reco，NEE，GEE）的影响，并利用不确定性分析方法——自助法（Bootstrapping）统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性．结果表明：（1）CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布（Laplace分布），而不是高斯正态分布；（2）不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异，最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法；（3）最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的如。，NEE,GEE结果分别相差12．18％（176．47g C．m^-2．a^-1），34．33％（79．175g C．m^-2．a^-1），5．4％（91．955g C．m^-2．a^-1）；而TW_model与T_model模拟Reco，NEE，GEE结果分别相差1．31％（17．825g C．m^-2．a^-1），2．1％（5．745g C．m^-2．a^-1），0．26％（4．28g C．m^-2．a^-1）．这说明参数优化方法的选择对C02通量的影响高于模型的选择，因此选择适当的误差分布假设（参数优化方法）对CO2通量的确定和评价很重要；（4）最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法．且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化，时间尺度越大，CO2通量的相对不确定性越小．Reco，NEE，GEE年尺度上的相对不确定性分别为4％～8％．7％～22％．2％～4％．

中国土壤呼吸温度敏感性空间格局的反演

土壤呼吸的温度敏感性（Q10）是模拟全球变暖与生态系统碳释放之间反馈强度的重要参数．虽然实验研究表明Q10值具有明显的空间异质性，但由于其空间分布格局的定量数据的缺乏，目前绝大多数生物地球化学模型将其简化成一个常数，并以此来预测未来的气候变化，这在一定程度上增大了模型预测的不确定性．本研究基于土壤有机碳的实测数据，并结合碳循环过程模型（CASA模型），利用反演分析方法估算了8km空间分辨率下中国土壤呼吸温度敏感性的空间分布．结果表明，Q10值具有明显的空间异质性，且与实验方法估算的Q10值具有一致性；不同土壤类型的Q10值在1．09～2．38之间变化，其中火山灰土的Q10值最大，冷棕钙土的值最小；Q10值的空间分布与降水及土壤有机碳含量的关系密切．研究表明，该方法能有效反演Q10值的空间分布，从而有助于揭示碳循环规律并降低未来大气CO2浓度及气候变化预测的不确定性．

陆地碳循环的动态非平衡假说

生态系统维持物质与能量的动态平衡是地球系统孕育与维持生物多样性的重要基础。自工业革命以来,人类活动导致陆地生态系统的碳循环转变为动态非平衡,进而使陆地生态系统的结构与功能出现许多难以预测的变化动态。本文阐释了陆地生态系统碳循环的动态非平衡假说。该假说构建于陆地碳循环内部过程的四点基本特征和五类外部驱动因素。基于这些内部特征与外部因素,本文归纳了陆地生态系统碳循环动态非平衡在不同时间与空间尺度的表达现象,并从观测、实验与模型的角度讨论了其检测方法。陆地生态系统碳循环的动态非平衡假说不仅有助于我们理解复杂的陆地碳循环现象,也为预测未来陆地碳汇动态提供了新的理论框架。