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            Temperature rise experiment effects on simulated forest ecosystem
            [Source: ] [ Browse:34 ] [ Time:2016-12-29 ]Font:[ big Middle Small ]

            一、研究對象
                   以本實驗研究平臺內的模擬森林生態系統為研究對象, 擬開展如下研究
                  1、氣溫改變對模擬森林生態系統植物生長動態的影響
                  研究發現, 植物生長對增溫的響應呈現多樣化趨勢。模擬增溫會降低(Melillo et al., 2002)、增加 (Rustad et al., 2001)或在夏季減緩而在其他季節加快(Wan et al., 2005)植物的生長。植物生長的快慢除與溫度相關外, 還受其他因素 (比如土壤含水量、養分含量等)的影響(Liu et al., 2012)。在亞熱帶地區 , 由于氣溫相對較高 , 相關的研究比較少。通過本實驗, 我們擬探討氣溫上升對該地區森林生態系統植物光合作用的影響及季節動態 , 探討氣溫上升對植物生長的影響及生物量分配機制。我們的初步假設是在夏季, 氣溫的上升對植物生長沒有影響 , 但是在其他季節 , 氣溫上升會促進植物生長 , 導致生態系統生物量增加。
                  2、氣溫上升對模擬森林生態系統水文過程的影響
                  目前, 氣候變暖對大尺度水文過程 (如降水、徑流、蒸發等 )的影響, 已經通過模型模擬和實驗觀測開展了廣泛的研究(Huntington, 2006)。這些研究大都以精度較高、綜合性強的區域水量平衡模型為基礎 , 結合全球循環模型 GCMs (global circulation models)輸出結果或假定的氣候變化情景 , 探討未來水文因子的變化情況和趨勢 (朱利和張萬昌 , 2005)。氣候變暖可能導致的水循環變化包括降雨、徑流、蒸散的變化 , 極端降水事件的頻率 , 如洪水和干旱。但是水循環在全球的變化并不能代表區域尺度或是地方尺度的水循環變化(Li et al., 2009)。以增溫為背景的生態系統尺度的水文變化研究較為缺乏。通過本實驗 , 選擇亞熱帶森林類型為研究對象, 可研究氣溫上升對南亞熱帶森林生態系統水文學過程的影響 , 闡明增溫背景下的森林水文學過程的響應與反饋機制。
                  3、氣溫改變對模擬森林生態系統土壤碳動態的影響
                  由于土壤呼吸在生態系統呼吸中的重要地位以及它在全球變暖反饋環中的不確定性 , 全球范圍內已經展開了大量的氣溫上升對土壤呼吸影響的研究, 短期的增溫實驗處理下土壤呼吸多呈現增高趨勢(Wang et al., 2012; Flanagan et al., 2013), 用酶動力理論可以解釋。長期實驗處理下 , 部分研究中出現“熱適應 ”現象, 這一方面是由于植物種以及共生菌類對氣候變暖的適應 , 另一方面是由于土壤活性碳庫在長期增溫下作為土壤呼吸底物的不足 (Melillo et al., 2002; Bradford et al., 2008)。這說明不僅短期條件下土壤碳釋放取決于土壤有機碳分解的溫度敏感性 , 而且長期條件下也主要取決于土壤碳庫的可持續性。近年來有不少研究采用區分土壤有機碳組分的手法來研究土壤有機碳庫的周轉與穩定性(Karhu et al., 2010), 土壤有機碳根據微生物可利用程度 , 可分為易分解有機碳、難分解有機碳和惰性有機碳。從長遠來看 , 氣候變暖情景下未來森林生態系統的土壤碳平衡主要取決于難分解或惰性有機碳(Cox et al., 2000)。另外, 土壤微生物作為土壤有機碳的分解者 , 其功能菌群的變化會直接影響到土壤有機碳庫。因此我們擬對土壤不同組分有機碳以及土壤微生物群落多樣性進行監測 , 從這兩個方面系統地闡述土壤碳動態對氣溫上升響應的機理, 這對提高區域尺度碳預算的可信度來說很有必要。
                  4、氣溫改變對模擬森林生態系統化學計量學方面影響的研究
                  森林生態系統碳循環固然重要, 但由于 C、N、 P等物質元素的循環過程是相互耦合的 , 其他物質元素的改變勢必會影響到C循環過程(韓興國等, 1999)。然而, 目前在全球變化研究領域 , 多數研究都集中在C循環和N循環上(Rustad et al., 2001),很少有研究涉及全球變化與其他養分元素的關系。Liu等(2013)的研究表明 , 大氣CO2濃度上升和 N沉降不僅改變了模擬森林生態系統的 C和N循環過程, 同時也加快了植物根系對 P的吸收, 改變了系統內的 P循環過程, 從中也表明, 在全球變化生態學中 , 其他的物質元素也是我們應該關注的。我們擬利用生態化學計量學的手段 , 系統地研究在氣溫上升情景下, 植物-土壤中各種元素的化學計量比值、生物體營養動態的變化以及限制養分元素的判別等。


            二、創新性分析
                  野外自然條件下的生態系統增溫實驗是研究全球變暖與生態系統關系的主要方法之一 (Dunne et al., 2004; Fukami & Wardle, 2005)。增溫效應的研究對于預測未來大小空間尺度的變化及響應都是必需的。過去 20多年, 世界各地已用各種增溫方法進行實驗 , 這些增溫方法主要分為兩種  主動增溫和被動增溫。主動增溫包括電纜加熱、紅外增溫、主動箱式(OTC)增溫(Bergh & Linder, 1999; Beier et al., 2004; Noormets et al., 2004; Kimball, 2005); 被動增溫包括夜間增溫和被動箱式 (OTC)增溫 (Hollister & Webber, 2000; Klein et al., 2005)。然而, 目前這些溫度控制裝置多不能很好地模擬全球變暖的機制(牛書麗等, 2007)。本研究利用海拔梯度的改變帶來的被動增溫方法 , 結合紅外主動增溫的方法來模擬氣溫的改變 , 具有顯著的科學前沿性和方法論原創性。牛書麗等 (2007)認為, 在同一個地點 (或生態系統)同時設置多種增溫裝置 , 并比較其對陸地植物和生態系統影響的異同 , 可以有效地整合不同生態系統增溫實驗的結果 , 完善模型的參數估計和驗證。
                  研究表明, 高緯度和高海拔森林對氣溫上升的響應可能要比熱帶明顯 , 因而有關增溫實驗基本都在溫帶進行。同時 , 由于森林生態系統的復雜性和難以操控性 , 目前增溫實驗在整個國際上主要都是針對農田和草原生態系統 , 在森林生態系統進行得很少。我國科學家在全球變暖與陸地生態系統研究中做了大量卓有成效的工作 , 然而這些工作大部分是室內實驗、野外調查和數據整合(Fang et al., 2001; Zhao & Zhou, 2005)以及模型預測 (Gao & Zhang, 1997; Zhou et al., 2002; 周廣勝等 , 2003), 對于在野外自然條件下生態系統尺度上進行的溫度控制實驗投入精力較少。在國內 , 中國科學院哀牢山森林生態系統研究站首次將主動式增溫用于森林生態系統的研究, 然而該實驗主要是針對土壤的增溫 , 用于研究土壤呼吸的控制實驗。目前 , 用于整個森林生態系統增溫的實驗在國內還未見報道。一種增溫裝置在模擬全球變暖時是否有效 , 需要判斷其能否較好地模擬全球變暖的機制(增強的向下紅外線輻射)、能否同時改變氣溫、土壤溫度和蒸發散以及能否模擬上述幾種增溫情形(牛書麗等, 2007)。我們的實驗增溫通過不同海拔梯度的生態系統位移達到增溫的目的, 能夠同時改變氣溫、土溫和蒸發散, 因而能有效地模擬全球變暖。
                  本實驗選擇了受全球變化影響敏感的季風氣候區——南亞熱帶季風林、山地林和混交林為研究對象, 探討氣候變暖對森林生態系統結構和功能的影響, 具有典型的區域代表性。同時 , 全球增溫實驗研究主要集中在高緯度地區 , 熱帶亞熱帶地區實驗數據相對缺乏。通過本項目研究 , 將回答以下3個科學問題 (1)氣溫改變對熱帶亞熱帶地區主要鄉土樹種生長的影響是怎樣的? (2)氣溫改變對熱帶亞熱帶地區主要森林類型水文學過程的影響如何?(3)氣溫改變對主要森林類型的關鍵元素(C、N、 P、K、Ca、Mg等)的生物地化循環過程的影響機制是什么?通過上述研究 , 將系統地闡明氣溫改變對熱帶亞熱帶地區主要森林類型結構和功能的影響規律及其潛在的機制 , 研究結果將對全球 C平衡的估算提供有益的數據支持 , 為生態模型提供參數估計和模型驗證, 為林業部門的管理提供科學依據。

                                                                                       (引用:《植物生態學報》 2013, 37 (6) 558–565)

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