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绪论 于贵瑞1

第1章 全球变化与全球环境问题研究概论 于贵瑞，王秋凤，牛栋，温学发5

1.1 全球环境问题与全球变化的概念框架6

1.1.1 全球环境问题的概念6

1.1.2 全球环境问题与全球变化研究6

1.1.3 全球变化与环境问题的主要内容8

1.2 全球变化研究的国际间合作机构12

1.2.1 联合国的相关机构12

1.2.3 经济合作与发展组织(OECD)14

1.2.2 世界气象组织(WMO)14

1.2.4 国际卫生组织(WHO)15

1.2.5 国际能源组织(IEA)15

1.2.6 国际科联(ICSU)15

1.2.7 国际社科联(ISSC)16

1.2.8 政府间气候变化专门委员会(IPCC)16

1.2.9 其他的国际组织或非政府组织(NGO)16

1.3 全球环境变化研究的主要国际科学计划17

1.3.1 世界气候计划(WCP)与世界气候研究计划(WCRP)18

1.3.2 全球环境变化的人文因素计划(IHDP)19

1.3.3 国际生物圈计划(IBP)和人与生物圈计划(MAB)20

1.3.4 国际地圈生物圈计划(IGBP)21

1.3.5 全球生态系统与全球变化综合观测系统22

1.3.6 其他的相关科学计划25

1.4 全球环境变化相关的国际公约26

1.4.1 生物多样性公约26

1.4.3 国际湿地公约27

1.4.2 联合国防治沙漠化公约27

1.4.4 保护世界文化与自然遗产公约28

1.4.5 保护臭氧层公约29

1.4.6 《联合国气候变化框架公约》与《京都议定书》31

1.5 全球变化研究的成就与中国的研究概要34

1.5.1 全球变化研究的成就34

1.5.2 中国全球变化研究概要36

1.5.3 中国全球变化研究未来展望39

参考文献41

第2章 全球气候变化与陆地生态系统碳循环 于贵瑞，温学发，王秋凤，牛栋，李海涛43

2.1 大气温室气体浓度变化与全球变暖44

2.1.1 大气温室气体浓度的变化44

2.1.2 全球变暖的基本趋势与温室气体的贡献49

2.2 全球气候变化对自然生态系统和社会经济系统的影响52

2.2.1 全球气候变化对陆地生态系统的影响53

2.2.2 全球气候变化对农业生态系统的影响57

2.2.3 全球气候变化对社会经济系统的影响59

2.3 全球碳循环与陆地生态系统的碳收支60

2.3.1 全球各圈层的碳蓄积量61

2.3.2 陆地植被和土壤的碳蓄积量与空间格局62

2.3.3 全球碳循环与循环通量63

2.4 全球碳循环与碳平衡研究中的科学问题66

2.4.1 未知碳汇与陆地生态系统碳源汇格局问题66

2.4.2 人类活动对全球碳循环的影响问题67

2.4.3 全球碳循环通量与收支评价的不确定性问题68

2.4.4 全球碳源汇的时空格局与未知碳汇问题70

2.4.6 未来全球碳循环的可能动态问题71

2.4.5 碳循环动态的控制与反馈机制问题71

2.4.7 CO2施肥效应和土壤有机碳动态平衡问题72

2.5 碳循环研究的方法与国际相关科学计划73

2.5.1 碳循环研究的方法73

2.5.2 陆地生态系统碳循环研究的国际科学计划78

参考文献88

第3章 陆地生态系统碳蓄积的基本过程 王绍强，齐华，于贵瑞97

3.1.1 地球生态系统的碳库与碳循环98

3.1 地球生态系统碳循环概要98

3.1.2 陆地生态系统与生物圈内的碳循环过程100

3.1.3 海洋生态系统的碳循环过程103

3.1.4 地球碳循环过程的历史变化106

3.2 植被光合作用、生产力形成与生态系统的碳固定109

3.2.1 光合作用的碳固定机理109

3.2.2 限制光合作用碳固定的内部因素110

3.2.3 限制光合作用碳固定的外部环境因素113

3.3 呼吸作用与生态系统的碳排放115

3.3.1 植物呼吸作用机理115

3.3.2 影响植物呼吸作用的因素117

3.4 凋落物分解与腐殖质化119

3.4.1 凋落物类型和特性119

3.4.2 凋落物分解121

3.4.3 凋落物腐殖质化122

3.5 土壤有机碳的动态平衡123

3.5.1 土壤有机碳的动态平衡过程123

3.5.2 土壤有机碳动态平衡方程125

3.5.3 土壤有机碳动态平衡的基本特征127

3.5.4 土壤有机碳蓄积的潜力与决定因素130

参考文献132

第4章 森林生态系统碳循环与碳蓄积 李海涛，沈文清139

4.1 森林生态系统碳循环与碳蓄积研究的历史回顾140

4.1.1 森林生态系统碳循环与碳蓄积研究的意义140

4.1.2 世界森林生态系统碳循环与碳蓄积研究概况141

4.1.3 中国森林生态系统碳循环与碳蓄积研究概况146

4.1.4 森林生态系统碳平衡的估算与评价149

4.2.1 森林生态系统碳循环与碳蓄积过程的空间特征150

4.2 森林生态系统碳循环与碳蓄积过程特征150

4.2.2森林生态系统碳循环与碳蓄积过程的时间特征153

4.3 影响森林生态系统碳循环与碳蓄积的因素与作用机制155

4.3.1 土地利用方式155

4.3.2 森林凋落物155

4.3.3 气候因素156

4.3.4 森林类型157

4.4 森林生态系统碳蓄积的研究方法157

4.4.1 测树学方法157

4.4.3 模型估算方法159

4.4.2 气体交换方法159

4.5 森林生态系统碳蓄积量的空间格局160

4.5.1 世界森林碳蓄积格局160

4.5.2 中国森林碳蓄积格局168

4.6 森林生态系统的碳蓄积研究展望169

4.6.1 历史研究和数据库建设169

4.6.2 森林生态系统碳蓄积的地带分异规律169

4.6.3 森林生态系统碳蓄积与全球气候变化的相互关系170

参考文献171

4.6.4 遥感和地理信息系统技术的应用171

第5章 草地生态系统碳循环与碳蓄积 樊江文，钟华平，石培礼，梁飚180

5.1 草地生态系统碳循环研究历史与意义181

5.1.1 对草地碳循环认识的历史181

5.1.2 草地生态系统碳循环研究182

5.2 草地生态系统碳循环与碳蓄积过程特征182

5.2.1 草地生态系统碳循环过程特征182

5.2.2 草地生态系统生产力与碳储量185

5.2.3 草地生态系统碳蓄积的影响因子187

5.3 影响草地生态系统碳循环与碳蓄积的因素与作用机制187

5.3.1 草地生态系统类型转化对碳蓄积与碳排放的影响187

5.3.2 放牧利用对草地生态系统碳循环与碳蓄积的影响189

5.3.3 草地土壤有机碳的变化189

5.3.4 草地立枯、凋落物与分解190

5.3.5 草地土壤呼吸与碳排放191

5.3.6 草食动物的碳摄取191

5.3.7 草食动物的碳蓄积192

5.3.8 草食动物的碳排放193

5.4.1 全球草地植被在陆地生态系统的地位195

5.4 草地生态系统碳蓄积量的时空格局195

5.4.2 草地植被类型与碳蓄积特点196

5.4.3 全球草地植被碳蓄积格局198

5.5 草地生态系统碳蓄积与碳循环的研究方法199

5.5.1 生理生态研究方法199

5.5.2 反演分析方法199

5.5.3 模型估算方法199

5.6.1 草地生态系统碳循环研究面临的主要问题200

5.6 草地生态系统碳循环与碳蓄积研究的问题与展望200

5.6.2 我国草地生态系统碳循环研究展望201

参考文献202

第6章 农田生态系统碳循环与碳蓄积 鲁春霞，谢高地211

6.1 农田生态系统碳循环与碳蓄积研究的历史回顾212

6.1.1 农田生态系统碳循环与碳蓄积研究的意义212

6.1.2 农田土壤碳储量的变化212

6.1.3 农作物的碳储量与转移214

6.1.4 农田生态系统碳循环过程的研究方法216

6.2.1 农田生态系统碳蓄积对全球陆地生态系统碳蓄积的贡献217

6.2 农田生态系统碳循环与碳蓄积过程特征217

6.2.2 农田生态系统的碳循环机制219

6.2.3 农田生态系统碳蓄积的格局特征221

6.3 影响农田生态系统碳循环与碳蓄积的因素与作用机制224

6.3.1 环境因子和农田管理措施的影响224

6.3.2 沙漠化对农田生态系统碳蓄积的影响226

6.3.3 土壤侵蚀对土壤碳库的碳蓄积影响227

6.3.5 全球变化对农田生态系统碳循环的影响228

6.3.4 土地利用变化和农田管理导致的碳排放228

6.4 农田生态系统碳蓄积量的估算方法229

6.4.1 农田生态系统碳蓄积量估算方法简介229

6.4.2 农田生态系统碳蓄积主要模型简介230

6.4.3 农田生态系统碳蓄积量的估算方法评述231

6.5 农田生态系统碳蓄积量的时空格局232

6.6 农田生态系统循环与碳蓄积研究问题与展望233

参考文献234

第7章 湿地生态系统的碳循环与碳蓄积 李海涛，沈文清241

7.1 湿地的类型与分类系统及其在生物圈碳库中的作用242

7.1.1 湿地类型的分类242

7.1.2 湿地在生物圈碳库中的作用243

7.2 湿地及水体生态系统碳蓄积量的估算方法245

7.2.1 通量测量方法245

7.2.2 遥感方法247

7.2.3 模型预测方法247

7.3.1 一个简化的湿地生态系统的碳循环过程248

7.3 湿地生态系统碳循环过程248

7.3.2 湿地土壤碳过程研究252

7.3.3 泥炭地及其他类型浅水型湿地的碳循环253

7.4 淡水水体类湿地的碳循环研究255

7.4.1 湖泊生态系统255

7.4.2 水库生态系统258

7.5 湿地及水体生态系统碳蓄积过程对环境变化的响应259

7.5.1 影响水体和湿地碳动态的因素260

7.5.2 气候变化对湿地和水体的潜在影响262

7.5.3 大气中二氧化碳浓度升高对湿地的直接影响264

7.6 湿地生态系统碳蓄积研究中的问题266

7.6.1 大气CO2浓度增加对湿地碳蓄积的影响267

7.6.2 湿地碳循环模型267

7.6.3 湿地生物地球化学循环268

7.6.4 数据库建立268

参考文献269

第8章 陆地生态系统土壤碳循环与碳蓄积 王绍强，于贵瑞275

8.1.2 土壤碳循环276

8.1.1 土壤碳循环与碳蓄积研究的意义276

8.1 土壤生态系统碳循环与碳蓄积研究的历史回顾276

8.1.3 土壤有机碳的蓄积277

8.2 土壤有机碳蓄积量的估算方法278

8.2.1 土壤碳通量估算方法278

8.2.2 土壤剖面有机碳统计方法279

8.2.3 土壤类型法281

8.2.4 生态系统类型和生命地带法282

8.2.5 模型方法284

8.2.6 相关关系统计法285

8.3 全球土壤有机碳蓄积量的时空格局286

8.4 全球土壤有机碳蓄积潜力及其对环境变化的影响289

8.4.1 气候和大气CO2浓度变化对土壤碳循环的影响289

8.4.2 人类活动对土壤碳循环的影响291

8.5 土壤碳循环与碳蓄积研究中的问题与展望294

8.5.1 土壤碳循环研究中的重点问题294

8.5.2 土壤碳蓄积研究中的不确定性295

8.5.3 土壤碳循环研究的展望296

参考文献297

第9章 陆地生态系统碳循环与碳蓄积量估算模型 王绍强，王秋凤，于贵瑞，周涛，刘明亮，冯险峰304

9.1 生态系统碳循环过程模型研究概况305

9.1.1 碳循环与碳蓄积模型研究的作用与目的305

9.1.2 碳循环与碳蓄积模型的一般分类306

9.1.3 碳循环与碳蓄积模型的其他分类307

9.1.4 陆地生态系统碳循环模型研究的发展309

9.2 经验-半经验的相关统计模型311

9.3 基于植物生理化学机制的光合作用模型314

9.4 基于生态学过程的生物地理模型316

9.5 基于生态学过程的生物地球化学模型318

9.6 生态系统碳循环的生物物理模型324

9.7 GIS和RS技术在碳循环模型研究中的作用327

9.7.1 GIS特性和应用327

9.7.2 卫星信息支持的遥感反演模型329

9.7.3 基于GIS的生物量遥感模型331

9.8 我国碳循环模型的初步发展334

参考文献336

第10章 陆地生态系统碳循环与碳通量观测 刘允芬，于贵瑞，李海涛，孙晓敏，温学发，李庆康348

10.1 陆地生态系统碳循环和碳通量观测方法概论349

10.1.1 碳循环和碳通量观测的意义349

10.1.2 光合作用和呼吸作用测定349

10.1.3 碳蓄积量的估算350

10.1.4 碳循环通量的观测350

10.2 植物光合与呼吸作用的测定351

10.2.1 植物光合与呼吸作用测定的基本原理351

10.2.2 植物光合与呼吸作用的测定方法352

10.2.3 光合作用相关特征的测定357

10.3.1 农田、灌木和草地生态系统生物量与生产力的测定360

10.3 植物群落生物量与生产力的测定方法360

10.3.2 森林群落生物量与生产力的测定361

10.3.3 区域植被生物量(生产力)的调查与推算366

10.4 凋落物量、分解及腐殖化速率的测定方法367

10.4.1 森林群落凋落物量的测定367

10.4.2 凋落物分解速率的测定368

10.4.3 腐殖化速率的测定368

10.5.1 基本概念370

10.5 土壤呼吸与温室气体排放量的测定方法370

10.5.2 土壤呼吸的测定方法371

10.6 陆地生态系统碳通量的微气象学测定方法379

10.6.1 微气象学测定碳通量概述379

10.6.2 微气象学测定碳通量的空气动力学基础380

10.6.3 涡度相关法测定碳通量的基本原理384

10.6.4 涡度相关法测定碳通量观测系统与数据分析386

参考文献388

第11章 中国陆地生态系统碳循环与碳储量研究进展 石培礼，于贵瑞 王绍强，李海涛，谢高地，樊江文，鲁春霞，梁飚，钟华平，刘志芹395

11.1 陆地生态系统碳储量研究的历史回顾396

11.1.1 资源清查和以生物生产力为目的的生物量研究396

11.1.2 区域生态系统碳储量研究397

11.1.3 碳储量源汇动态与碳循环综合研究399

11.2 中国森林生态系统碳循环与碳储量研究400

11.2.1 森林资源与地理分布规律400

11.2.2 森林生态系统的碳储量及其空间格局400

11.2.3 森林生态系统碳密度的空间格局406

11.2.4 森林生态系统碳储量对气候变化的响应409

11.3 中国草地生态系统碳循环与碳储量研究410

11.3.1 草地资源与地理分布规律410

11.3.2 草地生态系统碳储量的空间格局412

11.3.3 不同草地类型的碳储量特征414

11.3.4 草地生态系统碳储量对环境变化的响应421

11.4 中国农田生态系统碳循环与碳储量研究422

11.4.1 农田资源与地理分布规律422

11.4.2 农田生态系统碳循环机理与特征424

11.4.3 农田生态系统碳排放425

11.4.4 稻田和湿地的CH4排放426

11.4.5 农田管理措施对碳储量和碳过程的影响429

11.4.6 农田生态系统碳的增汇减排潜力与技术430

11.5 中国土壤碳循环与碳储量研究431

11.5.1 土壤资源与地理分布规律431

11.5.2 土壤碳储量与空间格局433

11.5.3 人类活动对土壤碳储量的影响435

11.5.4 岩溶地区土壤碳循环特征438

11.6.1 陆地生态系统碳循环机理和碳收支状况的综合评价439

11.6 中国陆地生态系统碳循环与碳储量研究的重要课题439

11.6.2 《联合国气候变化框架公约》的国家信息通报编写的知识储备440

11.6.3 气候变化观测系统的能力建设441

11.6.4 土地利用、土地利用变化和森林碳吸收源的精确评价441

11.6.5 《京都议定书》对中国社会经济的影响441

11.6.6 全球变化的国家对策442

参考文献442

附录 重要术语解释 李庆康 于贵瑞455