冰冻圈变化的生态过程与碳循环影响

目录 总序一 总序二 前言 第1章 绪论 1 1.1 冰冻圈与生态系统的相互关系 1 1.1.1 研究区域与对象 1 1.1.2 冰冻圈要素与植被的相互作用关系 2 1.1.3 冰冻圈与生物地球化学循环 6 1.2 国内外进展与趋势 7 1.2.1 国际冰冻圈生态学研究进展与趋势 7 1.2.2 中国冰冻圈生态学研究进展与趋势 9 1.3 冰冻圈生态学研究的前沿科学问题与主要关注点 10 1.3.1 冰冻圈与生物圈的相互作用关系与机理 10 1.3.2 冰冻圈变化下的生物地球化学循环反馈与碳氮平衡动态 11 1.3.3 冰冻圈生态学模型 12 第2章 冻土变化对青藏高原高寒草地生态系统的影响 13 2.1 短期增温对多年冻土区高寒草地的影响 14 2.1.1 研究区概况和试验设计 14 2.1.2 研究结果 15 2.2 季节冻土区短期增温对高寒草甸生态系统的影响 23 2.2.1 材料和方法 23 2.2.2 结果与分析 24 2.2.3 多年冻土与季节冻土区高寒草地生态系统变化的差异性 26 2.3 高寒草地植被生长季NDVI变化及其与冻土的关系 29 2.3.1 数据与方法 29 2.3.2 植被变化趋势分析 32 2.3.3 植被生长限制因子分析 35 2.4 多年冻土变化对高寒草地影响的样地对比研究 38 2.4.1 不同流域对比样带调查结果 38 2.4.2 不同植被区冻土变化的样地对比分析 45 2.5 冻土变化对高寒草地生态系统影响的阈值分析 49 2.5.1 冻土对草地植被生态的影响存在阈值的一些宏观证据 49 2.5.2 多年冻土变化对草地植被生态的阈值初步分析 51 2.5.3 冻土影响植被生态阈值的群落结构变化证据 52 2.6 本章结论 53 第3章 冻土变化对我国东北森林生态系统的影响 55 3.1 冻土区植物群落组成分析 56 3.1.1 样地设置与调查方法 56 3.1.2 植物群落科属组成分析 57 3.1.3 植物物种组成的生态学分析 59 3.2 冻土对物种多样性的影响 64 3.2.1 植物生活型对冻土融深的响应 64 3.2.2 植物水分生态类型对冻土融深的响应 66 3.2.3 冻土区植物群落物种多样性对冻土融深的响应 68 3.3 东北多年冻土区NDVI的时空变化及其驱动因素 73 3.3.1 研究区概况 74 3.3.2 数据与方法 74 3.3.3 东北多年冻土区植被生长季NDVI变化趋势 77 3.3.4 植被生长季NDVI与气候因子的相关性分析 81 3.3.5 东北多年冻土退化对NDVI的影响分析 83 3.4 多年冻土区森林土壤碳排放过程及时空变化 85 3.4.1 观测和分析方法 85 3.4.2 多年冻土森林土壤碳排放的时间动态 86 3.4.3 多年冻土区森林土壤碳排放的空间格局 92 3.5 增温和土壤水分变化对森林土壤碳排放的影响 93 3.5.1 观测和分析方法 93 3.5.2 增温对土壤碳排放的影响 93 3.5.3 土壤水分改变对土壤碳排放的影响 97 3.5.4 增温和水分改变对土壤碳排放的交互影响 99 3.6 本章结论 100 第4章 积雪变化对高寒草地生态系统的影响 102 4.1 研究方法 103 4.1.1 研究区概况 103 4.1.2 积雪变化对高寒草甸生态系统的影响 103 4.2 研究结果 107 4.2.1 积雪变化对土壤物理和养分特性的影响 107 4.2.2 积雪变化对土壤养分特性的影响 110 4.2.3 积雪变化对植物群落数量特征的影响 111 4.2.4 积雪对植物根系的影响 114 4.2.5 积雪变化对草地群落生物量的影响 119 4.2.6 积雪变化条件下植被群落特征与土壤理化性质的相互关系 119 4.3 积雪变化对多年冻土区草地植被生物量和多样性的影响 125 4.3.1 观测试验方法与数据获取 125 4.3.2 不同积雪厚度对高寒草地生态系统的影响 126 4.4 讨论 129 4.5 本章结论 131 第5章 青藏高原高寒生态系统碳库及变化 133 5.1 引言 133 5.2 流域尺度上多年冻土区生态系统碳库分布 133 5.2.1 植被和土壤碳储量 134 5.2.2 土壤碳储量的垂直分异及影响因素 135 5.3 青藏高原多年冻土区植被碳库空间分布及变化 137 5.3.1 研究方法 138 5.3.2 青藏高原多年冻土区高寒生态系统植被碳库空间分布 140 5.3.3 青藏高原多年冻土区高寒生态系统植被碳库变化 141 5.4 青藏高原多年冻土区高寒草地土壤碳库分布及性质 143 5.4.1 青藏高原多年冻土区土壤有机碳储量分布 143 5.4.2 青藏高原多年冻土区土壤碳的性质及与环境因子的关系 145 5.5 青藏高原多年冻土区土壤有机碳分解特征与稳定性 149 5.5.1 青藏高原多年冻土区土壤有机碳分解特征 149 5.5.2 青藏高原多年冻土区土壤有机碳稳定性 150 5.6 热喀斯特地区土壤碳的生物地球化学循环特征 152 5.7 青藏高原森林生态系统碳库分布与变化 157 5.7.1 研究方法 158 5.7.2 青藏高原森林生态系统碳库的空间分布 159 5.7.3 青藏高原森林生态系统碳库的变化 160 5.8 本章结论 162 第6章 高寒草地温室气体排放过程及变化 163 6.1 研究方法与数据获取 163 6.1.1 研究区域介绍 163 6.1.2 增温及氮添加试验 164 6.1.3 观测试验与数据采集 165 6.1.4 统计分析 166 6.2 不同高寒草地生态系统碳排放动态及差异性 166 6.2.1 高寒草地碳排放的日动态变化 166 6.2.2 高寒草地碳排放的季节动态变化 170 6.3 高寒草甸土壤呼吸及其组分的季节动态 175 6.3.1 高寒草甸类型土壤通量及其动态变化 175 6.3.2 土壤异养呼吸与自养呼吸特征 176 6.3.3 讨论与小结 180 6.4 气候变化对高寒草甸生态系统碳排放的影响 184 6.4.1 增温对高寒草甸土壤温湿度的影响 184 6.4.2 增温对祁连山高寒草甸生态系统呼吸的影响 187 6.4.3 增温和氮添加对典型高寒草地生态系统呼吸的影响 192 6.4.4 增温和氮添加对典型高寒草甸生态系统碳平衡的影响 195 6.5 气候变化对高寒草地生态系统CH4和N2O通量的影响 200 6.5.1 模拟增温和氮沉降对高寒草甸CH4和N2O通量的影响 200 6.5.2 模拟增温和氮沉降对高寒沼泽草甸CH4和N2O通量的影响 204 6.5.3 讨论与小结 207 6.6 本章结论 209 第7章 高寒草地生态系统碳氮平衡及其变化 211 7.1 引言 211 7.2 研究方法 212 7.3 高寒草甸土壤碳氮迁移与固持量的动态变化 214 7.3.1 土壤碳剖面分布规律及增温影响 214 7.3.2 土壤碳的垂直迁移 216 7.3.3 讨论与小结 216 7.4 流域和区域尺度的径流碳氮排放过程 217 7.4.1 河流碳氮浓度及通量特征 218 7.4.2 河流碳输出影响因子和预测模型 221 7.4.3 活动层冻融过程与河流碳输出 223 7.4.4 小结 225 7.5 生态系统碳平衡与源汇效应分析 226 7.5.1 祁连山高寒草甸碳平衡对增温的响应 226 7.5.2 风火山高寒草甸碳平衡对增温的响应 228 7.6 生态系统氮平衡对增温的响应 230 7.6.1 氮平衡的同位素原理 230 7.6.2 结果与分析 232 7.6.3 讨论与小结 233 7.7 本章结论 234 第8章 土壤微生物对冻土与积雪变化的响应 236 8.1 积雪变化对季节冻土区草地土壤微生物的影响 236 8.1.1 土壤微生物的测定 237 8.1.2 结果与分析 238 8.1.3 高寒草甸土壤微生物群落多样性对积雪变化的响应 239 8.1.4 环境因子与土壤微生物群落间的相互关系 241 8.2 增温对高寒草甸不同冻土层土壤微生物的影响 247 8.2.1 实验区概况与研究方法 247 8.2.2 研究结果 249 8.2.3 结论 255 8.3 多年冻土变化对森林土壤微生物的影响 255 8.3.1 土壤微生物的测定 256 8.3.2 纬度梯度上多年冻土土壤微生物的分布特征 258 8.4 短期增温对多年冻土区高寒草地土壤微生物的影响 260 8.4.1 研究方法 260 8.4.2 研究结果 261 8.5 讨论 266 8.5.1 积雪对土壤微生物群落的影响 266 8.5.2 短期增温对土壤微生物群落的影响 267 8.6 本章结论 268 第9章 未来冰冻圈变化对生态系统影响的模拟与预估 269 9.1 陆地过程和生态系统模型介绍 269 9.1.1 模型介绍 269 9.1.2 CLM3验证 270 9.1.3 地表温度算法的开发和验证 272 9.2 模型模拟能力检验 273 9.2.1 CLM3模拟能力 273 9.2.2 DOS-TEM模拟裸地土壤温度能力 275 9.2.3 植被盖度对DOS-TEM模拟土壤表面温度的影响 277 9.3 冻融算法与结果分析 278 9.4 高寒草地生态系统对气候变化及多年冻土退化的响应 282 9.4.1 模型验证与敏感性分析 282 9.4.2 结果 283 第10章 冰冻圈生态学前沿科学问题与展望 291 10.1 冰冻圈生态系统变化及其驱动机制的多尺度观测与分析 292 10.1.1 冰冻圈陆地生态系统变化多尺度耦合观测系统与多源数据集成研究 292 10.1.2 冰冻圈水生生态系统变化的综合观测试验与数据集成研究 293 10.2 冰冻圈-生物圈相互作用关系与机理 293 10.2.1 积雪生态学前沿科学问题与展望 294 10.2.2 冰川生态学前沿科学问题 296 10.2.3 冻土生态学前沿科学问题 298 10.3 冰冻圈生物地球化学循环 300 10.3.1 冰冻圈碳源汇动态过程与驱动机制 300 10.3.2 冰冻圈碳氮生物地球化学循环耦合作用 301 10.3.3 冰冻圈碳循环的生态地理过程与冻扰作用 302 10.4 冰冻圈生态系统动态模拟 302 10.4.1 多年冻土区植被动态演替模拟需要进一步加强 303 10.4.2 多年冻土区特殊土壤质地需要在模型中考虑 303 10.4.3 多年冻土区扰动需要在模型中考虑 304 10.5 冰冻圈生态服务与生态安全 304 10.5.1 冰冻圈生态系统