陆地生态系统过程对气候变暖的响应与适应
发布时间：2021-10-19 09:02
陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控,因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来,全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题,该文梳理了近年来的研究进展,重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文,展望了该领域的前沿方向,包括物种性状对生态系统过程的预测能力,生物地球化学循环的耦合过程,极端高温与低温事件的响应与适应机理,不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展,该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖,更多关注我国的特色生态系统类型,并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。
【文章来源】：植物生态学报. 2020,44(05)北大核心CSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
生态系统部分关键过程响应气候变暖的证据量、一致性及置信度。证据量是指报道该生态系统过程的研究文献数量,一致性是指所有文献中支持该响应现象的百分比例。置信度由证据量与一致性的乘积表示。该方法参考了第五次IPCC报告(IPCC,2013)中的置信度概念,并沿用了Xia等(2014)一文中的表达方法。本图中涉及的具体发表文献请见附录I。
植物功能性状是与植物生长、生存、竞争和繁殖紧密相关的一系列功能属性(Wright et al.,2004;Kunstler et al.,2016),常见的功能性状有表征植物资源利用能力的比叶面积、叶氮含量、胞间和大气CO2浓度比、边材和叶面积之比等;表征植物光合能力的最大羧化速率和最大电子传递速率等(Reich et al.,1997;Reich,2014)。植物功能性状既取决于遗传因素,又受到外界环境的修饰作用(van Bodegom et al.,2012)。全球变暖可以直接影响植物的功能性状(Cui et al.,2020),进而影响生态系统结构和功能(Atkin et al.,2008;Meng et al.,2015;Doughty et al.,2018)。植物功能性状对气候变暖的响应,在预测植被分布、反映植被对气候变化的响应和评估生态系统服务功能等方面发挥着重要的作用。尽管已有成果有力地推动了全球变化生态学的发展,但仍存在很多值得发展和探索的空白区域:(1)目前功能性状的研究与理论发展主要基于个体水平的观测。不同植物个体对气候变暖的响应模式不同,根据个体反应难以预测群落或生态系统的整体响应模式,未来应该加强群落或生态系统水平性状的观测研究(He et al.,2019)。(2)功能性状的研究主要集中于地上性状,地下性状对于植物生长发育、养分循环等同样至关重要(Ma et al.,2018)。(3)缺乏增温梯度控制实验研究,以往的实验模拟研究大多没有增温梯度,难以深入探究功能性状对于气候变暖的敏感性及适应性。(4)基于植被功能性状及其环境变异性对动态植被模型进行改进(Verheijen et al.,2015;Ma et al.,2017),发展我国自主产权的动态植被模型。土壤微生物作为土壤中活的有机体系,是生态系统养分循环和能量流动的重要纽带(Wieder et al.,2015)。全球变暖可能会改变土壤微生物结构和功能组成,从而影响植物与土壤微生物之间的相互作用与反馈(Xue et al.,2016)。然而,目前学术界对土壤微生物群落如何响应气候变暖等问题认识不足,且缺乏相关实验证据,成为了限制陆地生态系统气候反馈预测的重要因素(Li et al.,2014;Abramoff et al.,2018)。因此,未来需要借助新兴技术手段及方法加强对微生物关键过程和机理的研究,如利用高通量测序手段对微生物群落进行全面而准确地分析;借助稳定同位素标记进行代谢途径、养分分配等机理研究。
在目前大部分模型中,气候变暖与陆地碳循环之间存在显著的正反馈关系(Friedlingstein et al.,2003;Heimann&Reichstein,2008)。然而,自然生态系统对气候变化的反馈机理远比模型更加复杂(Cao&Woodward,1998;Arneth et al.,2010;van Nes et al.,2015)。例如,最近的一项研究在位于冰岛的亚北极草地中测定了128个生态系统变量,并利用天然的地热温度梯度评估了生态系统对短期(5–8年)与长期(>50年)气候变暖的响应模式(Walker et al.,2019)。该研究发现长期气候变暖会使生态系统发生稳态迁移,即产生新的生物群落并导致物种丰富度、生物量与土壤有机质含量下降。迄今为止,生态系统对气候变化的反馈机理存在一些仍无法定量的理论假设,例如植被光合与呼吸作用对温度的适应性、土壤碳库的激发效应和非结构性碳水化合物的作用等(Luo et al.,2001;Hoch et al.,2003;Kroner&Way,2016;Liang et al.,2018;Du et al.,2020)。所以,在未来生态系统模型的发展中,需要更加深入地研究生态系统对气候变化的反馈机理以及合适的模型化手段,以提高模型模拟和预测的能力。3 总结
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈[J]. 朴世龙,张宪洲,汪涛,梁尔源,汪诗平,朱军涛,牛犇. 科学通报. 2019(27)
[2]生态系统对全球变暖的响应[J]. 方精云,朱江玲,石岳. 科学通报. 2018(02)
[3]气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响[J]. 徐小锋,田汉勤,万师强. 植物生态学报. 2007(02)
[4]全球变化与陆地生态系统研究:回顾与展望[J]. 傅伯杰,牛栋,赵士洞. 地球科学进展. 2005(05)
本文编号：3444569
【文章来源】：植物生态学报. 2020,44(05)北大核心CSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
生态系统部分关键过程响应气候变暖的证据量、一致性及置信度。证据量是指报道该生态系统过程的研究文献数量,一致性是指所有文献中支持该响应现象的百分比例。置信度由证据量与一致性的乘积表示。该方法参考了第五次IPCC报告(IPCC,2013)中的置信度概念,并沿用了Xia等(2014)一文中的表达方法。本图中涉及的具体发表文献请见附录I。
植物功能性状是与植物生长、生存、竞争和繁殖紧密相关的一系列功能属性(Wright et al.,2004;Kunstler et al.,2016),常见的功能性状有表征植物资源利用能力的比叶面积、叶氮含量、胞间和大气CO2浓度比、边材和叶面积之比等;表征植物光合能力的最大羧化速率和最大电子传递速率等(Reich et al.,1997;Reich,2014)。植物功能性状既取决于遗传因素,又受到外界环境的修饰作用(van Bodegom et al.,2012)。全球变暖可以直接影响植物的功能性状(Cui et al.,2020),进而影响生态系统结构和功能(Atkin et al.,2008;Meng et al.,2015;Doughty et al.,2018)。植物功能性状对气候变暖的响应,在预测植被分布、反映植被对气候变化的响应和评估生态系统服务功能等方面发挥着重要的作用。尽管已有成果有力地推动了全球变化生态学的发展,但仍存在很多值得发展和探索的空白区域:(1)目前功能性状的研究与理论发展主要基于个体水平的观测。不同植物个体对气候变暖的响应模式不同,根据个体反应难以预测群落或生态系统的整体响应模式,未来应该加强群落或生态系统水平性状的观测研究(He et al.,2019)。(2)功能性状的研究主要集中于地上性状,地下性状对于植物生长发育、养分循环等同样至关重要(Ma et al.,2018)。(3)缺乏增温梯度控制实验研究,以往的实验模拟研究大多没有增温梯度,难以深入探究功能性状对于气候变暖的敏感性及适应性。(4)基于植被功能性状及其环境变异性对动态植被模型进行改进(Verheijen et al.,2015;Ma et al.,2017),发展我国自主产权的动态植被模型。土壤微生物作为土壤中活的有机体系,是生态系统养分循环和能量流动的重要纽带(Wieder et al.,2015)。全球变暖可能会改变土壤微生物结构和功能组成,从而影响植物与土壤微生物之间的相互作用与反馈(Xue et al.,2016)。然而,目前学术界对土壤微生物群落如何响应气候变暖等问题认识不足,且缺乏相关实验证据,成为了限制陆地生态系统气候反馈预测的重要因素(Li et al.,2014;Abramoff et al.,2018)。因此,未来需要借助新兴技术手段及方法加强对微生物关键过程和机理的研究,如利用高通量测序手段对微生物群落进行全面而准确地分析;借助稳定同位素标记进行代谢途径、养分分配等机理研究。
在目前大部分模型中,气候变暖与陆地碳循环之间存在显著的正反馈关系(Friedlingstein et al.,2003;Heimann&Reichstein,2008)。然而,自然生态系统对气候变化的反馈机理远比模型更加复杂(Cao&Woodward,1998;Arneth et al.,2010;van Nes et al.,2015)。例如,最近的一项研究在位于冰岛的亚北极草地中测定了128个生态系统变量,并利用天然的地热温度梯度评估了生态系统对短期(5–8年)与长期(>50年)气候变暖的响应模式(Walker et al.,2019)。该研究发现长期气候变暖会使生态系统发生稳态迁移,即产生新的生物群落并导致物种丰富度、生物量与土壤有机质含量下降。迄今为止,生态系统对气候变化的反馈机理存在一些仍无法定量的理论假设,例如植被光合与呼吸作用对温度的适应性、土壤碳库的激发效应和非结构性碳水化合物的作用等(Luo et al.,2001;Hoch et al.,2003;Kroner&Way,2016;Liang et al.,2018;Du et al.,2020)。所以,在未来生态系统模型的发展中,需要更加深入地研究生态系统对气候变化的反馈机理以及合适的模型化手段,以提高模型模拟和预测的能力。3 总结
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈[J]. 朴世龙,张宪洲,汪涛,梁尔源,汪诗平,朱军涛,牛犇. 科学通报. 2019(27)
[2]生态系统对全球变暖的响应[J]. 方精云,朱江玲,石岳. 科学通报. 2018(02)
[3]气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响[J]. 徐小锋,田汉勤,万师强. 植物生态学报. 2007(02)
[4]全球变化与陆地生态系统研究:回顾与展望[J]. 傅伯杰,牛栋,赵士洞. 地球科学进展. 2005(05)
本文编号：3444569
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