中科院 生态系统水碳氮循环与通量观测原理与技术

合集下载

亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展

亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展

展 [1]. 研究地球系统的碳循环过程和控制机理 , 评价 陆地生态系统对温室气体的吸收或排放能力 , 分析 全球碳源 /汇的时 -空分布特征 , 预测未来的气候变化 趋势和评价生态系统碳循环对全球变化的响应与适 应特征, 是现代地球系统科学、生态与环境科学关注
2004-07-14 收稿 , 2004-11-01 收修改稿 * 国家重点基础研究发展规划项目 (编号 : G2002CB412501)和中国科学院知识创新工程重大项目 (编号: KZCX1-SW-01-01A)共同资助 ** E-mail: yugr@
中国科学 D 辑 地球科学 2004, 34 (增刊Ⅱ): 15~29
15
亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展*
于贵瑞
①**
张雷明
①②
孙晓敏

李正泉
①②
伏玉玲
①②
(① 中国科学院地理科学与资源研究所, CERN 综合研究中心, 北京 100101; ② 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要
[5] [4] [1]
与生态系统类型上的分布并不均衡 . 按地带性划分 , 26 个站点分布在温带地区 , 约占总数的一半 . 按生 态系统类型划分 , 30 个集中在森林 , 农田观测站点 也大部分集中于稻田 . 由此可见 , 现有的站点还远 远不能覆盖各区域的主要生态系统类型 , 还需要不 断增加观测站点的数量 , 增强观测站点的区域和生 态系统的代表性 , 以准确评价亚洲区域的陆地生态 系统碳源、 汇强度 . 近年来 , 中国的通量观测保持了 很好的发展势头 , 中国林业科学院和国家气象局都 在启 动 一定 规模 的 通量 观测 研 究计 划 ( 个 人 交流 ), 将为发展亚洲地区的通量观测事业起到进一步的推 动作用 . 值得关注的是 , 亚洲区域的一些卫星遥感 和环境监测方面的大型研究计划正在与通量观测研 究网络密切配合 (图 1), 这无疑会极大地提高通量观 测研究网络的综合研究能力 , 拓宽观测成果的应用 领域 . 本文重点评述了亚洲地区在通量观测设备研发、 观测技术改进、 典型生态系统 CO2 通量特征及环境控 制机理和生态系统碳循环模型模拟等研究领域所取 得的重要进展 , 并探讨了亚洲地区通量观测研究所 面临的主要科学问题、解决途径和新的区域合作机 制.

碳氮循环变化特征及驱动机制_概述说明以及解释

碳氮循环变化特征及驱动机制_概述说明以及解释

碳氮循环变化特征及驱动机制概述说明以及解释1. 引言1.1 概述碳和氮是地球生态系统中两个重要的元素循环。

碳氮循环的变化特征及其驱动机制对于理解全球变化、生物地球化学过程和环境保护具有重要意义。

本文旨在综述碳氮循环的变化特征及其驱动机制,并分析其变化模式和影响因素。

1.2 文章结构本文共分为以下几个部分:第一部分为引言,主要介绍研究背景、目的和文章结构;第二部分将详细讨论碳氮循环的变化特征,包括碳循环与氮循环的不同方面;第三部分将探讨碳氮循环的驱动机制,包括外部驱动因素和内部驱动因素;第四部分将进行变化模式与影响因素分析,探究碳氮循环的具体模式和主要影响因素;最后一部分是结论,总结目前研究成果并展望未来研究方向。

1.3 目的研究人员对于碳氮循环变化特征及其驱动机制进行了广泛研究。

本文的主要目的是通过对相关研究成果的整理和分析,深入了解碳氮循环的变化特征以及推动其发生变化的驱动机制。

同时,本文力求提供对于未来研究方向的展望和建议,以促进更好地理解和保护碳氮循环。

2. 碳氮循环变化特征:2.1 碳循环变化特征:碳是地球上最常见的元素之一,它在生物圈、大气圈、海洋和陆地等多个系统中循环。

碳的变化特征主要包括不同储存库之间的交换以及碳吸收和释放过程的速率。

其中,全球二氧化碳(CO2)浓度呈增长趋势,主要原因是人类活动导致的燃烧排放和森林砍伐等行为释放了大量CO2。

此外,碳还通过植物光合作用、生物降解和土壤有机质分解等方式进入陆地生态系统,并通过呼吸、腐解和溶解等途径返回大气和水体。

2.2 氮循环变化特征:氮是构成细胞核酸、氨基酸和蛋白质等生物分子的重要元素,对维持生态系统功能至关重要。

与碳循环相似,氮也在不同储存库之间进行交换,并通过一系列微生物介导的转化过程在不同形式之间进行转换。

全球氮输入主要来源于农业施肥和化石燃料燃烧释放的氮氧化物。

然而,过量的氮输入会导致水体富营养化和土壤酸化等环境问题。

综上所述,碳和氮在生态系统中的循环变化特征受到了多种因素的影响,包括自然因素和人类活动。

湖泊生态系统氮循环途径及发生条件分析

湖泊生态系统氮循环途径及发生条件分析

湖泊生态系统氮循环途径及发生条件分析【摘要】湖泊生态系统中的氮循环是一个复杂的过程,涉及到氮的来源、转化、去除等多个环节。

本文通过对湖泊生态系统氮循环途径及发生条件的分析,揭示了氮在湖泊中的重要性和影响。

氮来自于氮的固氮、氨氮、硝酸盐等形式,通过藻类的光合作用和微生物的分解作用进行转化,最终被沉积或通过植物的吸收进行去除。

氮的循环过程受多种因素的影响,包括氧气、温度、pH值等。

深入研究湖泊生态系统氮循环的重要性,有助于加强湖泊管理和保护,并为未来的研究提供重要的方向和理论支持。

【关键词】湖泊生态系统、氮循环、来源、转化、去除、发生条件、重要性、研究方向1. 引言1.1 研究背景湖泊是地球上重要的淡水生态系统,拥有丰富的生物多样性,为生态平衡和人类生活提供了重要的服务。

氮是生物体中不可缺少的元素之一,它在湖泊生态系统中扮演着重要的角色。

随着人类活动的不断增加,湖泊生态系统氮循环受到了严重的破坏,导致了水体富营养化、蓝藻水华等问题的出现。

研究表明,湖泊生态系统中氮的循环过程十分复杂,涉及到多种生物和非生物因素的相互作用。

了解湖泊生态系统中氮的来源、转化和去除过程,对于有效保护湖泊生态系统的稳定性具有重要意义。

本文旨在探讨湖泊生态系统中氮循环的途径及发生条件,为进一步研究和保护湖泊生态系统提供理论基础和参考。

通过深入了解湖泊生态系统中氮的循环规律,可以为湖泊生态环境的保护和修复提供科学依据和技术支持。

1.2 研究目的湖泊生态系统氮循环是一个复杂的过程,对于湖泊的生态平衡和水质有着重要的影响。

本文旨在通过对湖泊生态系统氮循环途径及发生条件的分析,深入探讨湖泊氮循环的机制和规律,为湖泊生态环境保护与管理提供科学依据。

1. 分析湖泊生态系统氮循环的整体情况,揭示氮在湖泊系统中的来源、转化和去除过程,探讨氮在湖泊中的循环路径。

2. 探讨湖泊生态系统中氮的来源,包括氮的输入通道和主要来源物质,分析不同来源对湖泊水质的影响。

第九讲_碳交换_

第九讲_碳交换_
空气中CO2含量增加至1%左右时可显著改善光合作用 空气中所含高浓度的O2(21%)是导致光呼吸的主要因素
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
4. 空气
CO2补偿点
净光合速率随CO2浓度的下 降而下降,当净光合速率下降 到0时的CO2浓度称为CO2补 偿点。
净光合速率andnraa??leaf暗呼吸与温度有关可以使用arrhenius方程模拟碳的固定过程与光合作用光合作用生化模型模型考虑的因素??????????i????minminmaxlciettccvvffjjtcijfjaa吸收的par可以来自于对辐射的观测中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络cern水分分中心袁国富mlslcimcvtfj胞间co2浓度决定于气孔对空气co2的传输能力叶片温度取决于气孔对水汽交换潜热的传输能力和叶片表面能量平衡过程lcitcfa?这一模型仍然没有考虑水分胁迫对光合作用过程的影响碳的固定过程与光合作用冠层尺度的光合模型二叶模型将单叶的光合速率扩展到整个冠层方法
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
3. 水
一般通过光合作用每形成1g有机物约需0.6g水。但实际上在 进行光合作用时,植物消耗的水分远大于这个数值,这些水 分是被蒸腾作用消耗掉的。
蒸腾系数:植物蒸腾掉的水分重量与光合固定的有机物重量 的比值称为蒸腾系数。
光强太高时,光合机构还会 受到破坏
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系

第九讲_碳交换_

第九讲_碳交换_
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用
光合作用与环境因子的关系
4. 空气
CO2补偿点 净光合速率随CO2浓度的下
降而下降,当净光合速率下降 到0时的CO2浓度称为CO2补 偿点。
CO2饱和点 净光合速率不再随CO2浓度
升高而升高时的CO2浓度。在 自然条件下,这种情况很难达 到。
Calvin循环的三个过程
1) 羧化作用
2) 还原作用
3) RuBP的再生
再生
羧化 还原
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合过程
4. 碳同化过程——Calvin Cycle 羧化作用
由RuBP羧化酶(Rubisco) 催化,将CO2加到RuBP 的C-2上,形成中间产物 2-羧基-3-酮基核糖醇1,5-二磷酸,然后水解为 两个分子的3-PGA(3-磷 酸甘油酸)
光强太高时,光合机构还会 受到破坏
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用
光合作用与环境因子的关系
1. 光
光饱和点: 植物的叶片的光合速率随着光照强 度的增加而增加,当光合速率不再 随着光强而增加时的光照强度称为 光饱和点
光补偿点: 当植物的光合速率与呼吸速率相等 时的光照强度称为光补偿点
光补偿点
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
1. 光
根据C3植物和C4植物 在碳同化中机理的差 异,可以发现C4植物 有比C3植物有更强的 光合能力,它的光饱 和点很大甚至没有。

中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制

中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制

项目名称:中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制首席科学家:于贵瑞中国科学院地理科学与资源研究所起止年限:2010年1月-2014年8月依托部门:中国科学院一、研究内容(一) 拟解决的科学问题本研究的核心科学目标是:分析生态系统碳、氮、水通量的年际变异及其相互平衡关系;揭示典型森林和草地生态系统碳氮水耦合循环对环境变化的区域响应机制;研发新一代基于多尺度-多源数据融合的陆地生态系统碳氮水循环耦合模型;综合评价我国及东亚地区陆地生态系统碳收支的时空格局及其对未来气候变化和人类活动的响应。

本研究工作的核心任务是:评估我国陆地生态系统碳源/汇强度、空间格局及变化趋势,阐明我国主要生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高、降水变化和氮沉降增加的区域响应机制,为国家的温室气体管理提供科学依据。

为实现上述的目标和核心任务,必需解决以下两个关键科学问题,发展一套关键方法论体系,它们的逻辑关系如图1所示。

集成研究:中国区域生态系统碳源汇的时空格局与温室气体管理图1. 本研究所关注的核心科学问题与方法论体系的逻辑关系1. 生态系统碳-氮-水通量组分的相互平衡关系及其影响机制陆地生态系统碳、氮、水循环包含诸多复杂过程,它们不仅在土壤、植被、大气界面之间存在着错综复杂的相互作用关系,而且碳、氮、水循环之间具有相互制约的耦合关系,由此可以推断生态系统碳氮水通量组分之间存在着可计量的相互平衡关系。

因此,研究生态系统碳氮水通量组分生态化学计量平衡关系及其环境影响机制是揭示碳氮水通量的季节和年际变异规律、阐明陆地生态系统增汇潜力、降低全球碳平衡预测的不确定性必须解决的科学问题,是本研究项目的难点与挑战。

2. 生态系统碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的响应和适应人类活动导致的大气氮沉降增加、温度/降水的空间格局和时间分配的改变,正在严重影响生态系统碳、氮、水循环过程以及各种通量组分间平衡关系和陆地生态系统碳源/汇强度。

中科院-生态系统水碳氮循环与通量观测原理与技术

中科院-生态系统水碳氮循环与通量观测原理与技术

2.7尺度Scale
• 在不同现象,分析和取样上,尺度被用作以上提及的 六个概念的同义词,还有一些其他相关定义被使用。
• 虽然尺度这一词汇的使用纷繁复杂而混乱不堪,但是 我们强调与以下三者具有联系。
1)被研究现象的结构和过程。(即存在空间尺度,也 存在时间尺度。)
2)取样方案和统计分析应该被分开考虑。(就是说 sampling和analysis的尺度是相互分离而不相互混淆的)
4.1.1美国矮桦Betula glandulosa
样线法 记录分布位置 和覆盖度
Yukon,Canada
1001个0.1×0.1m2的连续样方
4.1.2白刺果豚草Ambrosia dumosa
Joshua Tree National Park,America
样地为100×100 m2 取样样方为5×5 m2 记录分布位置
ECNU
1.2尺度概念--种类
现象(phenomenon) 尺度 观测(observational) 尺度
分析(analysis) 尺度
1.2.1现象尺度
27*27 cm
格局的空间特征:
斑块大小(tile size) 种间间距(phase lag) 现

尺 度
过程的空间特征: 行动的范围
(range of action)
• 在支撑(Support)任何一个特征上的某个改 变,都将新定义一个变量。
• 取样单元一旦改变,两组即便是同一属性的测 得变量也必然是截然分开的不同变量。
2.6比例尺Cartographic ratio
• 当数据被提出或存储为地图时,存在一个 地图上的距离所代表现实世界真实距离的 比值。
• large scale ≠ large extents

全球碳循环(中科院延晓东PPT)

全球碳循环(中科院延晓东PPT)

Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
内容提要
1 2 3 4 5 6 7 8 9 温室效应与全球碳循环 missing carbon sink 陆地生态系统与全球碳循环 陆地生态系统与全球碳循环 海洋与全球碳循环 环境因素与碳循环 全球碳循环模型 《京都议定书》 中国的碳收支 未来全球碳循环展望
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
1 温室效应与全球碳循环:大气中CO2浓度上
升是地球变暖的主要原因
没有二氧化碳浓度上升
Regional Center
Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
主要参考文献: Houghton,J.T. et al. 2001. Climate Change 2001, The Scientific Basis, Cambridge.
方精云等 2000。全球生态学,高等教育出版社。
Regional Center
Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
温室效应与全球碳循环:CO2浓度上升的主要原 因-未来化石燃料燃烧和人类活动排放
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

Chap. 5
22
Light response curve of photosynthesis
Chap. 5
23
Light use efficiency
• Efficiency of using light to fix carbon
– Same thing as light response curve
Chapter 5 Carbon Input to Terrestrial Ecosystems
Part II Mechanisms Chapin, Matson, Mooney Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology
Chap. 5
1
1. Introduction
Chap. 5
32
Shade intolerant species saturate at relatively high levels of photon flux density, while shade tolerant species saturate at relatively low levels of photon flux density.
Chap. 5
2
Carbon inputs to ecosystems
• Process: photosynthesis • Importance
– Energy that drives all biotic processes – Accounts for half of organic matter on Earth
• Nearly constant in C3 plants at low light (about 6%)
– i.e., linear portion of light response curve is same in all plants – Known as quantum yield of photosynthesis
• Carboxylase
– Reacts with CO2 to produce sugars – Leads to carbon gain
• Oxygenase
– Reacts with oxygenase to convert sugars to CO2 – Respires 20-40% of fixed carbon – Photo-protection mechanism
Chap. 5
30
Leaf area determines light environment
• Light declines exponentially within canopy
Chap. 5
31
Species that are adapted to growing at reduced light intensities, which are referred to as shade tolerant species (e.g. sugar maple, hemlock, beech), generally have lower compensation points and levels of light saturation than shade intolerant species like the aspens and many pines.
– Mechanisms same as for acclimation
Chap. 5 26
Chap. 5
27
Left-hand side: sun and shade leaves of maple top-right: leguminous tree of arid regions bottom-right: extreme shade-adaptation in the lower part of the rain forest (focusing cells, very large substomatal cavity)
Chap. 5 38
Leaf nitrogen determines photosynthetic capacity
Chap. 5
39
Chap. 5
40
Stomatal conductance adjusts to match photosynthetic capacity (or vice versa)
– Converts light into chemical energy
• Carbon fixation reactions
– Uses chemical energy to convert CO2 into sugars
Chap. 5
9
Chap. 5
10
Rubisco can gain or lose carbon
• Adjustment of photosynthetic capacity to soil resources • Adjustment of stomatal conductance • Adjustment of leaf area • Change in species composition
– Maintain highest Ps capacity at top of canopy – Shed leaves that don’t maintain positive carbon balance
Chap. 5
34
3.3 Direct Controls
Chap. 5
35
Chap. 5
Chap. 5
3
Gross Primary Production (GPP)
• Net photosynthesis at the ecosystem scale
Chap. 5
4
GPP is C input toPhotosynthesis
• Levels of control
• Light limitation • Enzyme limitation
Chap. 5
20
CO2 response curve of photosynthesis
Chap. 5
21
3.2 Light Limitation
• Leaves adjust stomatal conductance and photosynthetic capacity to maximize carbon gain in different light environments.
6
Over long time scales (a year) indirect controls predominate
Chap. 5
7
2. photosynthetic pathways
Chap. 5
8
Two major sets of reactions
• Light-harvesting reactions
Chap. 5 11
Chap. 5
12
Chap. 5
13
3 photosynthetic pathways
• C3 photosynthesis • 2 other pathways (see textbook)
Chap. 5
14
Chap. 5
15
Chap. 5
16
Creates high conc of CO2
Chap. 5
28
Mechanisms of adjusting to variation in light
• Other neat tricks
– Maximize leaf area
• More leaves • Thin leaves (shade) or cylindrical leaves (sun)
Chap. 5
17
How homoihydric plants can live in very dry places: CAM photosynthesis
Chap. 5
18
3. Net Photosynthesis by Individual Leaves
Chap. 5
19
3.1 Basic principle of environmental control
Chap. 5
41
Leaf longevity is a major factor determining photosynthetic capacity Inevitable tradeoff between photosynthesis and leaf longevity Long-lived leaves contain lots of non-photosynthetic compounds Herbivore protection Desiccation resistant
– Controls in individual leaves – Control by canopy processes
• Controlling factors
– Direct controls: light, CO2 – Indirect controls: water, nutrients
Chap. 5
36
Some plants alter photosynthetic capacity in response to changes in CO2
Chap. 5
37
Vegetation adjusts photosynthetic capacity and leaf area to balance availability of soil resources
相关文档
最新文档