生态系统科学研究与生态系统管理

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统学科以生态系统生态学研究为核心,通过研制生态系统观测和模拟分析的技术和方法,探索解决区域性/大尺度生态学问题的理论和方法,监测生态系统变化,认知生态系统变化规律,推动生态系统生态学、生物地理生态学、全球变化生态学和生态信息科学技术的发展,创新生态系统管理模式,服务于国家和地方的生态建设、应对全球变化及区域可持续发展。面向国家重大需求,在中国华北平原农业区、南方红壤丘陵林业区、青藏高原农牧区以及黄土高原区等典型区域开展生态系统管理技术与模式的集成与创新研究,着力解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题,推动区域生态系统管理领域的科技进步。围绕生态系统生态学学科前沿,着重在①生态系统联网观测、模拟与信息管理,②生态系统结构、过程与功能,③生态系统空间格局与机制,④生态系统对全球变化的响应与适应,⑤生态系统管理与生态系统服务等五大主要研究方向,系统开展生态系统生态学前沿理论和实践的创新研究,研究成果处于国内和国际生态学研究的科学前沿。

国家重点研发项目:中国陆地生态系统生态质量综合监测技术与规范研究（英文）

生态质量是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,具体表现为生态系统的状况、生产能力、结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。生态系统的质量是我国生态文明建设和生态环境监测的重要内容,多时空尺度观测技术的发展为生态系统质量监测与评价提供了新机遇,但同时也对国家尺度生态要素、生物多样性和生态功能的观测标准与技术规范提出了新的要求。本国家重点研发项目自2017年7月立项以来,围绕国家尺度生态质量监测技术与规范,开展了生态系统网络观测技术规范、台站生态要素监测、区域生物多样性和区域生态功能监测技术与规范的研究,在典型农林草湿地生态系统开展应用示范。项目在生态质量综合监测指标体系构建、生态系统研究网络观测技术、区域生物多样性和区域生态功能监测、基于无人机和机器学习的荒漠植被监测等方面取得了重要进展,促进了生态质量监测技术的发展。我们组织本专辑从不同视野集中系统介绍本项目已取得的生态质量监测技术和评价方法,以期促进生态学及其观测技术的发展。

澜沧江——湄公河流域干旱趋势及其对生态系统碳固定的影响

全球变暖导致干旱事件频发,强度不断增大,对陆地生态系统碳收支产生了重大影响。本文评估了2000—2019年澜沧江—湄公河(澜湄)流域的干旱趋势,并通过标准化异常指数(SAI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、潜在蒸散(PET)、饱和水汽压差(VPD)和土壤水分(Soil_w)评价了干旱对该流域净生态系统生产力(NEP)的影响。结果表明:①2000—2019年澜湄流域向暖干化发展,主要受降水减少的影响,近1/4的区域遭受了中度以上干旱,其中2009—2016年间干旱事件频发,干旱热点地区位于澜沧江上游和湄公河中下游地区;②尽管澜湄流域碳汇整体上随着气候变暖而增加,但干旱年份植被光合作用降低,生态系统呼吸增加,导致2005年、2010年和2019年湄公河流域生态系统碳源汇发生转变,其中2010年干旱使得GPP减少5.68%,生态系统呼吸增加3.15%,NEP呈现重度异常;③干旱对流域NEP普遍具有滞后效应,整体滞后时间为1~4个月,面积占比为57.82%;④不同水文气候要素对NEP的影响表现出显著的空间差异,其中澜湄流域NEP与VPD整体呈负相关,云南省、缅甸西部、柬埔寨和越南南部的NEP与SPEI呈正相关,而青藏高原NEP主要受到土壤干旱的影响。干旱对澜湄流域生态系统碳固定的影响存在显著的空间异质性,量化干旱对碳固定的影响可以为气候变暖背景下澜湄流域不同地区的生态管理提供参考。

中国陆地生态系统的碳储量及其空间格局(英文)

地球系统的碳库变化和碳循环过程机制是气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策的科学基础,受到科技界和国际社会的广泛关注。从20世纪80年代中后期开始,中国学者就开展了陆地生态系统碳循环研究工作,并且在许多研究领域都取得了可喜的进展。本文在回顾中国的陆地生态系统碳循环研究发展历程基础上,重点评述陆地生态系统的碳储量及其空间格局方面的研究成果,评价有关研究的不确定性以及亟待解决的重要科学问题。分析表明,中国的陆地生态系统碳循环研究经过了陆地生态系统碳循环的前期研究、区域尺度生态系统碳循环综合研究、生态系统碳循环过程对环境变化适应性实验研究,以及生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理研究4个主要发展阶段。大多的研究表明,中国陆地生态系统碳储量及其空间格局是温度和降水控制的。全国土壤、森林和草地植被储存约为97.95 —118.93 Pg C;自20世纪70年代中期以来,我国的植树造林和林业管理、草地保护、农作制度改革和保护性耕作等措施发挥了重要的固碳功能,但是各种方法评估的结果仍然存在较大不确定性。今后的研究重点工作是建立天地空一体化碳储量和碳汇动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国区域生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。

中国生态系统碳汇功能提升的技术途径:基于自然解决方案

2030年前碳达峰、2060年前碳中和已被确定为中国经济社会发展的重要战略目标。当前,中国陆地生态系统碳汇能力约为每年10亿—13亿吨二氧化碳(CO_(2))。巩固和提升生态碳汇功能,需要与国土空间规划和生态保护等相结合,稳定现有森林、草原、湿地、滨海碳碳汇,进而实施生态保护与修复等重大增汇工程,同时还需要推动生态系统管理及新型生物/生态碳捕集、利用与封存技术(Bio-CCUS/Eco-CCUS)的开发应用。通过统筹陆地-河流-海洋国土空间规划和各种增汇技术,有望实现中国区域生态系统自然和人为碳汇功能倍增目标,即在2050—2060年实现每年20亿—25亿吨CO_(2)的碳汇贡献。当前,亟待系统梳理生态系统碳汇提升关键技术,科学评估其增汇效应、经济可行性和时间可持续性,集成不同区域增汇技术并开展区域示范。

耦合生态服务的区域生态安全格局研究框架

在深入阐明生态系统服务与区域生态安全格局之间内在联系的基础上,根据人类社会与生态系统之间以生态服务流为纽带形成的反馈机制,提出基于驱动（Driver）-压力（Pressure）-状态（State）-影响（Impact）-响应（Response）区域生态安全格局研究框架。该框架有助于深入理解区域生态安全维持和区域生态安全问题形成的机制,拓展区域生态安全评估、生态安全格局维持和提升的视野。当前,耦合生态服务的区域生态安全格局研究有3个关键的前沿议题：（1）生态服务需求和生态服务供给的空间耦合及其对人类活动的响应;（2）维持生态系统服务流网络结构完整性和稳定性的人类活动阈值;（3）耦合人类生态服务供给和需求的区域生态安全评估模型。

2010-2060年中国森林生态系统固碳速率省际不平衡性及调控策略

森林生态系统具有很高的固碳潜力,是陆地碳汇的主体。准确估算各省(自治区)森林生态系统固碳速率,是科学制定碳中和技术路线及相应调控政策的重要依据。然而,目前有关中国不同省份森林生态系统未来固碳潜力的研究非常罕见。利用中国森林生态系统固碳模型(FCS)并结合3种未来气候情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5),定量评估了2010—2060年间各省现存森林生态系统的固碳速率。研究发现:中国区域内各省的森林生态系统固碳速率介于0.01~36.74 Tg C/a,平均值为(10.09±0.43)Tg C/a。省际间森林固碳速率存在非常大的差异,其中东部地区各省的单位面积固碳速率大于西部地区;但考虑到单位GDP固碳速率和人均固碳速率后则表现为西部地区明显更大。此外,各省人均碳固存速率与其人均GDP之间存在显著负相关关系。因此,省际间森林生态系统固碳速率存在明显的区域不均衡性,要真正地持续实现其碳汇潜力需要在技术和政策层面做出重大调整。结合中国贫困区与高生态碳汇区的重叠,不能仅仅依靠传统碳贸易,亟需研究制定符合中国特色的“区域碳补偿”措施,在保障区域协调发展的基础上使西部或不发达地区民众能自愿/自觉加强对森林的保护、保持甚至提升森林碳汇,使森林在实现碳中和战略中发挥更大作用。

中国西北地区水鸟保护优先区与空缺分析

中国西北地区是全球鸟类迁徙的关键区域,在全球9条迁徙路线中,有3条迁徙路线涵盖了该区域,西北地区鸟类保护有助于推动全球范围内的鸟类保护。识别西北地区的水鸟保护优先区,分析保护空缺是有效保护鸟类生物多样性的基础。以2009年之后的水鸟调查数据为基础,采用重要鸟区(Important Bird Areas,IBAs)标准及《湿地公约》中国际重要湿地标准,识别了西北地区水鸟保护优先区,使用“不可替代性指数”对优先区进行排序,并对保护空缺进行分析。结果表明:中国西北地区有48个地点满足水鸟保护优先区条件,4个地点“不可替代性指数”超过100,17个地点未受保护。西北地区水鸟数据较少,监测调查能力不足,应对尚未保护的优先区域开展保护行动,提升西北水鸟调查和监测能力、完善保护地体系,更好地保护西北地区水鸟及其栖息地。

湖北省关键生态系统服务供需状况的时空变化研究

生态系统服务是改善自然生态和维持土地可持续利用的关键。该文基于生态系统服务的供需视角,从时空两个维度量化了城市化过程中生态系统服务的赤字和盈余,据此提出土地优化利用建议。以湖北省为例,选取水源涵养、PM10去除、固碳和休闲娱乐4种生态系统服务,评估了2010~2015年湖北省生态系统服务供需的盈缺情况及演变过程,并测算其平衡阈值。结果表明:(1)除了水源涵养服务供给充足外,PM10去除、固碳和休闲娱乐服务均处于赤字状态;(2)水源涵养服务的供需趋向平衡,而PM10去除、固碳和休闲娱乐服务的供需差异逐步扩大;(3)各类生态系统服务的供需空间异质性较大;(4)生态系统服务供需达到平衡所要求的绿地比阈值普遍上升,建设用地比阈值普遍下降。上述研究对生态系统服务供需的直观量化,为优化土地管理提供了科学依据;建议湖北省应重点关注城市化过程中PM10去除和碳排放控制的问题,适度增加城市绿地,合理控制建设用地扩张。

黄土高原丘陵区水土流失综合治理生态环境效应评价

生态环境的层次性、复杂性和多变性,决定了对其质量进行评价的难度。确立构建一套合理、科学,在解决同一类问题中具有代表性的指标体系和评价方法,是众多学者长久以来关注的关键问题。该文以延安水土保持与生态环境建设试验示范区为实证对象,选取灰色关联度法、综合评价法和驱动力-压力-状态-影响-响应多方案综合决策支持系统(driving force pressure state impact response framework-multiple decision support system,DPSIR-mDSS)对研究区域1999-2009年水土流失综合治理生态恢复环境效应进行了评家,结果表明:DPSIR-mDSS模型在构建水土流失综合治理生态恢复环境效应评价指标体系时将人类社会行为和经济行为与环境系统间复杂的相互关系简化为一对一因果链,评价过程得以分解、简化,且评价结果与研究区域生态恢复环境效应实际变化情况一致,能较好的解释研究区域水土流失综合治理生态恢复环境效应随时间的变化情况,为生态恢复环境效应评价提供了一种新的评价思路和方法。总体而言,退耕还林(草)工程的实施极大的促进了研究区生态环境状况,但一些新的问题诸如耕地压力、生态需水亏缺等接踵而至,应在今后予以重视。

区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性

定量评估区域和不同类型生态系统的碳收支,可以为科学预测气候变化、服务于减缓和适应气候变化的区域碳管理提供科学依据,是生态系统与全球变化科学研究的重要科技问题。虽然区域碳收支的定量评估和认证还很难用当前的各种直接观测和评估方法来精确实现,但是,近年来这方面做了很多研究工作,也取得了一定进展。为此,本文综述了陆地生态系统碳收支的观测技术体系,重点分析区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性。分析结果认为,为了定量认证中国区域的陆地生态系统、主要行业以及与碳汇相关项目的碳汇功能及其时空格局,急需采用"多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度认知和跨尺度模拟"的研究思路,构建基于野外台站的碳循环及其通量的观测和实验研究网络、发展地面站点-陆地样带-生态网络与卫星和航空观测结合的多尺度观测系统,发展观测数据-生态过程模型-卫星遥感模型-GIS空间分析系统。同时,本文指出:生态系统碳-氮-水循环间的耦合机制及其对碳源汇时空格局影响研究必将成为生态系统碳循环及其区域碳收支评估和定量认证科学研究的重要发展方向和新的研究热点。

区域尺度陆地生态系统碳增汇途径及其可行性分析

如何实现区域陆地生态系统碳增汇(carbon sequestration)、如何科学地评估/认证其碳汇效应,目前仍是一个颇具争议的科学问题。本文探讨了区域陆地生态系统碳增汇途径,并对现阶段中国陆地生态系统主要人为管理措施的碳汇效应进行了定性评价。从技术和经济可行性看,许多人为管理措施均具有较明显的碳汇效应;但在确定技术或经济投入规模时,应充分考虑特定人为管理措施下生态系统碳增汇的特征曲线,合理地控制投入,实现人为管理措施碳增汇效应最优化。此外,基于定性评价结果,本文分别针对森林、草地、农田和湿地生态系统提出了行之有效的碳汇管理措施。建议相关科学家围绕这些已较大面积推广的管理措施,深入研究其碳收支过程及其机理,尽快提出科学的、可验证的碳增汇认证方法,为科学地评估中国陆地生态系统碳汇功能提供理论依据。

地下水硝酸盐去除中反硝化微生物的研究进展

地下水硝酸盐污染已经成为一个全球问题,由于饮用高硝酸盐含量的地下水会增加高铁血红蛋白症和癌症风险,地下水硝酸盐污染受到越来越多的关注。反硝化脱氮是地下水硝酸盐脱氮的主要途径之一。本文就参与地下水硝酸盐去除的反硝化微生物种类、反硝化机理、碳源类型以及地下水污染中微生物作用的国内外研究现状进行了较全面系统的评述。在此基础上,提出了该类研究中存在的不足,包括实验室研究较多但野外研究较少,野外原位应用中对特定微生物特性方面研究缺乏,碳源利用率低和硝酸盐去除速度慢,去除过程中有效微生物的代谢途径仍不清楚等问题。针对这些问题,本文认为以后的研究应该进一步开发野外原位应用中反硝化微生物资源,并借助先进的分子方法和功能基因鉴定此类特殊微生物的种类、功能及其生态学行为,选择最佳碳源,完整深入地了解地下水硝酸盐去除中微生物的代谢过程,识别反硝化过程中氮的来源与去向,为寻找提高处理效率的方法提供理论依据,真正将理论和实践结合起来。

基于对数比转换的成分数据空间插值研究

【目的】以新疆玛纳斯河绿洲表层土壤质地数据为例,研究对数比转换方法在成分数据空间插值中的应用。【方法】采用加法、中心化和等角3种不同对数比转换方法,对土壤颗粒含量数据进行转换,针对数据中的零值不能进行对数比转换问题引入了零值替换方法,空间插值采用普通克里格法。【结果】零值替换后土壤颗粒之和仍为100%。基于对数比转换的插值结果满足土壤质地颗粒组成定和100%的要求,而对土壤颗粒单独插值不满足定和100%的要求。插值结果精度评价表明基于等角对数比转换方法的插值结果最优,但3种方法的结果差别甚小。【结论】零值替换方法的引入在不改变成分数据定和的前提下避免了零值不能进行对数比转换。基于对数比转换的普通克里格法满足成分数据空间插值的非负、定和、误差最小和无偏估计4个要求。

太湖地区稻作系统不同水体硝态氮同位素特征及污染源

为辨别稻作系统不同水体硝态氮来源，选择太湖地区典型稻作区域，应用硝态氮δ15N同位素技术，结合水化学方法（如NO3，NH4＋，TP，Cl-，SO4^2-），研究水稻施肥之前（4～5月），施肥期（6月），及施肥之后（7～8月）地表水和地下水硝态氮来源．结果表明，地表水和地下水硝态氮含量普遍较高．在施肥期，各水体硝态氮中δ15N均较低，表明该时期农业化肥是水体硝态氮的主要来源．在施氮前期，池塘水6”N较低．其可能原因是受雨水的影响；而地下水δ15N较高，可能是水体发生了强烈的反硝化在施肥后期，池塘水6”N较高可能受养殖废水影响：地下水δ15N较低，可能受农田渗漏水的影响．河水和灌溉水硝态氮δ15N在各时期波动不大，其中河水硝态氮主要来源是生活污水和动物粪肥，但灌溉水硝态氮主要来源于雨水．本研究提出新的Cl-浓度和NO3／Cll-物质的量比区间以辨别太湖地区水体硝态氮来源．

我国农业氨排放估算方法研究进展

农业大量施用氮肥以及持续扩大的禽畜养殖业是我国氨污染的最大来源。近年来大气环境问题备受关注,氨排放研究的重要性日益凸显,如何客观、科学定量的评估我国区域氨排放的问题尤为重要。通过检索已报道的国内外氨排放估算的研究进展,对我国的氨排放研究进行梳理,比对了氨排放主要估算方法的特点,对其所使用数据类型、获取途径,参数的定量取值方法及不确定性产生等方面进行了分析。针对国内氨排放估算存在计算方法单一,排放因子本地化不足等问题,提出了进一步改善的意见和建议。研究结果以期为我国做好氨排放控制基础研究,开展控制技术试验,制定相关政策文件,加强政府引导和扶持等提供科学依据。

2005~2014年CERN野外台站气象观测场土壤含水量数据集

土壤水分是影响陆地-大气边界层能量和物质传输的重要因子。土壤水分含量是中国生态系统研究网络(CERN)陆地生态系统水环境长期定位观测的重要指标。截至2014年,CERN全国范围内包括农田、森林、草地、荒漠与湿地等生态类型的34个陆地生态系统台站,依据陆地水环境观测规范、质量保证与质量控制规范,设立观测样地,并开展土壤含水量的长期定位观测与数据汇交及质控工作。CERN水分分中心选取了这34个台站2005~2014年气象观测场的土壤含水量长期监测数据,通过进一步统一规范数据格式,形成了全国范围内较长时间序列的公开共享数据集,为土壤含水量时空动态的遥感反演、模型估算验证提供地面实测数据支撑。

渗透指数在黄土丘陵沟壑区径流输沙与覆被格局关系研究中的适用性

植被覆盖格局与水土流失之间的相互作用是流域水文、土壤侵蚀研究的热点议题。定量植被覆盖格局是反映流域植被变化的水土流失效应的途径之一。基于水土流失过程发展而来的指标在这方面有很好的潜力。拓展了小尺度上发展起来的渗透指数(LI),结合黄土高原6个流域2000-2008年的径流、输沙监测数据和植被覆盖度数据,在流域尺度上对其有效性进行检验。结果表明,渗透指与流域输沙之间具有很好的指数关系,使用该指数可定量表达流域植被覆盖格局对流域输沙的影响,但对植被格局对径流的影响表达不足。该指数具有一定的过程意义,可作为评价不同植被配置格局输沙效应、甄选流域水土保持植被格局设计方案的工具。

河流景观生态服务供给与需求/消费的互馈机制

河流景观系统孕育了人类文明,为人类社会提供类型多样的生态系统服务。其本身是一个自然景观过程和社会经济过程高度耦合的社会-生态系统,具有极高的空间异质性、时间动态和鲜明的组织尺度等级结构。当前,对河流景观系统这种特点所决定的生态系统服务供给与需求/消费互馈的机制研究不够深入,普遍缺乏从过程角度刻画生态服务供给与需求/消费互馈关系及其时空异质性和尺度特征。生态服务供给、需求和消费产生于社会-生态系统,是社会-生态耦合的纽带。阐述了河流景观生态服务供给和需求/消费的时空异质性,阐释了它们时空耦合机制和尺度特征,梳理了当前对生态服务供给、需求/消费互馈机理研究的不足。认为未来需要在社会-生态系统的框架下,从景观结构和生态过程出发,融合景观生态过程和社会过程来深入认识河流景观系统的生态服务供给与区内人类对生态服务的需求/消费之间的互馈机制。未来应重点关注:(1)河流景观结构和过程决定的生态服务供给和消费的空间分异及驱动机制;(2)河流生态服务传输的自然和人文载体及其耦合格局;(3)将生态服务需求/消费通过景观结构和生态过程对生态服务供给的反馈融入生态服务评估的方法框架,研发基于生态服务供给和需求/消费的社会-生态互馈过程模型。

近40年三江源区高寒草地气候资源利用率及载畜量

科学评估三江源区草地的气候资源利用率及载畜能力,是有效开展草地资源利用和实施生态保护的基础和前提,对促进草地畜牧业可持续发展和区域生态文明建设具有重要意义。三江源国家公园位于青藏高原高寒生态脆弱区和敏感区,其核心区是重要生物多样性保护区,国家公园以外的传统利用区是当地牧民维持生计的重要支撑区。本研究基于GLOPEM-CEVSA模型,模拟了1981–2018年三江源区草地现实产草量和气候产草量,分析了草地的气候资源利用率及载畜能力。结果表明,近40年三江源区平均现实产草量和气候产草量分别为852.56和1 357.14 kg·hm^(-2),草地的平均气候资源利用率为62.82%,且呈西北部较高东南部较低的分布特点,国家公园3个园区草地气候资源利用率在61.92%~66.42%。除国家公园所在县域及气候资源利用率较高的唐古拉山乡外,东、南部各县仍有约35%的气候潜力,即505.53 kg·hm^(-2)的草料潜力和每公顷0.44标准羊单位(SU·hm^(-2))的载畜潜力。因此,建议在东、南部水热条件较好地区,合理开展退化草地修复工作,提高草地气候资源利用率及草地生产力,承接分担国家公园区域畜牧生产压力,进而在保护国家公园脆弱生态系统和生物多样性基础上,促进整个区域牧民生计、畜牧生产和生态系统稳定的协调可持续发展。