生态系统水分利用效率研究进展

水分利用效率(WUE)是反映生态系统水碳循环相互关系的重要指标,开展生态系统水平WUE的时空变异性的研究有助于预测气候变化对生态系统水碳过程的影响。目前不同研究常常基于不同的算法估算生态系统WUE,一方面不同算法因包含了不同复杂程度的水过程而有着不同的内涵,另一方面各种算法又因包含了相同的核心过程而有着密切的联系。长期以来人们通过传统的生物量动态调查和生态系统水文过程的测定来估算生态系统的WUE,但该方法大大限制了在短时间尺度上对生态系统WUE进行分析,近年来发展起来的以涡度相关为代表的新技术的应用使得研究生态系统WUE在多个时空尺度上的变异特征取得了突破性的进展。生态系统WUE的主要影响因子与叶片尺度相似,主要有空气饱和水气压差(VPD)、土壤水分、大气CO2浓度、Ci/Ca等,另外,生态系统水分平衡特征也有着重要影响。比较分析表明,森林与草地生态系统WUE的日变化和季节变化存在显著的差异,同时森林和农田生态系统的WUE整体高于草地、荒漠和冻原。当前生态系统WUE的研究尚处于初始阶段,许多工作仍需深入开展,其中,多时间尺度以及生态系统间WUE的时空变异特征及机理的对比研究可能是未来工作的热点。

干旱对陆地生态系统水碳过程的影响研究进展

在全球气候变化与生态系统研究领域中,干旱对生态系统水碳过程的影响越来越受到重视。在植物个体水平上,干旱会引起植物叶片气孔导度降低,溶质含量增加,叶片变厚、地下生物量比例增加等以减少水分损失。与此同时,植物叶片的光合速率也因气孔导度的降低而下降。适度的干旱通常会使植物利用效率得到提高。不同植物具有不同的水分利用策略,它们的生理和形态特征对干旱的响应表现出显著的差异性;在群落或生态系统水平上,干旱会影响群落冠层的生理特性以及群落的结构组成,从而引起生态系统的水碳循环过程的改变。主要体现为植被的光合速率、呼吸速率、蒸腾速率降低,而生态系统的水分利用效率在极端干旱条件下也可能降低。受干旱影响,植物群落耐旱植物所占比例增加,群落的物种多样性和生产力也会降低。尽管目前有关干旱对生态系统水碳过程影响在各个层面都已涉及,但这些研究内容多是彼此孤立的,为了深入认识生态系统对干旱的响应机理,还需要结合多种技术手段,综合考虑生态系统水循环、碳循环、氮循环等多过程间的耦合关系,并建立生态系统不同层次间和时间尺度间机理联系的理论体系。

2000-2020年中国陆地生态系统年总初级生产力数据集

陆地生态系统年总初级生产力(AGPP)是粮食生产和陆地生态系统固碳的基础。分析AGPP的时空变化可以为保障区域粮食安全和减缓气候变化趋势提供理论依据,但需以准确评估区域AGPP为基础。基于ChinaFLUX的长期联网观测数据和公开的数据集,本研究构建了中国陆地生态系统AGPP数据集,并结合生物、气候和土壤因素,利用随机森林回归树通过模拟单位叶面积的AGPP构建了中国AGPP评估模型,生成了2000–2020年中国陆地生态系统AGPP数据,空间分辨率为30arcsecond,数据格式为tiff。本数据可以为模型模拟提供验证数据,也可以为区域生产力、生态质量、陆地碳汇评估及管理提供数据支撑。

《中国区域陆地生态系统碳氮水通量及其辅助参数观测专题》卷首语

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生物圈生物地球化学循环的核心过程,它不仅决定着陆地生态系统的物质生产、水源涵养、养分固持等生态系统功能,还影响着全球的气候系统、自然资源及生态环境变化。2001年,在中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”项目的资助下,以中国生态系统研究网络(CERN)为依托,创建了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX),成为一个特色鲜明的专项科学观测研究网络,持续组织开展了全国尺度的生态系统碳–氮–水耦合循环及其对全球变化的响应和适应机制的联网观测研究。

《中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)专题》卷首语

中国陆地生态系统通量观测研究网络(简称中国通量观测研究网络,ChinaFLUX)是以中国生态系统研究网络(CERN)为依托,构建的国家层面的碳、氮、水和能量通量协同观测研究网络。自2002年成立以来,ChinaFLUX长期致力于连续的通量观测与控制实验研究有机结合,持续开展多种温室气体的交换通量–环境要素–生态过程的综合观测,以及生态系统碳–氮–水通量与循环过程的协同观测,获取了我国原创的典型陆地生态系统的碳、氮、水循环关键过程参数以及气象要素的一手观测数据,极大地丰富了我国生态学、环境科学、地理学相关领域的科学数据资源。

中国区域生态恢复和环境治理的生态系统原理及若干学术问题

当代生态学是解决全球可持续发展面临的重大资源、环境和生态问题的分析手段和哲学理念。生态学在其长期发展过程中,不断汲取、融合相关学科营养,形成了与气候系统、生物系统和社会经济系统紧密联系的当代生态学及生态系统科学体系,提出的诸多生态系统原理可直接服务于区域生态恢复和环境治理等社会实践。新阶段的国家需求赋予了生态学新使命,亟需总结凝练宏观生态系统原理,应用于区域生态恢复和环境治理,促进社会经济高质量发展。本文以全球可持续发展面临的多重严峻挑战为背景,系统阐述了生态系统科学的逻辑思维和科学使命,梳理了生态恢复和环境治理的生态系统科学原理体系,讨论了中国区域生态恢复和环境治理的若干学术问题。最后强调指出,中国区域拥有多个具有全球意义的区域性宏生态系统,开展宏生态系统理论和实践研究,不仅是我国生态文明建设的迫切需要,更是生态系统科学研究的前沿阵地,有望为生态学理论发展及全球生态环境治理做出新贡献。

中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science环境建设探讨

以中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)为基础平台,开展生态系统碳循环集成研究不仅是全球变化科学研究的重要内容,也是我国应对气候变化的重大科技任务。生态系统碳循环集成研究需要多台站联网观测、多源数据同化、多模型综合分析、以及跨区域、跨学科合作的协同工作环境,急迫需要开展e-Science应用和示范研究。本文论述了国内外生态系统碳循环集成研究的e-Science环境建设现状及其发展趋势,提出了建立服务于中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science环境建设的目标和思路,阐述了以ChinaFLUX现有的8个野外观测台站为基础,通过一个由"三个工作环境"(数据集成环境,模型模拟环境,可视化协同工作环境)和"四个层次的应用系统"(典型生态系统、典型区域、中国区域、东亚区域)构成的中国陆地生态系统碳循环科学研究的e-Science应用示范体系的建设任务,并讨论了开展碳循环集成研究e-Science环境建设在中国生态系统研究网络(CERN)信息化建设,以及我国生态信息科学发展中的重要作用。

大尺度陆地生态系统管理的理论基础及其应用研究的思考

大尺度陆地生态系统管理是解决当前全球资源环境挑战、应对气候变化、治理区域生态环境、实现社会经济可持续发展的重要技术途径,是全球自然资源和生态保护理论及应用研究的热点。本文采用对过去20年间的几个国际大型生态系统管理行动计划跟踪分析方法,从生态系统管理学科发展、理论基础及应用研究的视角,对生态系统管理概念及其应用问题进行了重新思考,具体内容包括以下3个方面:首先,回顾了生态系统管理科学概念及应用实践的发展历程,讨论了概念的内涵及其再定义,归纳了生态系统管理社会实践及其对学科发展的贡献。其次,明确了生态系统管理研究的科技使命及基本任务,梳理了生态系统管理科学的科学体系及其主要研究领域,概括了生态系统管理科学的生态学基础理论及知识体系,明确了生态系统管理行动的关键环节、管理方案的基本要素与管理途径。最后,分析了生态系统管理科学研究及学科发展的新趋势,讨论了生态系统管理科学的重点研究空间尺度和对象系统,提出了全球生态系统管理的前沿科学问题,整合生态学研究思维及宏生态系统途径,以期为中国的生态系统管理科学研究及学科发展提供参考。

大尺度陆地生态系统科学研究的理论基础及其技术体系之探讨

大尺度的陆地生态系统科学研究是在生物多样性保护、应对全球气候变化、区域生态环境治理及全球社会经济可持续发展的科技需求背景下应运而生的生态学及生态系统科学前沿领域,并在我国的生态文明建设社会实践中快速发展。本文在系统论述大尺度陆地生态系统科学研究的科技使命基础上,重点梳理和探讨了区域及大陆尺度的生态系统科学研究理论基础和方法学问题,进而基于宏生态系统生态学理论,新提出了宏观生态系统科学的基础理论、科学概念及其研究方法体系的逻辑框架。本文重点探讨了:1)基于生态系统的系统学特性,发展多维视角的"生态系统科学概念网络体系";2)基于生态系统整体性和涌现性理论,发展"生态系统状态变化分析理论体系";3)基于生态系统属性及状态概念,发展生态系统结构-过程-功能-服务级联关系的"整合研究方法学理论体系"的学科内涵及应用问题,进而论述了发展区域及大陆尺度宏观生态系统科学研究的方法体系,提出构建新一代大陆尺度生态系统观测研究实验网络,完善"联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合"四位一体的科学研究技术体系的必要性。

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括:1)实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2)野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3)近自然状态的野外环境控制实验;以及4)基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。

试论宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题及其方法体系

人类社会对解决区域及全球重大资源环境问题的迫切需求,快速地推进了自然科学与人文科学的多学科交叉融合,推动了宏观生态系统科学(MES)的兴起及科学理论创新,以及大陆和全球尺度的科学研究方法与技术体系发展。本研究以服务大陆及全球尺度的生态系统状态变化及其资源环境效应研究的多学科知识体系及方法论体系的融合发展为应用目标,系统论述了大陆尺度宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题、逻辑关系及前沿性领域,讨论了构建大陆及全球尺度宏观生态系统科学研究方法学体系的理念和内容,并提出了开展大陆尺度的联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合技术系统的设想,期望为中国及全球生态系统观测试验研究网络的理论设计提供参考。

大尺度陆地生态系统状态变化及其资源环境效应的立体化协同联网观测

环境变化和人类活动的双重驱动正在快速地改变地球生态系统状态,呈现出了众多级联的资源环境问题,生态系统的状态变化和时空演变驱动因素以及相应的资源环境效应是大尺度陆地生态系统科学研究的永恒主题。观测和评估生态系统状态变化,发现和理解生态系统响应机制,认知和描述生态系统演变规律,预测和预警生态系统演变趋势,都依赖于大陆及全球尺度的分布式协同观测研究网络。本研究以服务大陆尺度生态系统科学研究、支撑区域生态环境治理为目标,围绕生态系统状态变化及资源环境效应科学问题,综合分析了现有生态环境观测研究网络现状,明确提出了生态系统观测研究站及其网络的发展方向,进而提出了发展"多要素-多界面-多介质-多过程-多尺度-多方法"的联网协同观测体系,构建"高新技术集成化-区域分布网络化-网络管理智能化-观测实验长期化-模型模拟多功能化-数据集成和资源共享远程化"的新一代大陆尺度生态系统观测实验研究网络的设想,并进一步阐述了该研究网络的功能定位、设计理念、设计方案、建设目标和技术体系,以期为我国陆地生态系统观测研究网络的发展提供借鉴与参考。

植物与土壤微生物在调控生态系统养分循环中的作用

陆地生态系统的地上、地下是相互联系的。植物与土壤微生物作为陆地生态系统中的重要组成部分,它们之间的相互作用是生态系统地上、地下结合的重要纽带。该文首先介绍了植物在养分循环中对营养元素的吸收、积累和归还等作用,阐述了土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用。其次,重点综述了植物与土壤微生物之间相互依存、相互竞争的关系。植物通过其凋落物与分泌物为土壤微生物提供营养,土壤微生物作为分解者提供植物可吸收的营养元素,比如共生体菌根真菌即可使植物根与土壤真菌达到互惠。然而,植物的养分吸收与微生物的养分固持同时存在,因而两者之间存在对养分的竞争。通过植物多样性对土壤微生物多样性的影响分析,以及土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力的分析,探讨了植物物种多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系。针对当前植物与土壤微生物对养分循环的调控机制的争论,提出植物凋落物是调节植物与土壤微生物养分循环的良好媒介,植物与土壤微生物的共同作用对维持整个生态系统的稳定性具有重要意义。也指出了目前在陆地生态系统地上、地下研究中存在的不足和亟待解决的问题。

统筹生态系统五库功能,筑牢国家生态基础设施――新时代我国生态建设理念、任务和目标

我国已经进入了全面建设社会主义现代化强国的新时代,是有条件、有能力解决生态环境突出问题的窗口期。如何确立新时代国家生态建设理念、任务和目标是推进生态文明建设、实现生态建设现代化的重大课题。文章在理解习近平生态文明思想、领会党的二十大报告精神基础上,基于生态系统多功能、生态经济和生态产业发展的视角,提出“统筹生态系统五库功能,筑牢国家生态基础设施”的设想,并讨论了生态系统五库功能及国家生态基础设施的科学内涵,提出了我国新时代生态建设目标、重大生态工程布局,以及国家行政管理和财政体制改革的若干建议,期待能够引起相关理论问题的学术讨论,为稳健推进生态文明建设提供科技支撑。

CERN生态站多媒体Web发布

介绍了CERN生态站多媒体Web发布系统的功能、体系结构、开发方法 ,重点介绍了如何将Web开发技术中HTML技术、ASP及其访问Oracle数据库技术、用JavaApplet开发用于Web的多媒体以及包含图形用户界面的技术有机地结合起来 ,从而开发出画面更丰富。

自然生态价值、生态资产管理及价值实现的生态经济学基础研究--科学概念、基础理论及实现途径

自然界的生态系统为人类繁衍发展提供各式各样的生活、生产和生计的环境条件与自然资源。基于自然规律的生态系统管理是人类社会不断认知自然生态价值、保护利用自然环境和资源、创造积累生态资产、维持社会经济系统永续发展的基本途径。以此为核心认知的区域生态经济学或经济生态学,正在成为探讨人类世地球系统演变及社会经济可持续发展问题的科学研究前沿。本文以大尺度区域宏观生态系统科学为学术视角,以生态系统的多功能性与多元价值观为基础,综合论述了自然生态价值、生态资产、生态产品等基本概念;从生态学、社会学和经济学融合角度,分析讨论了生态资产形成与变化、生态产品生产与消费、生态投资与生态资产损益等过程原理;提出了区域生态资产的系统经营与生态价值实现途径,期望为我国及区域生态系统价值及生态资产的评估,生态产业及生态价值实现体系的发展提供理论和方法学参考。

内蒙古典型草原克氏针茅与冰草的生存策略

在内蒙古自治区多伦县中国科学院植物所生态恢复试验站,选择优势种克氏针茅(Stipa krylovii)和冰草(Agropyroncristatum),使用Li-6400便携式光合测定系统测定二者光合生理生态特征的生长季变化,微气象观测系统测定环境因子变化(DOY155-265)。结果表明:(1)光合有效辐射(PAR)与冰草的水分利用率(WUE)显著相关(P<0.01),与克氏针茅的水分利用效率相关度不显著(P<0.05);(2)光合有效辐射与冰草的光合利用率(LUE)显著相关(P<0.05),与克氏针茅的光合利用效率相关度不显著(P<0.05);(3)相对湿度(RH)与冰草和克氏针茅的气孔导度(Gs)均显著相关(P<0.01),与冰草的光能利用率在0.01水平下显著相关;(4)饱和水汽压差(VPD)与冰草的气孔导度显著相关(P<0.05)。(5)冰草与克氏针茅的气孔导度受5cm和20cm深度土壤含水率(SWC)的影响较大,且随着土壤深度的增加这种影响呈下降趋势。表层5cm土层深度的土壤含水量与冰草、克氏针茅的拟合度分别为0.4192和0.3057,20cm土层深度拟合度分别为0.3763和0.2546。(6)植物水分利用率和光合利用率可作为评价植物的环境适应能力优良指标,冰草在土壤含水率很低的情况下,仍然能保持良好的水分利用率,为胁迫忍耐性对策者;而克氏针茅在整个生长季的光能利用率低于冰草,反而在降水充沛、土壤含水量较高的生境下光能利用率高于冰草,为竞争性对策者。

生态学的科学概念及其演变与当代生态学学科体系之商榷

生态学既是生物学的分支学科,也是环境科学、地球系统科学的重要组成部分,其研究成果可直接服务于植物、动物、微生物的生物多样性保护、生物资源利用及生物产业管理等应用领域。生态系统概念将经典生态学或者基础生态学研究扩展到了生态系统生态学或者生态系统科学的新阶段,奠定了大尺度及全球生态环境科学研究的理论基础,促进了生物学、地理学及环境科学研究的大融合,推动了自然科学与人文科学和社会经济学的学科交叉。在这一大融合的历史过程中,生态学在不断地汲取不同学科营养的同时,提出了许多科学概念或理论学说,并在相关科学研究中得到应用和发展,形成了以认知生态系统与资源环境及人类社会的互馈关系为核心的当代生态学及生态系统科学体系。本文从生态学思想起源与发展、生态学概念的科学内涵及其扩展等方面综合讨论了当代生态学的科学概念、基础理论及其学科体系,并尝试性地对当代生态学的科学内涵、学科范畴、学科体系进行梳理、考察和分析,提出了基础生态学及应用生态学研究的分支学科体系分类方案,期望与学界共同商榷,为完善和重构当代生态学学科体系提供参考。

大尺度区域生态环境治理及国家生态安全格局构建的技术途径和战略布局

陆地生态系统是地球生物圈系统的核心组分,是人类生活、生产及社会经济活动的场所。然而,人类文明发展和科学技术进步在不断地扩大对资源的利用规模和强度,也导致了严重威胁社会可持续发展的全球气候变化、生物多样性丧失、环境污染、资源枯竭、生态系统退化等环境问题。社会公众期望生态学研究能够为区域、大陆及全球尺度的生态系统的利用和保护、维持人类社会可持续发展提供科学理论及系统性的解决方案。本研究以服务中国生态文明建设、生态安全格局构建、区域生态环境治理,以及宏观生态系统科学发展为目标,回顾了中国的区域生态环境治理成效及经验;分析了我国生态文明建设对大尺度生态系统科学研究的科技需求与时代特征,提出了利用基于自然的宏生态系统途径的新思路提升区域生态环境治理及安全格局构建的设想。在此基础上,讨论了中国的大尺度区域安全格局构建及生态环境治理的新思路、战略布局、技术途径与科技支撑体系,为中国安全、健康和美丽的国土空间利用及生态文明建设进步提供理论参考。

区域资源环境承载力科学概念及其生态学基础的讨论

资源环境承载力是生态学领域的一个重要概念,其理论和实践研究已成为衡量区域可持续发展的重要依据。但是有关生态学基础与资源环境承载力的科学联系仍未明确,其中有哪些生态学理论对资源环境承载力的发展起到了支撑作用还没被厘清,这使得资源环境承载力的科学概念十分模糊。本文在讨论资源环境、生态系统承载力科学概念及其发展的基础上,系统讨论了生物可占用的空间生态位容积,生态系统可承受环境胁迫压力的生态阈值,气候、水和营养等可持续供给的潜在资源容量(供给能力),以及缓冲和净化污染物质的环境容量等基本概念。进而从地基压强承载能力、空间容量承载力及生态阈值承载力的生物物理学角度,定义了自然资源供给承载力(NRSCC)、自然环境承载力(NECC)、生物种群发展承载力(CCBPD)、社会经济发展承载力(CCSED)和生态系统环境胁迫承载力(CCESE)的科学概念。并深入讨论了生态系统的生物种群增长及生态容量理论、生态系统多功能性及资源环境效应理论、生态系统多稳态及自适应自组织理论等3个核心生态学基础问题。期望能够通过探讨区域资源环境承载力评估的理论和方法,为区域资源环境利用、保护及社会经济可持续发展提供理论依据。