国家野外台站(森林生态系统野外台站)建设成效报告之中篇—国家森林生态系统野外台站取得的成效(一)

2018年6月30日11:13:06国家野外台站(森林生态系统野外台站)建设成效报告之中篇—国家森林生态系统野外台站取得的成效(一)已关闭评论 284 views

科研成果示范和推广的独特基地

基于国家森林生态系统野外台站,一些前沿的生态科学成果,如生态系统中的“碳”研究、生态GDP概念的形成、自然资产负债表的编制、生态效益补偿的研究及应用、各省(区)的森林生态系统服务功能评价研究等,在此被一个个孕育而出。国家森林生态系统野外台站充分发挥了其孵化器的功能,已然成为了科研成果示范和推广的独特基地。

1.生态系统中的“碳”研究

(1)Science杂志于2001年发表了方精云等人关于中国森林植被碳库及其变化的论文(Fang et al.,2001, 291:2320-2322)。该论文基于国家森林生态系统野外台站长期监测成果,利用生物量实测资料、森林资源清查资料以及相关统计资料, 建立了推算区域(国家)尺度森林生物量的“换算因子连续函数法”,构建了世界上第一个长时间序列的国家尺度的生物量数据库。在此基础上, 阐明了中国50年来森林植被CO2源汇功能的动态变化。结果表明, 70年代末以前,中国森林植被起着CO2 源的作用, 净释放了0.62PgC (Pg=1015g)的CO2。但在最近的20多年中,森林碳库显著增加, 森林植被开始成为大气CO2 的汇, 碳库由70年代末期的4.38PgC增加到1998年的4.75PgC,共增加0.37PgC这种增加除了森林覆盖率增加之外,气温上升和CO2 浓度增加也是促进森林生长的重要原因。

该文回答了如下的科学问题:1) 中国森林植被的碳储量有多少,其空间分布怎样? 2)半个世纪以来,中国碳储量的变化如何? 3)CO2源汇功能及其变化在全球碳循环中,起着什么样的作用?这些结果为有争议的北半球陆地“碳汇”问题提供了直接的证据,也为验证有关的全球变化模型提供了有效参数。该论文的发表,肯定了我国林业工作的成就,改变了某些发达国家对我国环保工作的印象,同时,也为中国相关的环境外交谈判提供了有益的科学数据。

论文发表后,受到广泛关注。Science杂志同时发表了哈佛大学教授Wofsy的评论和美国科学促进会(AAAS)Onaga的报道。Science杂志首席指导Andrew Sugden博士认为,该论文是一个里程碑式的研究,将长期被引用。审稿人认为该论文是长期以来所见到的最优秀的工作之一。英国著名的“泰晤士报”教育周刊( The Times Higher Education Supplement ) 利用一个整版的篇幅,报道了研究的经过,并在头版头条发了标题新闻。可以说,这是充分利用国家森林生态系统野外台站长期监测成果的经典之作!

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(2)基于鼎湖山国家森林生态系统野外观测研究站,通过整合分析长期定位观测资料(1979—2003年)和实验结果,中国科学院华南植物园鼎湖山森林生态系统定位研究站的周国逸研究员及其团队经过严密论证,获得“成熟森林土壤可以持续积累有机碳”这一重要发现并在国际顶级期刊 Science 上发表,引起巨大反响。国际同行认为,该研究结果逐渐剥蚀掉几十年前建立的碳平衡随森林演替的旧理论,从根本上改变了人们对生态系统过程的看法,呼吁建立生态系统非平衡理论框架;该研究令人信服地证明了成熟森林是一个重要的碳汇,这是一个重要的原始创新。Nature 杂志也因此采访了全球多个生态学家,其中瑞典著名生态学家 Günter Hoch 认为,这个发现对整个生态学界是个很大的“惊喜”,将有利于发展中国家环境外交谈判,减轻履行《京都议定书》的压力;就成熟森林对缓解全球 CO2 浓度升高作用的争议提供了新的解释,为“碳失汇”去向的揭示提供了新的思路,是一个重大的突破。 政府间气候变化专门委员会(IPCC)在 2007 年的报告中指出该论文是全球最不能忽视的 9 篇文章之一。该项成果被评为 2006 年度中国基础研究十大新闻,并引领了一波全球成熟森林碳汇功能研究的热潮。

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鼎湖山国家森林生态系统定位研究站以长期监测与创新研究为手段,发现成熟森林土壤持续积累有机碳现象,从宏观到微观的不同尺度阐明森林土壤积累有机碳的机理及其驱动机制,引领森林生态系统碳氮水循环过程及其耦合对环境变化的响应与适应规律的研究,推动生态系统非平衡理论的建立;科学量化了全国森林生态系统碳汇现状与潜力,为国家环境外交提供了重要的科学支撑;提出森林与产水量的全球模式并精确给出了控制产水量气候与流域特征参数的临界值,为“森林与产水量”关系的争论提供了新的阐释;发现常绿阔叶林群落适应气候变化在过去 30 年向灌丛化方向演替并阐明其受主要环境因子影响的机理。研究成果为森林固碳与水资源效应的科学评估、自然保护区和生态环境建设的国家需求提供了理论支撑。鼎湖山站成为国内外无可替代的野外科技支撑平台和国际著名的森林生态系统科学研究基地。

(3)2017年7月28日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了北京大学城市与环境学院方精云院士研究组的一篇研究论文,论文揭示了森林植物残体碳储量变化。博士后朱剑霄是论文的第一作者。植物凋落物和木质残体是森林生态系统碳储量和碳汇的重要组分,但由于以往数据不足、缺乏有效的研究方法,致使我国森林植物残体碳储量及其变化缺乏准确的估算,从而限制了我国森林生态系统碳收支的全面评估。2011-2016年,方精云院士领导的研究团队依托国家森林生态系统野外台站对我国森林植被、土壤、凋落物和木质残体碳密度进行了系统调查,并结合森林清查、遥感数据,首次量化了中国森林凋落物碳和木质残体的碳储量及其变化,发现其碳储量约为9.3亿吨碳单位,并以每年670万吨碳的速率增长。该成果填补了中国森林生态系统碳收支研究的空白。

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2018年4月16日,全球首次,中国学者同期发表7篇PNAS(美国科学院院刊),揭示我国生态系统中的“碳”,报道了有关中国陆地生态系统、高原生态系统、森林生态系统中的无机元素的分布情况,全球生态系统变化对其造成的影响,以及碳储备等情况。无一例外,这7篇文章均基于国家野外台站长期观测,利用生态大数据,为了解我国各种生态环境中的元素循环和打造“绿水青山”的美好家园做好理论铺垫。其中北京大学和中国科学院植物研究所表现优秀各发表2篇,中国科学院南京土壤研究所、中国科学院生态环境研究中心以及中国科学院华南植物园各发表了一篇。同时,国内众多高校如:南京农业大学、西北农林科技大学等众多单位也参与其中,发挥了重要作用。这7篇文章的主要研究成果如下:

(4)在中国科学院“战略重点研究计划:气候变化:碳预算和相关问题”的项目支持下,由中科院植物所植被与环境变化国家重点实验室主导的,基于国家生态系统野外台站,根据全国6098个森林,灌丛和草地的实地观测数据和综合多种理论的综合模型预测,论文系统地研究了气候,土壤和人类对SOC储量的直接影响,以及物种丰富度所带来的间接影响(SR),地上净初级生产力(ANPP)和地下生物量(BB)。研究发现有利的气候(高温和降水)对森林和灌木地的SOC储存有一致的负面影响,但在草地没有。气候有利度,尤其是高降水量与较高的SR和较高的BB相关,这对SOC的储量具有一致的积极影响,从而抵消了有利气候对SOC的直接负面影响。气候对SOC储量的间接影响取决于SR与ANPP和BB之间的关系,在所有生物群类型中这种关系一直呈阳性。另外,人为干扰和土壤pH对SOC储量具有直接和间接影响,SR,ANPP和BB的变化介导了间接影响。高土壤pH值对SOC储存一直有负面影响。论文的研究结果对改善全球碳循环模式和生态系统管理具有重要意义:保持高水平的多样性可以增强土壤碳汇,并有助于维持植物多样性和生产力的益处。

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(5)基于国家森林生态系统野外台站长期监测数据和大量文献, 署名第一单位为中国科学院植物学研究所,由方精云院士课题组发表在PANS上的一篇综述类文章总结道:近三十年来中国经济增长的规模在现代人类历史上是前所未有的。中国现在是世界第二大经济体,紧邻美国。然而,这种快速的经济增长使中国的环境压力越来越大。中国可以被看作是一个庞大的“实验室”,具有社会经济和自然系统之间复杂的相互作用,为研究环境变化和密集的人类经济活动如何影响自然系统提供了极好的机会。这一特色探讨了气候变化和人类活动对生态系统结构和功能的影响,重点是量化中国陆地生态系统中碳(C)库的数量和分布以及碳封存。论文还记录物种多样性,物种特征,氮(N)和磷(P)化学计量学如何调控生态系统碳库和植被生产。本概述文章介绍了该研究项目的背景和科学意义,介绍了其基本概念框架,并总结了每篇论文的主要发现。

 

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(6)依托国家森林生态系统野外台站,由北京大学城市与环境科学学院地球表面过程教育部重点实验室主导发表的文章显示,通过调查我国陆地生物群落中植物叶片,茎和根的养分浓度,论文记录了大规模的C,N和P群落浓度模式。论文还研究了营养物质含量和植物总生产力(GPP)所指示的植物生产。全国平均C,N和P的群落叶片浓度分别为436.8,14.14和1.11 mg·g-1;茎部为448.3,3.04和0.31 mg·g-1; ,根分别为418.2,4.85和0.47 mg·g-1。全国平均叶片N和P产量分别为249.5 g C GPP·g-1 N·y-1和3 157.9 g C·GPP·g-1P·y-1。茎和根中的N和P浓度通常比叶中的非生物环境更敏感。所有生物群落的N(或P)含量在不同组织中都存在强幂律关系,与植被GPP密切相关。植物氮(N)和磷(P)含量调节陆地生态系统中的生产力和碳(C)固存。估计植物组织中N和P含量的分配以及营养含量和光合能力之间的关系对于预测全球变化下未来的生态系统碳封存至关重要。这些研究结果不仅提供了关键参数来开发经验模型,以扩大植物对从单一组织到整个群落的全球变化的反应,而且还提供了大量证据表明生物群落依赖营养物对碳耦合作用的调节。

 

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(7)依托国家森林生态系统野外台站,在北京大学城市与环境科学学院生态学系主导下,关于高寒草地生态系统的结构和功能,包括广泛的土壤碳储量,主要受温度影响的研究论文报道,特别是青藏高原在过去50年经历了明显的升温,预计未来这种升温趋势将加剧。这种气候变化可能会改变植物物种组成和净初级生产力(NPP)。文章将32年的监测与温度和降水的操纵性实验相结合,探索气候变化对植物群落结构和生态系统功能的影响。首先,从1983年到2014年的长期气候变暖,发生在没有系统降水变化的情况下,导致草丰度较高,莎草丰度较低,但不影响地上NPP。其次,4年以上的试验升温试验对NPP的任何方面都没有影响,而干旱操作(降低50%的降水量)将NPP分配转移到地下,但不影响总NPP。第三,实验升温和干旱处理在高原九个地点的分析支持下,增加了草本丰富度,但牺牲了乔木和草本的生物量。功能群组成的这种转变导致更深的根系,这可能使植物群落获得更多的水,从而即使在气候变化的情况下也能稳定生态系统的初级生产。总体而言,研究表明,在气候变化的影响下,植物物种组成的变化可能会稳定这个高海拔生态系统的初级生产力,但也会导致从地上到地下生产力的转变。

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(8)依托国家森林生态系统野外台站长期观测数据,在中国科学院生态环境科学研究中心城市与区域生态国家重点实验室主导下,发表了关于我国重点生态工程对碳排放影响的文章,该篇文章报道,森林和草原的长期过度使用导致生态系统退化和碳损失。自二十世纪七十年代后期以来,中国启动了六项国家重点生态恢复项目,以保护其环境和恢复退化的生态系统。对实施六个项目的地区(约占全国土地面积的16%)的中国森林,灌木林和草地生态系统进行了大规模的野外调查和生物量和土壤C的文献调查。论文调查了这些生态系统碳储量的变化,以评估这些项目对2001年至2010年我国碳汇的贡献。在过去的十年中,本研究估计项目区域年度碳汇总额为每年132亿克碳/(1Tg=1012g),其中超过一半(74TgC/y,56%)归因于项目的实施。研究结果表明,这些恢复项目大大促进了我国的CO2减排。

国家野外台站(森林生态系统野外台站)建设成效报告之中篇—国家森林生态系统野外台站取得的成效(一)

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(9)中国的陆地生态系统已经成为重要的碳汇。然而,由于样本规模的限制,多种数据来源和不一致的方法论,以前对碳预算的估计包含了很大的不确定性。由中国科学院华南植物园主导的,在中国科学院战略重点研究项目(XDA05005)和国家自然科学基金(41430529、31330012)的资助下,发表了关于中国陆地生态系统碳汇的文章。本研究依托国家生态系统野外台站,进行了一项包括14371个样地的密集野外监测,以调查中国森林,灌木林地,草地和农田中的所有碳储量部门,以更好地估算区域和国家碳汇,探索生物地理格局和潜在驱动因素这些池。这四个生态系统的总碳库为79.24±2.42 PgC,其中82.9%储存在土壤中(深度为1m),16.5%生物量和0.60%凋落物。森林,灌丛,草地和农田含有30.83±1.57 PgC,6.69±0.32 PgC,25.40±1.49 PgC和16.32±0.41 PgC。考虑到所有陆地生态系统,我国总碳库为89.27±1.05PgC。森林、灌丛和草地的碳密度与气候密切相关:随着气温的升高而下降,但随着降水量的增加而增加。研究分析还表明,假定没有清除,主要是因为森林生长,未来10-20年森林生物量的固定潜力为1.9-3.4 PgC。本文的结果更新了基于直接现场测量的中国陆地生态系统碳汇估算,这些估算对于中国和全球碳模型的验证和参数化至关重要。

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