生态质量是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,具体表现为生态系统的状况、生产能力、结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。生态系统的质量是我国生态文明建设和生态环境监测的重要内容,多时空尺度观测技术的发展为生态系统质量监测与评价提供了新机遇,但同时也对国家尺度生态要素、生物多样性和生态功能的观测标准与技术规范提出了新的要求。本国家重点研发项目自2017年7月立项以来,围绕国家尺度生态质量监测技术与规范,开展了生态系统网络观测技术规范、台站生态要素监测、区域生物多样性和区域生态功能监测技术与规范的研究,在典型农林草湿地生态系统开展应用示范。项目在生态质量综合监测指标体系构建、生态系统研究网络观测技术、区域生物多样性和区域生态功能监测、基于无人机和机器学习的荒漠植被监测等方面取得了重要进展,促进了生态质量监测技术的发展。我们组织本专辑从不同视野集中系统介绍本项目已取得的生态质量监测技术和评价方法,以期促进生态学及其观测技术的发展。
准确监测中国南亚热带常绿林生态系统光合作用动态变化对全球陆地生态系统碳吸收估计及其对气候变化的响应至关重要。涡动协方差技术一直被认为是评估生态系统碳通量最直接的方法,虽然具有较高的时间分辨率,但在空间上有其自身的局限性。近10年,光谱观测和卫星遥感技术在植被生产力监测方面的应用大大提高了对碳通量的时空评估能力。本研究基于长时间序列光谱观测数据,提取叶绿素荧光指数（FRI）和光化学植被指数（PRI）,进而评价两个生理遥感指数跟踪亚热带常绿林光合作用季节动态变化的能力。结果表明,传统NDVI指数受光照条件影响较大（R2=0.88,p<0.001）,并呈现出饱和现象,而FRI和PRI指数则能较好地跟踪植物光和功能季节性变化,且在季节尺度上两者受光照条件的影响相对较弱（FRI指数R2=0.13;PRI指数R2=0.51）;相比PRI指数与光能利用效率（LUE）在午间具有较强的相关性,FRI指数与GPP的相关性则在早上优于午间时段;而这两种相关关系均在植被衰退季优于植被生长季。另外,通过考虑光合有效辐射因子,基于FRI指数监测GPP的能力得到显著提高,R 2从0.22提高到0.69,呈显著正相关关系（p<0.001）;同时,在植被衰退季也呈现出更强的相关性（R2=0.79,p<0.001）。研究成果表明,FRI和PRI两个生理遥感指数能够准确地监测亚热带常绿林光合作用季节动态变化,建议把其引入碳循环模型中以改进区域碳收支估计。
土壤温室气体排放是土壤与大气之间的温室气体交换的重要途径, 但对土壤温室气体排放动态变化的理解和收支水平的估算仍存在较大的不确定性。基于动态箱原位监测的高频、连续土壤温室气体通量数据,本研究初步检验了生物地球化学模型（Forest-DNDC）对长白山阔叶红松林（CBF）土壤CH4、CO2和N2O温室气体通量的模拟效果。结果显示,当前版本的Forest-DNDC可以反演得到土壤温度、土壤湿度和积雪等主要环境要素的总体变化趋势,但是对于环境要素季节变化的准确模拟尚存在较明显偏差,特别是在非生长季节。模拟得到的土壤CH4通量与监测结果相当接近,并且受到了土壤温度和积雪变化的显著调控。受温度变化的影响,模拟CO2通量的季节变化与测定值相似,均在夏季达到高峰,但模拟的土壤CO2排放量明显小于实际测定结果。与监测的土壤N2O通量在春季冻融期间出现排放高峰的变化显著不同的是,模拟土壤N2O通量主要受温度变化的影响,其最大值出现在夏季。因此,有必要结合更长时段的土壤温室气体监测数据,进一步优化模型参数与过程,特别是土壤水热传导和温室气体的产生过程等,为模拟改进和生态系统碳氮收支评估,以及从站点到区域的扩展提供支撑。
太阳辐射的动态变化对生态系统固碳有重要影响,而不同天气条件下太阳辐射的改变对森林净生态系统碳交换（NEE）的影响还不明确。本研究利用亚热带人工针叶林生态系统2012年的通量数据和气象数据,分析了晴天、多云、阴天三种天气对NEE的影响。基于一年数据的研究结果表明：在不同季节中,不同天气下光响应曲线的变化没有季节性差异。和晴天条件相比,多云条件下的表观量子效率（α）,150和750 W m-2光强下的潜在光合速率（P150和P750）分别平均提高了82.3%、217.7%、22.5%;阴天条件下的α和P150分别平均提高了118.5%和301%。中等辐射条件有利于NEE达到最大值,但低辐射条件对NEE有抑制作用。在大多数情况下,与晴天相比,多云下NEE的相对改变量（%NEE）为正,但阴天下为负。多云条件下最大%NEE的平均值在春夏秋冬分别为42.4%、34.1%、1.6%、-87.3%。本研究表明多云天气促进亚热带人工针叶林的潜在光合速率和NEE。
为了探究施氮对土壤有机质（SOM）的激发效应,本研究在施氮梯度样地（0、4和16 g N m-2 yr-1）上进行了13C标记葡萄糖的原位添加实验,并对土壤CO2排放量和磷脂脂肪酸（PLFA）含量进行了测定。研究发现施氮降低了土壤CO2排放、土壤PLFA含量以及土壤真菌细菌比。在0 g N m-2 yr-1样地上葡萄糖添加导致的正向激发效应最强,同时4 g N m-2 yr-1样地释放的葡萄糖来源的碳最多。因此,施氮减少了土壤中SOM转化产生的CO2,微生物碳的来源由SOM转变为添加的易分解碳。本研究采样早期土壤微生物生物量和群落结构稳定,表明该草原存在“表观激发效应”,因此未来研究应着重对微生物功能的多样性进行探讨。
为了探讨不同氮（N）添加条件下内蒙古典型草原土壤呼吸（Rs）动态特征及其影响因素。我们选取内蒙古典型草原样地,设置不同氮添加水平（0、2、4、8、16、32 g m-2 yr-1）,测定土壤呼吸及土壤温、湿度,土壤养分。结果表明：（1）氮添加不改变土壤呼吸的动态变化规律,其日动态与季节动态均呈单峰曲线;（2）氮添加降低了生长季的土壤呼吸,N2、N4、N8、N16和N32处理下的Rs分别比对照N0降低了24.00%、21.93%、23.49%、30.78%和28.20%,然而非生长季各个月份的土壤呼吸在不同氮梯度下均无显著差异;（3）土壤呼吸与土壤温度、湿度均呈显著正相关,温度和湿度分别可解释土壤呼吸速率的72%-97%变异和74%-82%变异。不同氮添加处理的土壤呼吸温度敏感性Q10在2.27-4.16之间,除N8处理下土壤呼吸Q10值略高于对照,其它氮添加水平均降低了Q10。
半干旱牧区天然打草场是北方牧区产量最高的草场,但由于长期连续打草,没有休闲机会,目前天然打草场普遍存在严重的退化,极大限制了天然打草场牧草的产量和质量,同时,我国天然打草场退化的空间分布及其退化程度的本底数据一直不清,主要原因之一与没有形成全国统一的、规范的评价标准有关。基于上述问题,本文采用层次分析法针对北方（温性草甸草原、温性草原、山地草甸、低地草甸为主）的草原区开展天然打草场退化评价指标的筛选与精度验证,研究明确了能够快速反映天然打草场退化的7项指标（平均高度、地上生物量、盖度、中型禾草比例、凋落物量、退化指示植物比例及裸斑、盐碱斑占地面比例）,采用5级级差法划定了各项指标的阈值范围,即平均高度25-80 cm,地上生物量480-2500 kg ha-1,盖度26%-98%,中型禾草比例10%-50%,凋落物量100-400 kg ha-1,退化指示植物比例0-11%,裸斑、盐碱斑占地面比例0-14%。研究结果有效解决了天然打草场退化分级评价的技术瓶颈,为天然打草场退化的科学评价提供理论依据,也对天然打草场可持续利用及畜牧业生产提供了重要技术支撑。
加速的城市化进程导致越来越多的耕地被占用,在耕地资源供给不足情况下高质量的农田受到巨大威胁,进而可能对中国粮食安全构成威胁。尽管已对中国耕地质量的空间格局进行了评估,但其随时间变化的情况未见报导。本研究利用MODIS的净初级生产力产品（MOD17）数据,基于发展的累积概率分布法确定耕地质量标准,以2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年三期基于Landsat遥感的土地利用变化（LUCC）数据,得到低、中、高质量农田的空间分布,定量分析城市化占用耕地的数量和质量。结果表明,城市化占用耕地面积占耕地减少总面积的比例由2000-2005年的47.29%增加到2010-2015年的77.46%。2000年,中国耕地质量以中低产田为主,分别占全国耕地面积的40.81%和48.74%,高产田仅占10.44%。随着建设用地规模的扩大,城市化占用高产田面积在全国耕地面积中的比例从2000-2005年的9.71%上升到2010-2015年的15.63%,高产田受到严重威胁。从空间上看,该现象已由华东、华南向中西部地区转移,尤其是西北地区,其2010-2015年建设占用耕地面积中,高产田达到52.97%。本研究不仅提供了一种评价耕地质量的方法,同时揭示了城市化进程占用高质量耕地的趋势。未来占用高质量农田的趋势可能会持续,必须构建以振兴乡村为主的新型发展模式,可能是缓解土地资源紧缺情况下城市化和粮食安全矛盾的可选途径,值得土地利用规划和政府决策给予重视。
农作物秸秆还田作为农田土壤和养分管理的推荐做法之一,对于土壤有机碳（SOC）固定和CO2减排具有重要意义。本研究利用环境政策综合气候模型（EPIC）模拟了4种作物秸秆还田情形下2001年至2010年中国农田表层土壤有机碳变化及其空间格局。模拟结果显示,秸秆完全移除（CR0%）下的土壤有机碳损失为28.89 Tg yr-1,当前30%的秸秆还田（CR30%）能够减缓22.38 Tg C yr-1的碳损失。若秸秆还田率从30%提高至50%（CR50%）乃至75%（CR75%）,中国农田表层土壤将变为净碳汇。中国农田表层土壤固碳潜力在CR50%和CR75%情形下分别可达25.53 Tg C yr-1和52.85 Tg C yr-1,且在不同农业区存在空间异质性。单位面积土壤固碳潜力在西北和华北地区最高,而华东最低。华北地区具有最高的区域固碳潜力。在这十年间,CR50%和CR75%情形下增加的土壤表层有机碳相当于减少了1.4%和2.9%的中国CO2排放总量。总之,我们建议鼓励我国农民将原本直接焚烧或用作家用燃料的秸秆返还田间以改善土壤性质和减缓大气CO2增加,尤其是华北地区更应推行这一举措。
荒漠生态系统是地球上最大的陆地生态系统,全球四分之一的人口生活在这一区域。清晰地定义荒漠生态系统生态质量,制定反映生态质量优劣的关键监测指标,集成“星-空-地”一体化监测技术、构建综合评价模型可为干旱区生态质量监测、促进区域可持续发展提供技术支撑。荒漠生态质量是指一定时空范围内荒漠生态系统要素、结构和功能的综合特征。该研究通过集成卫星、无人机和地面传感器网络的“星-空-地”一体化监测技术,在区域和站点两个尺度上对荒漠生态系统的生态要素、生物多样性和生态功能进行连续监测,通过标准化生态质量指标数值、厘定其阈值范围,构造判断矩阵建立生态质量综合评价模型,评价荒漠生态系统质量状况。本论文阐明了构建荒漠生态质量动态综合监测技术规范与评价方法的概念框架,为实现我国荒漠生态系统生态质量综合监测、科学诊断和定量评估提供理论基础。
降雨事件使土壤水分快速变化从而引起土壤微生物会产生强烈而又快速的脉冲效应,是自然界中普遍存在的现象,该过程对土壤有机质周围具有很重要的作用。然而,由于传统测定技术的限制,土壤微生物如何快速利用新输入的有机质,以及温度是否影响其过程,依然不甚了解。本研究运用自主研发的全自动变温土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置,以中国北方暖温带针阔混交林样地土壤为对象,通过设置了7、10、15、20、25°C五个温度梯度,探讨了模拟降水脉冲事件中,在分钟尺度上和不同温度状况下土壤呼吸速率和δ13C值。实验结果表明,葡萄糖呼吸速率（Rg）、土壤有机质呼吸（Rs）、土壤总呼吸速率（Rt）均为呈现出单峰曲线,而且这些曲线的特征值,例如呼吸速率最大值、到达最大值的时间,以及最大值到1/2最大值的持续时间,都与培养温度密切相关,意味着温度直接控制着降水脉冲事件中微生物对新输入碳的使用策略。温度会影响了土壤微生物对不同碳源的利用策略,将对评价土地利用变化或季节温度变化对土壤有机质分解的影响具有重要意义,甚至在未来生态模型中也应考虑这种温度效应。
蒸散是地球水循环的关键驱动因子,是地表水平衡和能量平衡的重要分量,因而也体现生态系统水文调节局地热调节功能;青藏高原是长江和黄河等重要河流的发源地,该区域水量平衡对区域生态安全具有重要意义。本文对全球尺度发展的遥感蒸散双源模型ARTS,利用涡度相关观测数据进行验证和评价,以空间插值的气象数据,卫星遥感的FPAR和LAI等驱动模型,估测1982-2014年间青藏高原实际蒸散ET,分析其年际和季节动态变化特征,并采用敏感性分析法和多元线性回归分析计算各气象因子变化对蒸散量变化的贡献率,探讨影响青藏高原蒸散量变化的主导因素。结果表明：（1）估测值能解释观测值季节变化的80%以上（复相关系数R2 = 0.80,显著性水平P < 0.001）,表明模型具有较高的估算准确度。（2）近30多年全年、春、夏和秋季影响蒸散年际变化呈显著增加趋势;但变化趋势存在显著的区域分异,全年或夏季藏南河谷地区呈显著降低趋势（每10年降低20 mm以上）,而阿里、拉萨河谷、青海海北地区则为增加趋势（每10年增加10 mm以上）。（3）敏感性分析和多元线性回归分析均表明,年际变化趋势的主导因素是气候变暖,其次是降水的不显著增加;但植被变化的影响也较大,与气候因子共同能够解释蒸散趋势的56%（多元线性回归方程R2 = 0.56, P < 0.001）;低覆盖草地多年蒸散分别是高、中覆盖度草地的26.9%和21.1%。青藏高原在显著变暖、不显著变湿的气候变化背景下,地表蒸散的增加必以冰川融水为代价而威胁区域生态环境安全,如何保护生态,维持区域社会可持续发展是难题和巨大挑战。
生态系统服务具有空间异质性和时间变异性,这导致服务功能间的权衡、协同和中立。权衡是生态系统管理及最优化决策研究中的关键问题之一。本文综述生态系统服务间权衡识别方法,并对未来生态系统服务模型发展提出建议。主要结论：（1）生态系统服务评估基于定量化指标及其模型模拟;（2）生态系统服务权衡分析多以相关性为主,情景分析、多目标分析、生产可能性边界成为生态系统服务权衡决策的有效手段;（3）未来研究需加强生态系统服务供需流、辅助决策的生态系统制图等。最后,应该集成模型以模拟和诊断情景,优化土地和生态系统管理不同措施,实现区域可持续发展。
