气候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展

由人类活动引起的温室效应以及由此造成的气候变暖对森林牛态系统的影响已引起人们的普遍关注.森林土壤碳循环作为全球碳循环的重要组成部分,是决定未来陆地牛物嘲表现为碳源/碳汇的关键环节,揭示这一作用对于准确理解全球变化背景下陆地生态系统碳循环过程具有重要的指导意义.本文主要通过论述影响土壤碳循环过程的5个方面(土壤呼吸、土壤微生物、土壤酶活性、凋落物输入与分解、土壤碳库),综述了近10 a来全球气候变暖对土壤碳循环过程的影响.近年来,尽管已开展了大量有关土壤碳循环对气候变暖的响应及反馈机制的研究,并取得了一定的成果,但研究结果仍然存在很大的不确定性.整合各种密切关联的全球变化现象,完善研究方法和实验手段,加强根际微生态系统碳循环过程与机理研究将是下一步研究的方向和重点.参70     

气候变暖对马铃薯生长发育及产量影响研究进展与展望

以全球平均地表温度升髙和区域降水波动为特征的全球气候变暖给农业和粮食安全带来严峻挑战。气候变暖对农业的影响已引起了各国政要、相关领域的科学家以及社会各界的广泛关注。农作物生长发育进程、植物形态结构、生理生化过程等对全球气候变暖的响应特征及其机理研究,对认识气候变化对作物的影响及其过程特征机制具有重要意义,是应对全球变化,制定适应对策的重要科学基础。马铃薯是继水稻、小麦和玉米之后的第四大粮菜兼用型作物,文章总结回顾了国内外马铃薯生长发育、植物形态结构及块茎形成、水分利用效率、产量形成、品质变化、主要疫病发生发展等对气候变暖的响应特征及其机理,评述大气增温影响过程中马铃薯的适应性及其临界阈值,讨论了当前气候变暖对马铃薯影响研究中存在的问题。在此基础上,展望了该研究领域研究的前沿需要和有可能突破的关键科学问题:一是采用模拟试验研究手段更深入地了解地区增温和CO_2浓度增加的交互作用对马铃薯的影响;二是大气增温与CO_2浓度升高交互协同作用的强度、时段、持续性与马铃薯碳交换、水分生理生态、品质变化过程特征的关系,以及细胞和分子水平上的响应机制;三是进一步开展高温胁迫、水分胁迫以及CO_2浓度倍增等多种气候生态环境因子协同作用下马铃薯的生长发育可逆性极限。     

陆地生态系统植物和土壤微生物群落多样性对全球变化的响应与适应研究进展

生态系统植物和土壤微生物群落多样性受氮沉降、气候变暖、大气CO_2浓度升高(eCO_2)、极端干旱等全球变化的强烈影响,深入认识和理解全球变化下植物群落-土壤微生物群落的关系对生物多样性保护至关重要。文章综述了陆地生态系统植物和土壤微生物群落多样性对以上4种全球变化单因子和多因子(双因子、三因子及四因子)交互作用的响应与适应规律。主要结论为,(1)氮沉降、气候变暖和极端干旱均改变了植物和土壤微生物的群落组成,呈现降低、增加和无影响3种效应,大多数研究结果是降低效应,例如高氮沉降和长期低水平氮沉降减少了植物多样性,微生物群落多样性的下降幅度随氮沉降时间和量的增加而加强;气候变暖改变了植物的物候,降低了植物多样性,促使土壤微生物群落的演替分异;极端干旱导致植物组成发生了方向性的变化,植物多样性降低并促进盐生植物的生长,土壤微生物量和活性降低并促使转向渗透胁迫型策略。(2)eCO_2增加促进植物光合作用从而刺激植物的生长,对植物多样性的影响取决于资源可利用性,一般增加根际细菌和土壤真菌的相对丰度以加快土壤的碳源利用。(3)全球变化多因子交互作用下植物-土壤微生物群落多样性的关联效应主要为协同、累加、抵消或非加性等,其中氮沉降×气候变暖为累加;氮沉降×eCO_2对植物生物量的影响为协同增效,而对植物群落可能是相反或抵消;气候变暖×eCO_2对土壤微生物群落为累加;三因子和四因子交互作用对植物和土壤微生物群落为非加性,较难预测。最后指出当前的研究不足和今后的发展方向:(1)加大不同时空尺度的植物和土壤微生物群落研究;(2)精确全球变化多因子交互作用对植物和土壤微生物群落多样性影响的估算。     

温室气体限排：地球生命的防线

全球气候日益变暖,已成为当今影响最为深远的全球性环境问题之一,引起了世人广泛关注.近期诸多重大国际会议都把关注的目光聚焦于气候变化,其议程之密、规格之高,尚属空前.温室气体在全球气候变化中扮演了重要角色,加强了"温室效应"的作用,使极端气候事件近年来频繁发生,给人类社会生产、消费和生活方式以及生存空间等社会发展各个领域都带来了巨大影响.气候变暖的负面影响往往具有长期性、累积性、非线性,其后果具有灾难性、不可逆性.为抑制全球变暖,国际社会根据"共同但有区别的责任"原则,对一些发达国家设定温室气体限排额度,将CO2等6种温室气体的排放进行控制,这是国际环境与发展合作领域的重大突破,虽然可预期的直接环境效益一时难估,但它所孕育的多元机制具有长效作用与持续潜力,必将长久地影响世界气候的变化趋向和可持续发展的进程.当前,国际社会需进一步加强合作,沿着巴厘岛路线图前行,切实为地球筑起生命的防线.     

中国西北气候变暖及其对农业的影响对策

以全球气候变暖和区域降水变率增加为主的气候变化给农业生产和人类食品安全带来严峻挑战。认识气候变化对农业的影响,提出科学的技术对策,是应对气候变化的基础。基于西北5省区气象观测资料,分析西北地区近52年(1961—2012年)气候时域趋势变化和空间分布特征,对比讨论了气候变化对西北农业的主要影响,提出了西北旱作农业应对气候变化的适应技术对策。结果表明,近52年来,西北区域气温呈显著上升趋势,气温变化倾向率为0.312℃/10 a,从20世纪70年代开始气温持续上升,气候变暖的突变点在1991年。西北区域降水量趋势变化空间差异明显,以黄河沿线为界,黄河以西区域降水量呈增多趋势,黄河以东区域呈减少趋势,并且降水量减少的幅度明显高于增加的幅度。气候变暖对农作物生长生育、植物形态结构、产量形成及品质等生理生化过程产生重大影响,对作物种植结构、栽培方式、种植制度,农田耕作层土壤生态环境等也产生了重大影响。要通过优化农业种植结构、调整作物种植制度、改进作物栽培方式、改良作物品种、加强水肥系统协调管理等技术措施来适应气候变化。科学开发利用气候资源,减缓气候变暖的不利影响,积极应对全球气候变化。     

植物物候对模拟CO2浓度和温度升高的响应研究进展

以大气二氧化碳(CO2)浓度升高和全球变暖为主要特征的全球变化引起了各国政府和科学家的普遍关注.植物物候节律与气候等环境因子密切相关,已有大量研究表明,植物物候已经发生并正在发生着改变.植物物候与区域乃至全球气候变化之间存在密切关联,且其在全球碳循环中扮演着重要的角色.植物物候变化可能引起一系列生态效应.CO2浓度升高对植物物候的影响没有统一的规律,而温度升高一般加速植物物候过程,且在也同一功能群内,响应的方式有一定的趋同性,两者交互作用对植物物候影响的研究仍然匮乏.     

湿地碳汇功能探讨:以泥炭地和芦苇湿地为例

大量研究表明湿地是地球表层系统中的重要碳汇,对于吸收大气中的温室气体,减缓全球气候变暖有重要作用.由于近几十年来全球气候变暖和人类活动的影响,湿地碳汇功能不断减弱.文章以泥炭地和芦苇Phragmites australis湿地为例来分析湿地的碳汇功能发现:农业排水、土地利用方式的改变、大气中CO2体积分数升高、全球气候变化等人为和自然因素影响了泥炭地的碳汇功能,泥炭地的碳蓄积能力下降,逐渐由"碳汇"转变为"碳源";尽管芦苇湿地是CH4的重要来源,但其对CO2具有较强的碳汇作用,综合来看芦苇湿地的仍是温室气体的净汇;人工芦苇湿地污水净化系统的温室气体排放量高于天然芦苇湿地.分析表明,研究泥炭地和芦苇湿地在全球气候变化下的响应及反馈机制,确定合理的湿地开发模式将是未来湿地碳汇研究的主要方向.     

中国南部样带植被NPP与气候的关系

以全球变暖为背景,以中国南部区域18.00°～7.50°N,108.50°～112.50°E样带为研究对象,以纬度为梯度,应用CRU(Climate Research Unit)全球观测数据集和CO2体积分数倍增后的2050年模拟气候状况作为平衡态陆地生物圈模型BIOME4的气候驱动,对中国南部样带历史100 a和未来50 a间的潜在植被净初级生产力(net primary production,NPP)和叶面积指数(leaf area index,LAI)变化进行模拟和统计分析.结果显示样带内影响NPP的主要因素为年最低温度和年均降雨量,影响LAI的主要因素为年均温度和年均降雨量.植被类型变化与气候变化所造成的NPP、LAI变化略有不同.样带较高纬度地区,植被类型变化与气候变化造成的NPP均值差异较小而LAI则差异较大.未来气候状况下NPP、LAI都有大幅度的增加,但不同纬度增幅不同.     

模拟气候变暖对小麦幼苗亚细胞中Cd的动态累积的影响

采用气候变暖模拟实验,在高浓度Cd胁迫下,研究模拟温度与CO_2浓度联合升高对小麦幼苗亚细胞中Cd的动态累积的影响,该研究旨在探索全球气候变暖背景下,作物对毒性元素Cd胁迫的微观响应过程及其机制.研究显示,随处理温度和CO_2浓度的增加,根、叶部的富集系数(BF)总体呈现显著的上升趋势,叶部相比对照增加了1.98—3.37倍,根部增加1.90—2.48倍.根、叶部各亚细胞组分中的Cd浓度也呈现显著的增加趋势,但各组分中的Cd相对比例维持稳定,细胞可溶性组分占比最高,是Cd在小麦幼苗细胞中的主要贮存位点.在最高处理温度和CO_2浓度条件下,Cd自根部向叶部的迁移相对对照增加1.34倍.结果表明,气候变暖将在一定程度上影响Cd在小麦幼苗中的动态富集,这很可能在多个层面上进一步强化气候变暖对生态系统、人类食品安全等方面的负性效应.     

三江平原气候变暖的进一步认识:最高和最低气温的变化

利用三江平原17个站1951-2000年的平均最高、最低气温和气温日较差资料，采用线性倾向估计和几种突变检测方法，定量研究了最高、最低气温和气温日较差变化趋势的空间分布，比较了最高、最低气温变化特征的差异性。结合前期的相关研究结果，对研究区20世纪70年代中期以来的三江平原气候变暖过程和成因有了进一步的认识。1975—2000年的变暖时期主要由两个阶段构成：1975—1987年为第一阶段，以夜间升温为主要特征，相对应的是气温日较差明显减小，超过一定面积的湿地开垦是该阶段气候变暖的主要驱动力之一；1987-2000年为第二阶段，以白天和夜间同时升温且幅度相当，气温日较差没有明显的变化趋势为特点，这一阶段的升温是对全球气候变暖同步的区域响应。     

全球气候变化背景下台湾海峡浮游植物的长期变化

为了解气候–海洋环境变异的生态影响,阐述并比较了1984~1985年和2006~2008年台湾海峡浮游植物分布的时空变化特征.结果表明:浮游植物物种多样性指数和均匀度分别由3.29和0.62降至2.90和0.55;平均细胞密度增加3.7倍,由372.0×104 cells/m3增加到173 8.8×104 cells/m3;种类组成里暖水种比例提高了7.3%,由45.9%上升到53.2%;浮游植物主要优势种组成趋于简单和小型化,如小型硅藻柔弱拟菱形藻(Pseudonitzschia delicatissima)和细弱海链藻(Thalassiosira subtilis),其平均丰度和优势度显著提高.浮游植物群落的这些年代际分布变异可看作全球气候长期变暖背景下对台湾海峡环境变化的生态学响应迹象.图3表6参34     

海南岛尖峰岭林区近50年的热量因子变化特征

全球气候变暖已得到充分证实。区域气候条件的变化必然影响该区域植物的生理活动,进而影响该区域植被的结构和功能。尖峰岭热带森林作为中国典型的热带森林生态系统之一,其长期的气候变化特征在评价森林对全球气候变化的响应与反馈中具有重要意义。采用国家野外科学观测研究站尖峰气象观测场1957─2005年的地面常规气象观测资料,选用气候趋势系数和气候倾向率定量分析了尖峰岭林区热量条件的变化特征,讨论热量条件的变化对主要热带森林植物的影响。结果表明,尖峰岭林区50年的多年平均气温和平均地温分别为24.7和29.0℃。50年来,林区热因子(平均温度和极端温度)均呈上升趋势,其中平均气温、平均最高地温、平均最低地温、极端最高气温、极端最低气温、极端最高地温升高趋势都显著(P0.05),每10年分别增加0.17、0.29、0.35、0.30、0.53、1.93℃,尖峰岭热带林区气候变暖来自于最低气温和最高地温升高的贡献。1、2、8、10和11月的平均气温升高趋势显著(P0.05),每10年分别增加0.27、0.28、0.14、0.12、0.24℃;1、2、3月的平均地温升高趋势显著(P0.05),每10年分别增加0.47、0.82、4.56℃,旱季对年平均气温和地温的增温贡献值大于雨季。尖峰岭地处热带北缘,其有效积温远低于赤道地区,因此,变暖的气候条件将通过改变尖峰岭热带森林植物的物候期而影响其生长与繁殖。     

模拟增温和中度放牧对青藏高原东部高寒草甸生态系统净碳交换及组分的影响

青藏高原高寒生态系统碳循环对气候变暖和放牧等的响应依然存在很大不确定性.采用开顶式温室模拟增温,采用刈割和牲畜粪便归还相结合的方法模拟中度放牧,研究气候变暖和中等强度放牧对青藏高原东部高寒草甸生态系统碳交换、生态系统光合、生态系统呼吸与土壤呼吸的影响.结果显示:模拟气候变暖和中度放牧显著改变青藏高原东部高寒草甸生态系统净碳交换及其组分,并且生态系统碳循环的响应随时间呈现不同的变化.增温显著提高净生态系统碳交换和生态系统光合,增加生态系统净碳固定;中度放牧降低生态系统呼吸和土壤呼吸,而对生态系统净碳交换、生态系统光合的影响存在明显季节动态变化,即在处理初期(8月上旬)明显降低,而后逐渐上升,在生长季后期、末期(9月中下旬-10月份)显著高于对照;增温和中度放牧未表现明显的交互作用,增温+放牧处理增加了季节性平均净生态系统碳交换和生态系统光合,但没有显著影响季节平均生态系统呼吸.增温和中度放牧的交互作用对碳交换的影响存在时间尺度上的变化.本研究表明,在未来气候变暖和中等强度放牧的背景下,青藏高原东部高寒草甸碳汇功能有可能增强.     

大气主要温室气体源汇及其研究进展

全球气候变暖是全球生态学的重点研究领域,近10余年来在世界范围内对引起气候变暖的温室气体源和汇进行了广泛的研究。文章综述了大气中几种主要温室气体(CO2、CH4和N2O)源和汇的种类及大小,认为在3种温室气体的源汇通量方面仍缺乏准确的定量认识,并存在许多不确定因素。通过分析近10年的国内外文献,总结出大气主要温室气体源汇的国际研究趋势主要是研究方法日益先进、研究地域不断扩大、注重温室气体通量对全球变化的响应以及多学科综合研究等方面。国内对温室气体源汇研究起步较晚,且存在观测点少、观测频度低、研究不够系统等不足,近几年在全国范围内实施的有关碳循环的重大科研项目在很大程度上促进了我国在温室气体源汇研究的发展。     

三叶鬼针草生物量分配与化感作用对大气温度升高的响应

全球气候变暖已经成为不容置疑的事实,同时外来入侵植物对入侵地的生态环境造成严重的危害,外来入侵植物可能对温度升高做出积极地响应。文章研究了不同温度（22、26和30℃）处理对入侵植物三叶鬼针草（Bidens pilosa L.）种子萌发、幼苗生物量分配及化感作用的影响,探讨三叶鬼针草对全球气候变暖的响应策略。结果表明;温度为22和26℃比30℃有利于三叶鬼针草种子的萌发。温度升高显著增加三叶鬼针草的株高、生物量和叶面积,三叶鬼针草幼苗增加对茎和叶的生物量投资。同时相同浓度的三叶鬼针草水浸提液对马唐（Digitaria sanguinalis（L.）Scop）和牛筋草（Eleusine indica（L.）Gaertn）的化感作用随着温度升高而增强。研究表明：温度升高促进了三叶鬼针草的生长,改变生物量分配模式同时增强了对受体植物的化感作用。温度升高可能是促进三叶鬼针草入侵的生态环境因子之一,未来全球气温变暖可能使其入侵加剧。     

基于最大熵模型模拟气候变化下中国两个沼泽藓类属的潜在分布

皱蒴藓属(Aulacomnium)和寒藓属(Meesia)是北温带沼泽或湿原藓类属的代表.沼泽湿地对气候变暖较为敏感,对于维持区域水循环和水文功能具有重要影响.基于中国皱蒴藓属4种52个和寒藓属3种20个地理分布点及19个环境变量,利用最大熵模型和Arc GIS 10.2软件,分别预测两个属在中国的适生分布区以及未来气候情景下物种潜在地理分布的变化.结果显示:(1)皱蒴藓属主要分布在中国东北和西北部分地区以及西南部分高山地带;寒藓属主要分布在中国东北大部分地区和四川北部高原.(2)最暖季度平均气温、最干季度降雨量和最干月降雨量是影响皱蒴藓属在中国分布的主要气候因子;年降雨量、最干季度平均气温、温度季节性变动系数和最暖季度平均气温是影响寒藓属在中国分布的主要气候因子.(3)在未来(2061-2080年)气候情景下,皱蒴藓属分布面积将比现代气候下增加5.94%,而寒藓属分布面积将减少0.27%.结果表明气候变化对两个沼泽藓类属的影响不同,可为探讨气候变化下苔藓植物物种分布变化提供参考资料.     

自然湿地氮排放与气候变化关系研究进展

受外界环境因素的影响,自然湿地氮循环过程中排放的氮氧化物气体正在全球范围内不断累积,全球气候也正在经历着前所未有的变化,因此,氮氧化物排放和全球气候变化关系成为了近年来国际上重点关心的环境问题。为了厘清两者关系,该文从以下几个方面进行了综述研究,(1)对Web of Science核心数据库和中国知网有关氮排放和气候变化的关键词进行检索,结果表明:近年来关于自然湿地氮排放和气候变化关系的文献数量逐年增多,说明氮排放和气候变化关系已经引起相关学者的重视。(2)自然湿地氮排放对气候变化的影响有直接影响和间接影响。直接影响是通过湿地氮循环过程中排放的温室气体(以N_2O为主)产生的,N_2O的大量排放加速了气候变暖的趋势;间接影响是通过发生氮排放的氮循环与碳循环耦合关系影响产生的,自然湿地系统中不断增加的活性氮使得两大温室气体——二氧化碳和甲烷的吸收和排放发生了变化,从而对气候变化产生了影响。(3)气候变化主要包括温度、降雨、辐射、光照和风速等气候因子的变化,这些变化对湿地的主要氮循环过程——硝化和反硝化过程产生影响,使得氮排放的程度和速率发生变化。文章最后对湿地氮排放和气候变化关系的研究进行了展望,为更好地理解自然湿地氮排放和气候变化关系提供了一定的研究思路。     

中国西南干旱对气候变暖的响应特征

基于相对湿润度的干旱等级分析方法,应用中国西南1958-2012 年气候资料,研究了中国西南干旱时域变化、空间分布、各季节的时空演变及其对全球气候变暖的响应特征,为应对气候变化提供科学依据.采用ArcGIS 系统中反距离权重方法进行空间插值分析绘图.结果表明：中国西南年干旱发生区主要分布于云南高原北部、川西高原和川西南山地,发生干旱区域占总面积的30%左右;其中,中旱区分布于云南高原北部、川西高原部分区域,占研究区总面积的11%左右;重旱区分布于云南高原北部、川西高原局部地区,占研究区总面积的5%左右;历年干旱出现频率平均31.7%.研究区干旱以冬、春季干旱为主.历年逐季冬、春季干旱出现站次平均分别为76.1%和46.2%.1958-2012 年云贵高原大部、四川盆地中部相对湿润度指数负绝对值增大,干旱等级提高,年干旱强度呈增强的趋势;其中,云贵高原大部分区域夏、秋和冬季相对湿润度指数负绝对值呈增大趋势,干旱显著增强;川西高原和川西南山地区冬季干旱呈增强趋势;四川盆地和川北区域秋季干旱呈增强趋势;川东盆地、贵州高原春季干旱也呈增强趋势.年干旱指数时间序列存在显著的3-4 a 和7-8 a 周期振荡;2009年为干旱强度显著加强的突变点,在全球气候变暖的背景下,预计未来数年中国西南干旱仍处在面积扩大、强度增强过程中.     

北京灵山草地土壤CO2源汇和排放通量与温度湿度昼夜变化的关系

大气中温室气体含量不断升高是造成目前全球变暖的主要原因,而土壤CO2是大气CO2的重要来源之一。研究表明温度、湿度是土壤CO2最主要的气候影响因素,通过对植物夏季雨后次日对土壤CO2排放过程中的源(不同深度土壤CO2体积分数)、汇(大气CO2体积分数)和中间CO2气体交换通量(土壤CO2排放通量)、气温、土温以及表土湿度进行同步连续的昼夜观察,研究日和小时变化尺度上温度和土壤湿度对CO2地气交换的影响。结果表明土壤CO2排放通量、大气CO2和土壤CO2体积分数的昼夜变化特征不一致,只有土壤CO2排放通量与气温变化存在明显的正相关关系,在日变化尺度上随表土湿度增加而增加;表土湿度在日变化尺度和小时变化尺度上与草丛空气CO2体积分数正相关;土壤CO2体积分数则在日变化尺度上当表土湿度较小时与表土湿度正相关。气温主要影响土壤CO2向大气的扩散和对流过程,而不是昼夜尺度上影响土壤CO2体积分数变化的主要环境因素。     

气候变化对黄土高原半干旱区春小麦生长和产量的影响——以定西市为例

气象因子是影响春小麦生长发育的主要因素,探究全球气候变暖对黄土高原半干旱区春小麦生长和产量的影响,为防灾减灾提供科学依据。利用1960-2016年甘肃省定西市气象观测资料和1986-2016年春小麦试验资料,研究气候变化对春小麦生长和产量的影响,分析春小麦各发育期的变化,探讨影响春小麦生长和产量变化的主要因素,为春小麦应对气候变化提供保障。结果表明:近57年春小麦生育期气温呈显著上升趋势,在1997年发生突变;1960—1997年之前春小麦生育期降水呈减少趋势,之后呈增加趋势,但整体上呈增加趋势;日照时数和20℃积温呈增加的趋势。春小麦生长日数年际波动较大,整体呈缩短趋势,春小麦播种到出苗期、抽穗期到开花期和乳熟期到成熟期生长天数减少导致了春小麦全生育期生长日数缩短。近31年春小麦产量呈增加趋势,不孕小穗数和成穗率呈减少趋势,穗粒数和千粒重呈增加趋势。降水是影响黄土高原半干旱区春小麦产量的主要因素。