生态系统长期联网观测研究的必要性及国内外现状与存在

1、 1) 、生态系统长期联网观测研究的必要性及国内外现状与存在的问题？ 2) 必要性：近几十年来，由于人口迅速增减、经济迅速发展，以及人类对自然资源的掠夺式经营，在全球范围内使得生态系统退化及生存环境的恶化，造成毁林、荒漠化、洪涝灾害、水体富营养化及其物种的消失，甚至绝灭等一系列十分严重的生态灾害，这已成为威胁人类生存及社会经济可持续发展的关键因子。目前要解决这些问题，必须通过多学科、多部门的和拳绣规模的长期合作才能完成。另外，由于生态系统的变化是多要素和多过程耦合的负载过程，紧紧依靠短期的试验和观测，许多现象往往难以发现，也难以判断生态系统的变化是短期波动还是长期趋势，需要建立长期的动态观测。

2、为了对生态系统和环境的变化状况进行监测，进而寻求解决资源和环境问题的方法，一些国家、地区、国际组织或重要的国际合作项目，建立了以监测和解决资源和环境问题为目标的生态环境监测或研究网络，共同构成了国际长期生态研究网络。 3) 国际现状：国际上著名的生态系统观测观测研究网络包括：国际陆地生态系统监测网络(TEME、全球陆地气候观测系统(GTO)、全球气候观测系统(GCOS全球海洋观测系统(GOOS地球观测系统(EOS、全球通M观测网(FLUXNET、国际稳定同位素观测网络(BASIN等。建立长期生态系统研究网络的目的在于在不同空间尺度上理解生态系统的长期发展模式及其演变过程。具体包括：a:从生态学

3、角度上，了解各类生态系统在不同尺度上的格局与过程。b:把网络各个站的长期观测研究和理论发展信息进行整合集成，进而总结出朴实的生态学知识。C:创建详细全面的数据库可以向所有的科研团体开放。D:为后代留下一项长期全面观测和实验数据、极丰富的样品和物种标本遗产。 4) 3)国内现状：经建成的生态系统网络有：中国生态系统研究网络(CER)N、中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX、中国森林生态系统研究网络(CFERN)中国农业肥料实验研究网络、中国水土保持监测网络、中国荒漠化监测网络、中国农业环境监测网络、中国地面气象观测网络、中国海洋观测系统、中国七大水系的水文水质监测网、国家海洋污染

4、监测网、中国酸雨监测网和中国地下水质监测网。目前，CERN已拥有分布于全国各主要生态型区的36个生态站、5个学科分中心和1个综合中心，已成为我国重要的野外科学观测、试验研究平台，成为国际公认的三大国家级长期生态研究网络之一。中国生态系统研究网络(CERN是为了监测中国生态环境变化，综合研究中国资源和生态环境方面的重大问题，发展资源科学、环境科学和生态学，于1988年开始组建成立的。目前，该研究网络由13个农田生态系统试验站、9个森林生态系统试验站、2个草地生态系统试验站、6个沙漠生态系统试验站、1个沼泽生态系统试验站、2个湖泊生态系统试验站、3个海洋生态系统试验站，以及水分、土壤、大气、生物、

5、水域生态系统5个学科分中心和1个综合研究中心所组成。 5) 4)存在问题：世界范围内：已有的通量观测站与植被类型上分布不均匀，多数是关于森林生态系统的；地区上分不受国家经济水平的限制，观测站主要分布在积极发达的北美洲、欧洲。中国：a:野外台站分属不同的主管部门，没有形成布局合理、规范统一、联合共享的网络体系。B:野外研究站的数据共享机制不健全，长期观测和试验数据没有进行系统性的争辩、数据资源浪费严重。C:还没建立起国家层面的生态系统研究网络的信息管理与数据服务系统°D:生态系统观测研究网络的监测与研究技术队伍不稳定，野外研究站的经费投入不足，缺乏自我维持和发展机制。E;对于中国陆地生

6、态系统对全球气候变化适应性的样带研究，控制实验和专项观测试验基础薄弱；对于生物多样性，CERN勺大部分站没有生物多样性的观测能力。2、光合作用时，C3植物与C4植物的稳定性碳同位素的分馏效应有何不同？p289C3植物光合作用过程中各主要环节的碳同位素的分馏效应，C02经过气孔的扩散和叶绿体内的同化过程,使A13C值从-8%降到了-20%?-35%.通常情况下，C3植物的光合作用过程中的同位素效应可用下列即13C=a(1-Ci/Ca)+b3(Ci/Ca)=a+(b3-a)(Ci/Ca)式中：a为CO2勺扩散过程中同位素分储效应系数(约为4.4%);b3为Rubisco竣化反应的同位素分储效应系数

7、(约为30%。)；Ci/Ca为胞间CO2和空气中CO2浓度比值。C3植物体内的13C同位素含量，一般介于-20%?-35%之间。C4植物因在叶片结构，光合酶系统等方面与C3植物有很大差异，所以在光合作用过程中的同位素分馏过程也与C3植物差别很大，一般用公式表示该过程的同位素分馏效应的大小即13C=a(1-Ci/Ca)+(b4+b3f)(Ci/Ca)=a+(b4+b3f-a)(Ci/Ca)b4表示PEF酶竣化反应过程的同位素分储效应系数(约为-5.7%),f表示CO2从维管束鞘细胞内泄漏的比率。通常在0.20?0.37之间，式中的其他参数与C3植物相同。因C4植物吸收的CO2效率很高，所以其体内

8、的13C同位素含量更高一些，一般为-7%。?-15%。之间。由于C3与C4植物的观和途径的差异，其叶片的碳同位素比差异较大,C3植物碳同位素比为-20%-35%，C4植物碳同位素比-7%-15%。简述用18O或D同位素技术研究植物水分利用效率来源的原理与方法？p294 1) 原理:对植物而言，氢氧元素以水的形式从根部进入植物体内，蒸发作用使水向叶片迁移，在此过程中通常无同位素的分谓作用，因此，植物体内水分的笊和18O主要受吸收水的和A18O状况控制。植物蒸腾在达到同位素稳定平衡状态时，所释放水汽的同位素组成与木质部中的水分同位素特征密切相关。在植物光合作用过程中，植物从叶片水中摄取氢氧同位素并

9、被转移到不同的化合物中，因此可以通过测定植物体内的氢氧同位素组成来研究植物在长期的生理代谢过程中的水分利用状况，从而可以间接研究植物周围环境的水份变化。 2) 2)方法:土壤水分在蒸发过程中所释放的水汽同位素组成(D和18O的变化与植物叶片的蒸腾作用的同位素分馏过程类似，可以用以下共识计算；RV=(1/ak)RS/(a*-Rah)(1-h)H为空气湿度，RS为士壤政发部位水分的同位素比率，Ra为空气中水汽的同位素比率，a*和ak分别为同位素平衡和动力学分馏系数。意哪些4、波文比/能量平衡技术的优缺点？在今后的科研活动是否考虑应用此技术，如果应用在野外实践中应注问题？优点：BREB法对梯度的测M

10、误差和假设湍流交换系数K=Kw的误差所导致的对LE的总误差，比空气动力学方法的误差小。在没有平流热输送的条件下，在BREB法中，净辐射和土壤热通量之和，对估算感热和潜热的变化提供了一个合理的幅度。BREB法不需要测量风速廓线资料。BREB法对风浪区的要求不是很严格的。不足：有时会出现计算结果与实际情况在数量级上相差很大BREB法在实际应用中，还存在着更为严重的不足，用BREB法计算出nLE，可能与实际方向相反。误差累积。在日出、日落（Rn-G接近于0）或发生水平降水时（此时，温度梯度与水汽压梯度方向相反），B值接近于-1,BREB法误差增大,甚至结果没有物理意义,（1）优点:波文比/能量平衡技

11、术（BowenRatio/EnergyBalaneeTechniques,BREB是基于能量平衡原理而发展起来的，该方法物理意义明确，计算简便，在计算精度要求不太高的通量观测中被广泛采用。（2）缺点：首先，净辐射Rn和土壤热通量G的观测误差将造成计算结果的系统性偏差。其次，波文比法也是假设近地面层热量和水汽的湍流交换系数相等，即Kh=Kw但这一假设仅在中性层结时才近似成立，而在非中性层结时并不成立，尤其是在稳定层结情况下，Kh/Kw>1随着层结稳定度的增大,Kh>Kw此时若仍使用该假设条件，会造成波文比法计算的潜热通量值偏低。最后，由有限差分形式取代偏微分形式引起的误差。波文比法采

12、用有限差分形式计算不同高度上的温湿度差值显然没有梯度法中采用积分形式的计算结果精确。（3）注意的问题：a;采用同一仪器在不同高度进行切换就可以消除由于观测仪器引起的系统误差；b;为尽i减小误差，在用此法进行高大植被如森林的观测时，要求仪器设置的层数最好在两层以上。5、土壤呼吸测定技术主要包括哪些？在今后的科研活动是否考虑进行土壤呼吸方面的研究，在土壤呼吸测定的野外实践中应注意哪些问题，如何获得高质量数据？土壤呼吸测定技术从微观到宏观有：静（动）态箱-GC联用技术、梯度法、涡度相关技术、波文比技术。土壤呼吸M通常是宜接测定从士壤表面释放的CO4木度变化率（dCO2/dt）来确定的。理想情况下士壤

13、呼吸测定应该不影响近地表层大气CO2T散梯度，在这个前提下，土壤呼吸通量的量值可以通过观测dCO2/dt的初始斜率（土壤呼吸CO2T散速率，?c/?t）计算得到。如何获得dCO2/dt的斜率是土壤呼吸观测技术的关键，因为这关系到观测结果的准确与否。需要注意的问题太多，可分方法进行阐述，重点是静态箱法，涡度相关参照伏玉玲。6、涡度相关通量观测的基本原理是什么？野外观测时应注意哪些问题？(1) 涡度相关技术是通过测定和计算物理量(温度，C02和H2O等)的脉动和垂直风速的协方差求算涡流输通量的方法，其在观测和求算通量的过程中几乎没有假设，具有坚实的理论基础，适用范围广。雷诺相关分解：任一时刻的变化

14、量都可以分解为平均值与脉动的和。u=i+u'。来物理量柠的通量定义为：坊二质根据雷诺平均规则.可以改写为：巧二云+肓7通M的定义.逋常假役兀区则涡度柑关测定的净通气表贰为：£=齐涡度相关技术的理论基础为标量物质守恒方程:?标就物质守恒方程iSf3西暂虔_匚年祁底卓ci*cjrcthz吐从地面到测定高度q对方程进行积分、可以得到：NEE=14-八(0)+S(z)dz=w%z)表明，以冠底鬲度方分界线，进出上壤切植被的净COliii¥于垂吃凤速和CO2浓度脉动的协方差湍流通螯密度)“(2) 雨雪及异常天气条件对观测仪器的干扰和破坏；观测塔对局地环流的影响及对信号的影响；

15、仪器本身存在的误差问题；仪器的校准问题；实时数据的处理和质量控制问题；缺失数据集的插补策略和夜间观测存在的问题及夜间通量数据的订正策略问题。涡度相关技术要求仪器安装在CO2通量不随高度发生变化的边界层。野外测定注意事项：观测场地选择：下垫面平坦均质、足够长的风浪区、植被/生态系统类型典型、人为干扰小仪器设置：涡度相关传感器朝向、分离距离、观测高度仪器的常规校正/标定：系统漂移定期维护与检修：线路/管路老化、传感器探头老化、清洁探头浮尘/霜露污染、虫鸟干扰、雷击、断电等。7、生态系统碳水循环遥感反演的意义及存在哪些不确定性？(1) 意义：大区域，快速。用以模型参数提取和模型验证。全球变化的研究是

16、以地球系统科学为指南的。遥感作为获取地球表面时空多变要素信息的先进方法，是地球系统科学研究的重要组成部分，是对全球变化进行动态监测的不可替代的手段。陈述彭先生指出，没有遥感，就提不出全球变化这样的科学问题。所以遥感对地学本身有巨大的推动作用。(2) 不确定性：变量较多时，点面扩展时的，区域估算的不确定性较大；参数模型及其模型中所涉及因素的不确定性；尺度范围以及研究对象的不确定性；观测值由于受到环境因素影响的不确定性；理论方法的不确定性；对NPF反演：1。空间尺度转换；2。对光和利用率反演不确定，混合相元问题；3。FPAR对蒸散反演来讲：1。即时尺度向日尺度和季节尺度转换；2。空间异质性，造成的

17、亚分辨率尺度问题；3。地表反照率的反演，模型建立中使用朗伯体来反演参数，实际并非如此，可以使用多角度遥感来改进；4。地表温度反演，温度是碳水循环中的驱动因素，对整个模型的运行影响极大，可以使用红外遥感来进行反演改进；8士壤呼吸由哪几部分组成？环境变化（温度升高、降水增加减少、COtft度升高、氮沉降增加）可能会对士壤呼吸产生什么样的影响？并简要叙述一下影响的内在机理。（ 1）土壤呼吸包括：土壤微生物呼吸；土壤动物呼吸；根呼吸三个生物学过程和一个化学氧化过程。（ 2）温度升高，很多模型都预测这种变化的结果可能会导致土壤呼吸的增强，促进土壤碳的排放。全球气候变化模型也会预示全球变暖将会导致土壤含碳

18、量的下降。一般来讲，在水分等不构成限制因素的条件下，温度升高将会极大的促进土壤呼吸。全球温度升高会使分解作用受低温限制的地区减少，加快CO狄土壤的释放。Harvard森林近10年的土壤呼吸对温度响应的野外控制试验结果表明，温度升高并不能长久地增加土壤呼吸，他们将之归因于土壤有限的活性碳库，当这部分碳释放进入大气以后，增温就不能再刺激土壤呼吸作用了。土壤呼吸对气温升高产生适应的可能原因（ 1）反应底物不足。当土壤异养微生物处于底物供应不足的环境中时，土壤呼吸对温度升高不敏感，潜在地产生了适应。影响底物有效性的因子包括土壤粘粒含量、有效水分以及矿质土壤的质量。如果适应是由有限基质供应造成的，则土壤

19、碳含量低的生态系统可能比碳含量高的生态系统更能适应气候变暖。（ 2）土壤有效水分的限制。一般来说，过干和过湿的环境都不适于土壤呼吸的进行。气候变暖通常伴随着降水的分布格局和强度的变化，在一些地区降水过多，而另一些地区降水过少，形成了一些过干或过湿的地区，从而降低土壤呼吸的强度；（ 3）氮素过量。气温的升高势必导致土壤氮素矿化速率的增加和土壤可利用氮素的增加，从而导致植物C/N降低，植物体向土壤中分泌的有机物减少，进而限制了土壤呼吸的进行。（ 4）生物适应性。通过改变土壤微生物群落组成和调节微生物的生理过程来对温度升高产生适应。在高温的条件下，前期微生物可以加快代谢，随时间的延长，微生物逐渐适应

20、了高温的环境，自身代谢随之趋于稳定。在不考虑微生物种群变化的情况下，土壤呼吸的温度敏感性降低可能是由生理变化引起的。如真菌可以改变它的呼吸作用以适应温度的改变。（ 3）CO2浓度的升高必然对土壤呼吸产生显著的影响。在其他因子不变的条件下，一定程度的大气CO2浓度上升引起的施肥效应和抗蒸腾效应将有利于植物的生长，从而增加植物的生物量；这必将引起植物凋落物向土壤的传输量的增大，从而提高土壤的有机质的输入量，其中一小部分保持未分解状态，导致生态系统中根密度增大、地下碳的分配量和储存量增加。有利于微生物分解有机碳，增加土壤微生物释放的CO2量。因此CO2勺浓度升高可以增大有机质对土壤碳库的输入，但同时

21、也可能通过促进土壤呼吸而促进CO2勺排放，加速地下碳的损失。4）在湿润的生态系统，或有干湿交替季节变化的比较湿润的季节中，降水事件对土壤呼吸可能产生明显的抑制现象；而在干旱的生态系统，或干湿交替季节变化的比较干旱的季节里，降水事件可能会强烈的激发土壤呼吸。降水一方面是土壤水分最主要的来源，另一方面也会促进地上有机残体随之向下运输，使之成为土壤呼吸最总要的有机质。降水过程往往使土壤水分在短期内迅速增加，土壤的通透性、土壤溶液中可溶性和有机质浓度等土壤理化性质也会发生相应的变化，而且不同植物根系和不同微生物对这些变化做出的反应可能各不相同，降水的不同形式及其强度的大小、历时的长短等都不可避免的要对

22、土壤C02勺排放速率产生或大或小的影响。（5）氮沉降。大部分温带生态系统中植物的生产力大部分是受氮的限制，同时输入氮会增强净生产力。一方面氮输入可能会促进微生物的分解，增强土壤的呼吸，促进可变碳的转移。另一方面，在森林生态系统中长期氮沉降会使土壤中植物木质素的溶解酶活性减少，从而降低土壤的呼吸作用。土壤呼吸受抑制的可能的原因（1）根系活性下降。因为微生物优先利用SOh中短期活性组分，根际沉积的分泌物可被微生物迅速利用，地上和地下凋落物的减少/损失将降低微生物对土壤呼吸的贡献。（2）活性真菌生物量及酶活性的降低。施氮样地真菌生物量显著低于对照。酚氧化酶是一种由白腐菌产生的木质素降解酶。施氮降低了

23、酚氧化酶的活性。微生物群落的变化可能改变酶的生成和分解的有效性，降低土壤呼吸速率。3 ）土壤酸化。施氮样地土壤硝化速率加快，一方面导致土壤pH值降低，另外土壤中输入可产生质子的NH4也可降低土壤微生物活性。试论数学模型在生态系统研究中的作用和问题，并描述数学模型构造和应用的一般过程？你认为今后模型发展的方向如何？作用：1由于人们无法在地区和全球尺度上进行直接和全面的全球变化的相关观测和布局控制试验，因此利用模型进行模拟估算已成为生态学，尤其是全球变化生态学研究的一种重要而广泛应用的研究方法，即通过模型的模拟外推将一些实验点上所得到的生态学假设演绎到地区乃至全球的范围，已成为实现多尺度转换和预测

24、预报的重要工具.4 模型能使一个十分复杂的系统简化地被了解，并能预测它的未来。5 .可以对不同尺度、不同区域范围的生态系统加以数学模型的模拟。6 .通过与地面实测或观察数据比较来模拟正常情况下的系统行为；以一种简单但包含理过程的方式建立数学关系，便于阐明过程内部及过程之间的因果联系，从机理上进一步理解系统行为；整理和利用来自于实地和实验室研究的信息；研究较大时空范围内生态系统的行为，可以替代大规模的试验；预测系统对新情况的反应，为管理与决策提供支持。预测、增进理解、诊断、综合、支持管理与决策。7 基于生态过程的机理模型是认识和定量表达跨尺度相互作用的最有效方法，8 由于生态系统的复杂性，加上对生态系统中一些基本过程缺乏必要的了解，不同的模型往往以各种假设加以简化，从不同的角度进行模拟，各有侧重过程：1明确目标；2确定系统结构，进行总体设计；3建立数学模型；4模型检验；5灵敏度分析；6使用和实施识别估计检验。问题：1存在因时间和空间尺度的转换以及过程机理描述等方面的原因而产生较大的不确定性2经验模型的基本假设植被和物种在现在和将来都与气候处于平衡状态；气候变化后，植被和气候的关系不会发生改变；被选择的气候变量被认为对植被起着至关重要的作用，其他的次要相互关系没有考虑。假设只是假设，还不能被证明是否此种假设存在。3模型的普适