气候变化与紫外线B辐射对北极苔原和极地荒漠生态系统的影响重要发现和扩展总结

引言 北极已成为对当前气候波动和预计的全球变暖增强的影响进行评估的重要地区.原因有以下几个方面:①在过去几十年中北极经历了大幅度的变暖过程(温度平均升高3℃,而在许多地区温度升高了4～5℃);②气候预测表明气候呈现持续变暖趋势,在2080年之前年平均气温升高4～5℃;③近期的气候变暖正在影响北极的环境和经济,这些影响还会加大,并对生活方式、文化及生态系统造成影响;④北极的变化可能会影响到地球上的其它地区.     

北极4个亚区的影响分析

在评价北极陆地生态系统影响时,人们常常强调物种和生态系统对环境变化响应的地理变化,这种变化往往与气候、生物多样性、植被带、生态系统结构和功能的南-北梯度相关联,可是,环境、生态系统的功能和结构上,以及环境史和当前气候变化的明显东-西变化显然也很重要.尽管一些地方变得温暖,但另一些地方却降温了,海洋、群岛和山脉等地理屏障的东西差异过去也对物种和植被带响应气候变化而改变分布区的能力产生了很大影响,同时,这些地理屏障为种群遗传分化和生物多样性热点区的形成提供了必要的隔离条件,这些屏障在未来气候变暖时,也将影响物种重新分布的能力.为了说明这种东西向的变化,同时也避免过分笼统或过于专业化,基于大尺度的天气和气候形成因素,北极气候影响评价项目确定了4个主要亚区.通过模拟与4个北极气候影响评价亚区有关的主要信息,导致物种分布区发生改变的地理屏障,特别是大陆的分布和海洋产生的隔离,明显会影响植被带的向北移动.对植被区向北移动的地理限制或者促进将影响将来碳的贮存和释放,以及生物圈与大气之间水和能量的交换.此外,气候变化使受威胁物种数量在各个亚区之间差别很大(白令海地区别尤其是热点),各个植被亚区重新分布的能力差异将影响每个区的生物多样性.总而言之,亚区分析表明,在整个北极地区水平上概括生态系统结构和功能的反应、物种的丧失,以及生物圈对气候系统的反馈的趋势是困难的,说明需要对北极陆地生态系统对于气候变化响应的空间变化性有深刻的认识.     

近期和长远时段内北极生态系统功能受到的影响

长期以来,就营养物质和碳循环而言,北极生态系统降低了初级生产力；能量,水和温室气体交换的水平已引起了局部和区域性的小幅度降温.大气CO2中的碳沉积在广袤而寒冷的有机土壤中,冰雪覆盖的低矮植被产生高的反射率,都影响了局部气候.然而,北极生态系统功能的许多方面都对气候变化及其产生的生物多样性影响敏感.当前的北极气候导致了低的有机物质分解速率,因此,尽管有机物和元素输入量较低,但北极生态系统还是趋向于积累有机物和元素,土壤中氮和磷等可利用元素结果成为促进碳固定以及生物量和有机物进一步积累的关键性限制因素.气候变暖可能增加特别是土壤中的碳和元素的周转,起初可能导致元素的丢失,但最后会慢慢的恢复.在北极生态系统中,单个物种和物种多样性已经明显地影响了元素的输入和滞留,另一方面,从长远来看,尽管CO2和紫外线增加对植物组织化学、分解和氮固定的影响可能变得重要,但对整个生态系统来说,影响可能很小.碳循环的示踪气体主要形式是CO2和CH4,大多数碳以CO2的形式损失,这些CO2是由植物和土壤生物产生.来自潮湿苔原生态系统以CH4形式释放的碳大约是CO2形式的5％,而且在没有任何其他变化的情况下,对变暖作出响应.冬天过程和植物类型也影响CH4释放和能量在生物圈和大气之间的交换,因为反射率从冬末到夏天存在很大的变化,在冬末,雪反射了入射的大部分光线,在夏天,生态系统吸收了入射的大部分光线,所以在所有的陆地生态系统中,北极生态系统在能量交换方面表现出巨大的季节性变化.植被深刻地影响北极生态系统水和能量交换.在冰雪覆盖期间,反射率从苔原、森林苔原、落叶林、常绿林依次降低.灌木和树增加了雪的深度,反过来又使冬天的土壤温度增加,因此,由气候变化而引起的未来植被方面的变化很可能深远地改变区域的气候.     

基本原理,概念及评估办法

引言 人们普遍认为,全球气候变暖在北极将进一步放大,由于平流层臭氧修复的可能延误,紫外线B(UV-B)辐射可能继续增加,北极环境及其居民可能特别易受这类环境变化的影响.上述共识促进了对气候变化影响的国际评估工作.北极气候影响评估(ACIA)是一项为时4年的研究,结果出版了一篇重要的科研报告[1]并产生了其他的成果.在本文以及本期Ambio专刊下面的文章中,我们提供了报告中针对北极陆地生态系统(从树线群落交错带到极地荒漠)的部分研究成果.     

ENN精粹

正北极地区植被的增加或将抵消全球变暖ENN环境新闻网新闻2016年5月19日气候变化给贫瘠的北极生态系统创造了更多的灌木植被。瑞典隆德大学的一项研究表明:微生物,比如细菌和真菌,会触发分解死去的灌木的营养部分,但同时,这种分解的总量却在逐渐的减少,这将有可能对全球气候变暖起到抑制的效果。地球上大量的碳和氮都存储在北极的永久冻土中,气候变化使得这些土壤温度逐年上升。瑞典隆德大学的     

近岸和河口低氧成因及其影响的研究进展

近岸和河口区的富营养化加剧、赤潮频发和全球变暖是导致低氧加剧的主要原因。频繁发生的低氧事件和不断扩大的低氧范围对海洋生物个体甚至整个生态系统造成了严重的损害。文章结合近几年的研究报道,综述了近岸和河口低氧的形成原因,以及生物在分子水平、生化水平、个体水平以及生态系统水平上对低氧环境的响应。     

生态系统呼吸温度敏感性的分布及影响因素

生态系统呼吸的温度敏感性(Q10)是表征气候变暖-陆地碳循环反馈作用的一个关键参数,然而其全球分布格局及其对关键环境因子变化的响应仍存在很大的不确定性.该研究基于全球199个站点的碳通量和气象数据,形成了一套全球生态系统呼吸温度敏感性的数据集.分析结果表明:全球生态系统呼吸Q10的平均值为(2.69±1.26),不同生态系统间存在显著差异,其中湿地的Q10值最高(3.37±1.62),灌丛最低(2.49±1.60).除多树热带草原外,各生态系统的Q10值均随纬度的增加而增大,随年均气温、年降水量及饱和水气压差的增大而减小,这种差异与环境因子对Q10产生影响的阈值范围有关.研究结果突出了生态系统呼吸Q10的空间变异及对环境因子的响应在生态系统碳循环研究中的重要性,并建议在陆地碳收支研究中除了考虑Q10的总体变化还应兼顾不同生态系统类型间的差异.     

气候变暖对森林生态系统潜在影响分析

人类活动所引起的温室效应及由此造成的全球气候变暖和对全球生态环境的影响正越来越引起人们的关注。文中系统地论述了未来气候变化对森林生态系统树种组成、林分结构、分布和生产力的潜在响应,以及森林变化对气候的影响。     

北极陆地生态系统、气候及紫外线辐射的历史演变

在末次盛冰期,地球上很多大陆都被大量的冰层所覆盖,一些浅海域的海床露出水面将先前分离的大陆连接起来.尽管存在一些适宜于动植物生长而未被冰层覆盖的地区,但其年平均气温仍比更新世时期低10～13℃.在盏冰期的几千年时间内冰川开始消融,其显著特征是气候在大约18000～11400年以前出现了一系列的波动.气候在更新世度过一个温暖期后,开始了一个缓慢的全面变冷的过程,这导致了一系列为期几百年至几千年的气候波动,例如发生在大约13世纪晚期至19世纪早期的"小冰期".在最近150000年的气候变化过程中,北极的各种生态系统和生物组成在近10000年接近其最低分布范围.大冰期结束时的全球大范围急剧升温导致了许多物种的消失,这使北极地区的生物多样性大大降低.因此,北极生态系统以及大型脊椎动物等北极生物的生存正在受到威胁,尤其是目前以及将来的全球变暖都会进一步给它们带来重大灾难.已有的证据表明,就像更新世早期的情形那样,北极地区的树线很有可能会进一步向北发展,并迅速进入到苔原地区,从而减小苔原带,这就会进一步增加北极地区物种灭绝的可能性.一些物种将很有可能向北扩大它们的领地,并取代该地区原有的物种.在更新世早期,由于北极地区的海平面相对较低,当树线入侵到现在的海岸地区时,苔原带至少能够在北极圈的一部分低地区域生存,而从目前来看,未来的海平面极有可能上升,这将会对北极苔原带和其它无树生态系统的分布施加进一步的限制.很显然,全球现在的气候状况对北极生态系统带来的负面影响超出更新世的任何时期,很有可能是巨大的,尤其是当各种环境变化(例如紫外线B的增加,大气中氮化合物的沉积,重金属和酸污染,放射性污染物,生物栖息地破碎化)共同作用于北极生态系统时的影响也是前所未有之际.     

不确定性及建议

在北极气候影响评估(ACIA)中,一项气候及紫外线B辐射变化对北极陆地生态系统影响的评估着重强调了预期中的变暖的深远意义,尤其是变暖在未来生态系统功能、生物多样性,以及对气候的反馈方面的深远意义.然而,尽管在有些地理区域和有些学科,我们目前对气候和紫外线B辐射驱动下生态过程及生态变化的了解已算充分,但在其他区域及学科,这种了解是微弱的.即使随着北极地区研究成果的积累和新技术的引用,近来我们的预测能力已空前提高,我们目前的了解程度也还受到各种各样的不确定性的限制.这项评估是在每一种都含有不确定性的一系列方式方法,以及常常远非完整的数据集的基础上完成的.不确定性从各种方法和概念框架而来,从不可预测的意外事件、从对模型的缺乏验证、从未来温室气体排放及气候变化的一些特别情景的应用而不是预测而来.此项评估中,以减少不确定性为目的的建议比比皆是,而且涉及所有学科.然而,一再出现的主题是在北极这样人烟稀少的偏远地区,环境变化及其影响的实验、观察及监测活动达到足够的空间广度和时间长度是极其重要的.     

Stationary Spiraling Eddies and Self-Cleaning Processes in the White Sea in Presence of Climate Change and Their Relationship with Ecology of the Greenland Seal: Results of Airborne-Satellite-In Situ Study

Pollution of the marginal Arctic seas and rising of toxic contaminants are extremely dangerous for marine and coastal ecosystems and for marine mammals as representatives of a high level of fodder chains in the ocean. Ecology of ice-associated forms of marine mammals, population health and animal welfare are strongly depended from the different environmental processes and phenomena. Operational assessment of the level of this impact is very important for marine biology, marine fisheries and other. Many new problems create a global warming. In order to investigate ice covered Arctic Ocean and charting the number of seals were performed annual inspections onboard research aircraft PINRO Arktika. Multi-spectral airborne and satellite observations were fulfilled regularly from Barents and White Sea to the Bering and Okhotsk Sea. A contemporary status of different group of sea mammals was evaluated, where number and health of adults and pups were checked separately. In situ observations were provided with using helicopter and icebreaker for gathering a water samples, ice cores and specimens of meat and fatty matter (with following biochemical and toxicological analysis in laboratory). A prevailing part of life cycle of Greenland seals (Pagophillus groenladicus) is strongly depended from winter hydrology (water masses arrangement and water exchange, stable currents, meandering fronts, stationary spiraling eddies) and closely connected with type of ice (pack, fast ice) and other parameters of ice (age, origin, salinity, ice edge). First-year ice floes which has a specific properties and distinctive features are used by harp seals for pupping, lactation, molting, pairing and resting. Ringed seals, inversely, use for corresponding purposes only fast-ice. Different aspects of ecology, and migration features of harp seals were analyzed in frame of verification study. It was revealed a scale of influence of winter severity and wind regime (even a cases of ecological catastrophe of harp seal were fixed), but stationary eddies in the White Sea is most effective governing factor (novelty). The results of study of the following relationship of the problem eddies – self-cleaning processes – climate change – ecology of Greenland seal White Sea population will be presented: A) regularities of eddies formation and their spatial arrangement, temporal (seasonal and annual) modification; B) stationary eddy as zone of concentration of polluted waters and toxically hazard, self-cleaning processes and climate change; C) eddies displacement and parameters modification (type of eddy, intensity and sign of rotation) as result of climate change; D) relationship between eddies location and whelping rookeries arrangement, climate change and variety of the type of migration E) spiraling eddies and pollution dynamics, forecast of future modification of marine animal welfare. A further develop a strategy of multi-level ecomonitoring of the polluted Arctic should be discussed and recommendations for conservation and management of ice-associated forms of seals in presence of global warming will be done.     

多参数指示南极普里兹湾浮游植物的时空变化

以南极普里兹湾沉积物为研究对象,运用气相色谱技术,研究了生物标志物菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮对应指示的硅藻、甲藻、颗石藻等浮游植物的生产量和种群结构的历史变化,结合2001—2011年实测和遥感水体ρ(Chla)(Chla为叶绿素a)及SST(海水表层温度)数据,探讨了该湾浮游植物生产量时空变化特征及其影响因素. 结果表明:过去100多年间南极普里兹湾浮游植物总生产量(212.04~759.10 ng/g)〔以w(菜子甾醇)+w(甲藻甾醇)+w(长链烯酮)计〕和w(硅藻)所占比例(62.28%~87.13%)〔以w(菜子甾醇)所占比例计〕均呈上升趋势,而w(甲藻)所占比例(10.09%~27.98%)〔以w(甲藻甾醇)所占比例计〕和w(颗石藻)所占比例(1.97%~9.74%)〔以w(长链烯酮)所占比例计〕则呈下降趋势. 全球变暖背景下浮游植物种群变动通过改变南大洋对CO₂的吸收进而影响全球碳循环. 水体ρ(Chla)与沉积生物标志物指示的浮游植物总生产量均具有湾内高、湾外低的空间分布特征. 湾内ρ(Chla)与SST的年际变化趋势相似,二者以2002—2003年和2009—2010年相对较高,SST分别为-0.30和0.01 ℃,ρ(Chla)分别为1.69和2.31 mg/m3;以2001—2002年和2010—2011年相对较低,SST分别为-1.19和-0.95 ℃,ρ(Chla)分别为1.08和0.79 mg/m3,表明该湾SST变化可较明显地影响浮游植物的生长.      

中国第四次北极科考航线上黑碳和臭氧的变化特征

利用2010年7月1日至9月20日中国第四次北极科学考察的大气成分在线观测资料,对考察航线上黑碳气溶胶(BC)、臭氧(O3)和B波段紫外辐射(UVB)的分布特征进行了分析.结果显示,这些要素总体上随纬度的增加而递减,其最大值出现在我国东部海域,最低值出现在北冰洋.进入白令海后,BC浓度变化相对平稳,白令海和北冰洋的BC平均浓度分别为15.6ng·m-3和10.5ng·m-3.白令海的平均O3体积分数比北冰洋高,分别为18.9×10-9和15.7×10-9.但在75°N以北海区O3体积分数有所升高,在80°N以北达到17.0×10-9,这一现象可能与海冰密集度和冰上光化学过程有关.UVB辐照度在中低纬地区有显著的日变化,由于在北冰洋航行期间处于极昼期,其变化幅度较小.UVB受天气影响明显,尤其是遇上气旋的阴雨天气,UVB强度较弱.     

全球气候变化下的海洋颗石藻生理生态学响应研究进展

海洋颗石藻是一类重要的浮游植物功能群,可同时进行光合作用和钙化作用,在全球海洋碳循环中起到重要作用。海洋是人类排放CO₂一个重要的汇,大气CO₂浓度迅速上升导致海洋酸化、升温、营养盐浓度及混合层内光照强度变化。这些复杂的环境变化与人类活动对海洋环境的其他扰动相叠加,同时作用于海洋浮游植物,对海洋颗石藻的生长施加多重压力,进而对海洋碳循环产生复杂的反馈效应。本文主要综述单一环境因子（CO₂浓度、温度、营养盐及光照水平）以及全球气候变化下多重环境因子的复合作用对海洋颗石藻的生理生态学效应及其对海洋生物地球化学循环的潜在影响,并结合近年来的研究进展,分析这一热门研究领域未来的发展方向。     

海冰数值预报在海洋开发中的应用

９０年代以来，海冰数值预报的产品被应用到多种领域，如海上石油开发，海上交通运输，海洋工程及海洋环境保护等，并创造了良好的社会和经济效益。本文叙述了海冰数值预报在海洋开发中的应用，特别侧重于局部海区的冰模式，为海洋工程服务以及结冰海区溢油行为和归宿的模拟研究。     

新安江水库水环境主要问题及保护对策

新安江水库是钱塘江的重要水源,对保障钱塘江中下游的生态安全和水体功能起着举足轻重的作用。为阐明新安江水库在流域经济发展和人类活动的影响下水环境的主要问题及保护对策,促进饮用水安全保障及构建健康水域生态系统,本文对新安江水库历年的水环境指标、浮游生物群落结构及其变化及水域生态灾变事件资料进行了综合分析。目前新安江水库存在上游来水变差、局部水域藻类异常增殖、渔业生产不合理、营养程度加重等众多问题,但其突出问题是藻类生物量增长过快。新安江水库水环境保护工作要从关注水质向维持生态系统健康转变,并尽快开展生态保育工作,控制流域污染、降低藻类数量、减少藻类异常增殖影响、科学合理渔业生产是其下一步保护的关键。而关于新安江水库的研究,虽然有一定的研究基础和资料,但对水域生态系统缺乏系统认识。研究气候变化条件下新安江水库水域生态系统的结构和功能以及长期演变规律;水利调度导致水位调整对区域水动力学条件、营养物输送过程的影响及评价水利调度对水库重要环境因子和生态系统影响;渔业养殖对水环境的影响,特别是鲢、鳙鱼大水面积养殖对水库生态系统的影响应是今后新安江水库主要的研究领域和方向。     

于桥水库藻类群落演替过程及影响因素

解析湖库藻类群落演替过程及影响因素对于湖库富营养化控制具有重要作用,而当前我国大部分湖库缺乏历史藻类群落监测数据.为研究典型水库藻类群落演替过程及主要驱动因素,在于桥水库采集沉积物柱芯,采用137Cs定年和藻类色素反演的方法,重建了于桥水库藻类群落近80年历史演替过程,揭示了气候变化和人类活动对藻类群落演替的影响规律.结果表明:①于桥水库历史主要藻类为绿藻、蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻和裸藻,藻类群落演替经历了3个阶段,第Ⅰ阶段为1938—1958年,藻类生物量较低;第Ⅱ阶段为1958—1983年,藻类生物量逐渐升高;第Ⅲ阶段为1983—2019年,藻类生物量显著增长,主要以蓝藻和绿藻为优势种.②1959年建库后水动力条件改变导致藻类群落显著变化,藻类生物量和多样性增加;20世纪80年代开始流域营养物负荷提高导致藻类生物量显著升高.③1951年以来气象资料时段的相关分析显示,TP含量、气温与藻类色素含量具有显著相关性（P < 0.05）,表明TP负荷增加和气候变暖对藻类群落演替和生物量增加起到显著促进作用.      

Carbon sequestration capacity and productivity responses of Mediterranean olive groves under future climates and management options

The need to reduce the expected impact of climate change, finding sustainable ways to maintain or increase the carbon (C) sequestration capacity and productivity of agricultural systems, is one of the most important challenges of the twenty-first century. Olive (Olea europaea L.) groves can play a fundamental role due to their potential to sequester C in soil and woody compartments, associated with widespread cultivation in the Mediterranean basin. The implementation of field experiments to assess olive grove responses under different conditions, complemented by simulation models, can be a powerful approach to explore future land-atmosphere C feedbacks. The DayCent biogeochemical model was calibrated and validated against observed net ecosystem exchange, net primary productivity, aboveground biomass, leaf area index, and yield in two Italian olive groves. In addition, potential changes in C-sequestration capacity and productivity were assessed under two types of management (extensive and intensive), 35 climate change scenarios (ΔT-temperature from +?0 °C to +?3 °C; ΔP-precipitation from 0.0 to ??20%), and six areas across the Mediterranean basin (Brindisi, Coimbra, Crete, Cordoba, Florence, and Montpellier). The results indicated that (i) the DayCent model, properly calibrated, can be used to quantify olive grove daily net ecosystem exchange and net primary production dynamics; (ii) a decrease in net ecosystem exchange and net primary production is predicted under both types of management by approaching the most extreme climate conditions (ΔT?=?+?3 °C; ΔP?=???20%), especially in dry and warm areas; (iii) irrigation can compensate for net ecosystem exchange and net primary production losses in almost all areas, while ecophysiological air temperature thresholds determine the magnitude and sign of C-uptake; (iv) future warming is expected to modify the seasonal net ecosystem exchange and net primary production pattern, with higher photosynthetic activity in winter and a prolonged period of photosynthesis inhibition during summer compared to the baseline; (v) a substantial decrease in mitigation capacity and productivity of extensively managed olive groves is expected to accelerate between +?1.5 and +?2 °C warming compared to the current period, across all Mediterranean areas; (vi) adaptation measures aimed at increasing soil water content or evapotranspiration reduction should be considered the mostly suitable for limiting the decrease of both production and mitigation capacity in the next decades.

     

东太平洋红藻诊断色素浓度的卫星遥感研究

红藻是东太平洋优势藻种之一,获取其生物量信息有助于认识浮游植物在海洋生物化学循环及物质能量交换过程中的作用。红藻中蕴含的诊断色素是准确获取其生物量信息的关键,因此,开展红藻诊断色素的反演研究具有重要科学价值。本文基于6个东太平洋航次数据集,利用三种红藻诊断色素（叶绿素c1+c2、叶绿素c3、19’-乙酰基氧化岩藻黄素）与总叶绿素a之间的“共变效应”,构建红藻诊断色素反演模型。模型验证结果表明,决定系数R2为0.68～0.88（p<0.001）,平均绝对百分比误差为39%～46%,中值误差均小于30%。卫星反演结果表明,东太平洋红藻诊断色素浓度呈现近岸高、大洋低的分布特点,且有明显的季节变化特征。本文构建的红藻诊断色素反演模型可为表征红藻分布及监测藻华灾害等研究提供数据基础与方法支撑。     

Soil warming effect on net ecosystem exchange of carbon dioxide during the transition from winter carbon source to spring carbon sink in a temperate urban lawn

The significant warming in urban environment caused by the combined effects of global warming and heat island has stimulated widely development of urban vegetations. However, it is less known of the climate feedback of urban lawn in warmed environment. Soil warming effect on net ecosystem exchange (NEE) of carbon dioxide during the transition period from winter to spring was investigated in a temperate urban lawn in Beijing, China. The NEE (negative for uptake) under soil warming treatment (temperature was about 5℃ higher than the ambient treatment as a control) was -0.71 μmol/(m².sec), the ecosytem was a CO₂ sink under soil warming treatment, the lawn ecosystem under the control was a CO₂ source (0.13 μmol/(m².sec)), indicating that the lawn ecosystem would provide a negative feedback to global warming. There was no significant effect of soil warming on nocturnal NEE (i.e., ecosystem respiration), although the soil temperature sensitivity (Q₁₀) of ecosystem respiration under soil warming treatment was 3.86, much lower than that in the control (7.03). The CO₂ uptake was significantly increased by soil warming treatment that was attributed to about 100% increase of α (apparent quantum yield) and A_max (maximum rate of photosynthesis). Our results indicated that the response of photosynthesis in urban lawn is much more sensitive to global warming than respiration in the transition period.