地理科学学院在全球变化与生态系统响应领域取得系列进展

2019-03-27 09:59:17
科学研究

近期,地理科学学院生态地理研究团队在全球变化与生态系统响应领域取得一系列重要进展。该研究团队主要由我校近两年引进的青年人才组成,以全球变化为重点研究主题,瞄准地理学与生态学的学科交叉前沿,研究生态过程的地理空间分布格局、时间演变规律及其与地理环境耦合机制。近两年,该团队在生态系统对全球变化响应、生态模型、生态水文、湿地碳循环等方面开展了一系列研究工作,相关成果以华南师范大学为第一作者单位发表于多个国际权威期刊,其中1区期刊论文7篇,2区期刊论文1篇,主要成果如下:

(1)提出了基于生产力动态的生态系统状态转变理论

如何预警生态系统结构发生转变是全球变化科学与生态学领域亟待攻克的难题。在全球环境变化的影响下,准确预测生态系统“结构”与“功能”的变化轨迹是科学家面临的重大挑战。一方面,以系统动力学理论为基础,科学家发展了生态系统状态转变的理论并提出了预警生态系统“结构”转变的指标;另一方面,以生态系统初级生产力这一“功能”为核心,发展了一系列生产力动态指标并用于评估生态系统对全球变化响应的脆弱性、敏感性及其生态机理。然而,预警生态系统结构转变的理论和指标与表征生产力动态的功能指标之间如何关联尚不清楚。针对这一问题,胡中民研究员联合中国科学院地理科学与资源研究所、北京大学、美国科罗拉多州立大学、法国地球系统科学研究中心的研究人员,在系统总结生态系统突变理论的基础上,提出了生态系统状态转变的新理论框架,将基于系统动力学的系统突变理论与基于生产力动态的指标体系建立了联系,提出可基于生产力动态指标来预测生态系统“结构”的转变。在此基础上,作者基于大量地面调查资料和区域遥感数据,对该理论进行了验证。作者最后指出,当前陆面模型虽然能够准确捕捉植被生产力的空间格局,但尚不能预测生态系统转变时生产力动态变化规律,融入植物群落生态学相关理论认知是提升模型预测精度的重要发展方向。

研究成果以题为“Shifts in the dynamics of productivity signal ecosystem state transitions at the biome scale”发表在生态学国际顶级期刊Ecology Letters(IF=9.137, 5年IF=11.775,生态学非评述类期刊排名第一)。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ele.13126。

(2)提出了植被生产力层级分解框架

针对找出模型不确定性的根源从而提升模型的模拟精度这一本领域科学家面临的重要难题,团队成员胡中民及其国内外合作者创新性地提出了植被生产力组分分解的理论框架,将生态系统总初级生产力(GPP)拆分为体现群落结构属性的叶面积指数(LAI)和体现植物生理属性的单位叶面积植物的光合速率(GPPleaf)两部分,进一步地,GPPleaf受控于气孔导度和最大光合能力等环节。基于此理论框架,该研究进一步利用地面涡度相关长期监测GPP数据对多个国际主流模型的模拟效果进行了评估,揭示了导致模型不确定性的关键环节,提出了模型改进的方案。

研究成果以题为“Joint structural and physiological control on the inter-annual variation in productivity in a temperate grassland: a data-model comparison”发表在全球变化研究领域权威杂志Global Change Biology (IF=8.997,全球排名:1/54 (Biodiversity Conservation); 5/229 (Environmental Sciences); 6/153 (Ecology)。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.14274。

(3)揭示了湖泊有机碳积累速率对过去气候变化和人类活动的响应

在全球气候变化背景下,生态系统的固碳增汇已成为当今社会和政府的重要议题和难题。由于湖泊仅占地球表面积的2%,其碳汇功能在过去常规碳循环估算中往往被忽视。近年来,国际上愈来愈多的研究表明湖泊生态系统是个不容忽视的碳汇。探索湖泊碳积累规律对过去气候变化和人类活动的响应,不仅能为更好的评估和预测未来气候和人类活动变化下湖泊的固碳能力提供理论基础,而且对区域或全球碳循环规律的研究也具有重要的意义。团队成员青年英才王梅博士与国内外合作者对中国82个湖泊沉积物210Pb定年数据进行整合分析,对1850以来中国湖泊有机碳积累速率的时空动态变化及其影响因素进行了研究。研究结果表明中国湖泊碳沉积速率存在明显的时空差异且不同湖区湖泊有机碳沉积速率动态变化的机制存在差异。与1850-1900期间湖泊有机碳沉积速率相比,post-1950期间湖泊有机碳沉积速率显着增加,且有机碳沉积速率及其增加速率在我国东部平原湖区及云贵高原湖区表现最明显。同时,调控不同湖区有机碳沉积速率动态变化的机制存在差异:在云贵高原和东部平原湖区,湖泊营养条件是影响其沉积速率动态变化的主导因素,而在青藏高原湖区、蒙新高原湖区及东北湖区,气候条件是影响其沉积速率动态变化的重要因素。该研究首次在全国尺度上,对我国湖泊近代有机碳沉积速率及影响机制进行了探讨,证实了气候变化和人类活动对湖泊有机碳沉积速率有重要影响,为准确预测和评估我国湖泊沉积速率对未来气候变化和人类活动的响应提供理论基础。

研究成果以题为《Temporal-spatial pattern of organic carbon sequestration by Chinese lakes since 1850》发表在湖沼学顶级期刊Limnology and Oceanography (IF=3.595,湖泊领域排名第三),全文链接:https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lno.10771。

(4)揭示了北方泥炭地温室气体排放规律与机制

泥炭地是碳储量丰富的生态系统,其碳排放及气候效应研究备受关注。长期以来,未被干扰的自然泥炭地是个重要的碳汇,扮演着“climate cooling”的作用。然而,在人类活动干扰下,泥炭地的碳汇功能及气候效应是否会持续具有较大不确定性。农业利用是泥炭地的主要利用方式,研究其对泥炭地碳循环的影响机制具有重要意义。王梅博士及合作者基于涡度相关连续观测技术,通过比较自然泥炭地和相邻的弃耕农用泥炭地的含碳温室气体(CO2和CH4)通量,结合一系列生物及环境指标,探讨泥炭地的CO2和CH4通量的动态变化机制及农业利用对北方泥炭地含碳温室气体排放的影响机制。研究结果表明农业利用使泥炭地的CO2吸收功能增强,却使其CH4排放减少,从而使泥炭地“climate cooling”效应增强,与土地利用将导致泥炭地温室气体排放增加的传统认识不符。

此外,研究在泥炭地CH4通量方面获得一些有趣发现:1)大降雨事件对土壤CH4释放产生“激发”效应;2)泥炭地水位高于临界值,CH4通量主要受土壤厌氧层CH4产生过程调控,而当水位下降到低于临界水位,CH4通量主要受控于土壤表层的CH4氧化过程;3)水位和温度共同影响CH4通量,但水位和温度的相对作用在不同的季节存在较大差异。以上研究成果为定量评估农业利用对泥炭地气候效应的影响提供参数检验与模型验证,并有助于制定有效的温室气体减排措施。

相关研究成果分别以《Temporal shifts in controls over methane emissions from a boreal bog 》、《Can abandoned peatland pasture sequestrate more carbon dioxide from the atmosphere than an adjacent pristine bog in Newfoundland, Canada? 》发表在农林学科顶级期刊Agricultural & Forest Meteorology (IF=4.039,5-year IF=5.035,林业领域排名第一)。全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192318302235。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192317303052。

(5)揭示了土壤结皮对斑块植被生态系统水文过程的影响机制

干旱地区,土壤结皮在调节生态系统结构与功能方面起到十分重要的作用。然而,土壤生物结皮和物理结皮对斑块植被生态水文过程的影响仍不清楚,尤其缺乏直接的研究数据。针对这一问题,团队成员蒋志云博士以生长在高寒半干旱地区的芨芨草斑块及其生物/物理结皮为研究对象,通过长期野外实地观测芨芨草斑块周围生物/物理结皮土壤导水率、土壤水分、土壤盐分、土壤温度及土壤蒸发等水文性质,研究生物/物理结皮对芨芨草斑块水文过程的影响(图5)。发现生物结皮通过增加土壤导水率与大孔隙率以增强水分入渗率,同时降低土壤温度以减少土壤蒸发损失,从而对芨芨草斑块起到保蓄水分的作用;而物理结皮通过创造一个高盐分含量的土壤环境以抑制其他草本植物的生长,使得物理结皮分布区土壤表层呈现裸露景观;因此生物结皮和物理结皮在芨芨草斑块地表水文过程中起着不同的作用。研究结果还指出,该地区的主导风向、芨芨草斑块冠层遮蔽效应和地表盐分聚集被认为是芨芨草斑块不同方向出现生物结皮和物理结皮的主要原因。该研究结果对于深入理解高寒半干旱区植被-土壤-水文相互作用关系具有十分重要的科学意义。

研究成果以“Contrasting surface soil hydrology regulated by biological and physical soil crusts for patchy grass in the high-altitude alpine steppe ecosystem”为题在《Geoderma》上发表。《Geoderma》是农林与土壤学领域1区top期刊(IF=3.740,5-year IF=3.921)。全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706117313526

(6)量化了气候因子对中国北方草地植被指数年际变异的相对贡献

明确地表和大气之间的相互作用是厘清陆地生态系统对气候变化的响应和反馈的关键环节。团队成员赵玮博士应用地理探测器的方法,阐明了植被指数年际变异主控气候因子的异质性空间格局。研究结果表明,降水和相对湿度共同控制了中国北方草地植被活动的年际变异。值得关注的是,相对湿度作为大气干旱程度的指示指标,其对于植被指数年际变异的重要性相当于或甚至超过降水的作用。最后,研究指出,气候变化对温带草地植被动态的解释力高于高寒草地。基于以上研究结果,强调了大气干旱程度在草地植被动态中的重要作用,区域尺度上气候-植被关系研究中要关注植被类型之间的差异。

研究成果以“Contributions of climatic factors to inter-annual variability of vegetation index in northern China grasslands”为题发表于气象与气候学领域1区top期刊《Journal of Climate》(IF=4.661,5年IF=5.606)。全文链接:https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JCLI-D-18-0587.1

(7)系统分析了典型生态系统中蓝绿水研究与生态系统服务功能的关系

在典型生态系统中,蓝绿水是如何分布的?是如何影响其生态系统服务功能是国内外生态水文学关注的热点之一。臧传富博士在我国第二大内陆河黑河流域以将蓝绿水与典型生态系统(农田、草地、森林)的服务功能相结合,系统分析了蓝绿水在典型生态系统中的时空变化特征及与其生态系统服务功能的关系。研究表明:在黑河流域,草地生态系统中的蓝绿水总量高于农田和森林。在农田生态系统中,小麦产量与绿水存着显着相关性,玉米产量与蓝水存在显着相关性。在草地生态系统服务功能中,生产牛肉消耗的蓝绿水高于羊肉。牛肉和羊肉的产出均与蓝水存着显着相关性。

研究成果以“A Spatial and Temporal Study of the Green and Blue Water Flow Distribution in Typical Ecosystems and its Ecosystem Services Function in an Arid Basin”为题发表于水文水资源领域2区期刊《Water》(IF=2.069)。全文链接:https://doi.org/10.3390/w11010097

作者/通讯员: | 来源:地理科学学院 | 编辑:杨柳青