1、国家自然科学奖推荐书( 2016 年度)一、项目基本情况学科评审组： 序号： 编号： 推荐单位（盖章）或推荐专家 中国气象局中文名 自然植被生产力研究的新理论与方法中国东北样带创建与模型发展项目名称 英文名 New Theory and Method for Natural Vegetation Productivity Research Establishment of Northeast China Transect and Model Development主要完成人 周广胜、张新时、许振柱、王玉辉、贾丙瑞1 应用气象学 代码 17015452 区域生态学 代码 1804430学科分类
2、名称3 代码所属科学技术领域 气候变化区域响应任务来源 科技部、国家自然科学基金、中国科学院具体计划、基金的名称和编号：国家自然科学基金重大项目，中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究(39393000)国家自然科学基金重点项目，全球变化的中国东北森林草原样带研究(39730110)国家自然科学基金重点项目，中国东北样带典型生态系统的碳循环过程和机理(40231018)国家杰出青年科学基金，中国东北典型植被大气相互作用的综合观测与模拟研究(40625015)973 计划，我国北方典型生态系统对干旱化的响应和适应(G1999043407)973 计划，半干旱区地表生态和水文过程及其相互作用的研
3、究(2006CB400502)中国科学院知识创新工程，我国关键地区全球变化的生态安全机制与调控(KSCX2-1-07)已呈交的科技报告编号：无项目起止时间 起始：1993 年 1 月 1 日 完成：2009 年 6 月 30 日国家科学技术奖励工作办公室制二、推荐单位意见（专家推荐不填此栏）推荐单位通讯地址 邮政编码联 系 人 联系电话电子邮箱 传 真推荐意见：推 荐 该 项 目 为 国 家 自 然 科 学 奖 等 奖 。声明：本单位遵守国家科学技术奖励条例及其实施细则的有关规定，承诺遵守评审工作纪律，所提供的推荐材料真实有效，且不存在任何违反中华人民共和国保守国家秘密法和科学技术保密规定等相
4、关法律法规及侵犯他人知识产权的情形。如有材料虚假或违纪行为，愿意承担相应责任并接受相应处理。如产生争议，保证积极调查处理。法人代表签名： 推荐单位（盖章） 年 月 日 年 月 日三、项目简介（限 1200 字）气候变化已经严重地影响了人类赖以生存与发展的植被生产力，不仅反映在植物生理生态层次，而且在个体、群落/生态系统、景观、区域等层次都有反映。为全面准确地理解气候变化对植被生产力的影响，本项目针对中国气候与自然植被特点，重点创建气候变化对植被生产力影响的多时空尺度研究方法、发展自然植被生产力模拟的新理论与方法，揭示气候变化对植被生产力的多尺度调控机制，为植被可持续发展提供依据。项目成果创新性
5、主要体现在：(1)创建了国际全球变化研究的中国东北样带。项目针对中国气候与植被特点，创建了反映水分梯度的中国东北样带，提出了中国东北样带的关键科学问题。1993 年 8 月在美国 Marshall 召开的国际地圈生物圈计划(IGBP)国际样带学术会议上，该样带被 IGBP 接受并确定为首批启动的 4 条国际全球变化研究示范样带之一，成为中国第一条国际性的全球变化样带，并正式将该样带定名为NECT。基于中国东北样带，建立了从生态系统的叶-体-群(点)、NECT(线)及中国区域(面)的陆地生态系统生产力对气候变化多尺度响应的综合研究平台，包括多因子控制试验、原位控制试验、长期定位观测、样带考察和模
6、型模拟等，为国际全球变化研究提供了示范技术。IGBP 第 36 号报告突出介绍了 NECT 的研究；IGBP 核心计划 “全球变化与陆地生态系统(GCTE)” 在其综合专著中用独立一章介绍了该样带的研究成果。(2)发展了自然植被生产力 模拟的新理论与方法。提出了基于水分利用效率与光能利用效率及其相互作用模拟植被生产力的理论，发展了优于著名 Chikugo模型的年尺度自然植被净第一性生产力模型，基于光能利用效率与水分相互作用的日尺度陆地生态系统生产力模型(EC-LUE)和包含林龄影响的材积源驱动森林生产力新模型，阐明了气候变化对 NECT 进而扩展到 中国植被生产力影响的时空格局。论文单篇引用分
7、别达 217 次、144 次和 70 次。成果被收入政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次评估报告、中国国家气候变化评估报告中国气候与环境演变(秦大河主编，2005)和中国科学院大学研究生课程教材 全球生态学。(3)揭示了气候变化对植被生产力的多尺度调控机制。以 NECT 为研究平台，从气候变化各因子单独或联合作用出发，从分子、细胞/组织、器官、个体到生态系统、甚至区域层次阐明了干旱与增温综合作用下植被生产力的变化机制，发现植被对气候变化各关键因子联合响应的机制在于改变了叶片氮化合物的组分，特别是分配到可溶性蛋白质中的氮素比例，从而影响叶片氮素利用效率，导致光合能力、碳分配与生长等变化，给
8、出了气候变化对植被碳氮关系影响的多尺度模式。成果被认为填补了高温和干旱联合影响研究的空白。8 篇代表性论文的 SCI 和 CSCD 他引 869 次，其中 SCI 他引 508 次，单篇他引最高达 217 次。20 篇核心论文他引 1459 次，其中 SCI 他引 804 次。四、重要科学发现1. 重要科学发现（限 5 页）气候变化对植被生产力的影响研究一直是大气科学、生态学、植物学和地理学研究的重点。气候是决定植被生产力及其地理分布最主要的影响因子，不同植被类型通过影响植被与大气间的物质(如 H2O 和 CO2)交换和能量(如动量和热量) 传输影响大气环流和气候变化，改变的气候又将影响植被生
9、产力及其地理分布。20 世纪以来，人类活动导致了植被覆盖的巨大变化，也引起了气候的剧烈变化，严重地影响了全球的碳水循环与食物系统，进一步引发了大气科学家与生态学家对气候变化对生态系统影响的关注。正因为如此，世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP) 及全球碳计划(GCP)均以不同形式将气候变化对植被生产力的影响列为重点研究内容。开展气候变化对植被生产力的影响研究不仅可为大气环流模式提供动态下垫面植被类型，以模拟植被变化的影响，还可通过植被生产力为碳水循环和食物系统的相关研究提供依据与参数。本项目针对中国的气候与自然植被特点，旨在创建气候变化对植被生产力影响的多时空尺度研究方法
10、、发展植被生产力模拟的新理论与方法，揭示气候变化对植被生产力的多尺度调控机制，为植被可持续发展提供依据。1.1 创建了国际全球变化研究的中国东北样带(属地球科学与生物科学交叉领域，代表性论文：1；核心论文：9 )该样带是被 IGBP 所认可的研究气候变化对植被生产力多时空尺度影响的国际示范样带，是中国第一条国际性的全球变化样带。气候变化不仅影响植物的生理生态特征，而且在植物叶片、个体、群落、生态系统、景观、区域等层次都有不同程度的反映。要全面准确地理解气候变化与陆地生态系统之间的相互作用，达到预测气候变化对陆地生态系统影响的目标就必须了解气候变化对陆地生态系统各个层次的影响，对不同时间和空间尺
11、度的观测资料进行系统的集成分析。正是在这一形势下，全球变化陆地样带应运而生，它是由一系列沿着某种具有控制陆地生态系统结构、功能和组成，以及生物圈大气圈的痕量气体交换和水分循环的全球变化驱动力：温度、降水和土地利用梯度变化的生态研究站点、观测点和研究样地组成的研究平台，其长度应不小于 1000 公里，以确保覆盖气候和大气模式以及决策尺度，并有足够宽度( 数百公里)以涵盖遥感影像范围。样带的实质是采用空间代替时间的方法获取关于全球变化信息并进行深入研究的重要方法，可实现从小尺度过程研究到区域与全球水平研究的耦合。项目根据 IGBP/GCTE（全球变化与陆地生态系统核心计划）样带设置要求，设定了中国
12、东北样带的确切位置，即沿4330N 设置，位于 11213030E、4246 N 范围内，东西长约 1600km、南北宽约 300km；由东向西呈显著的降水梯度，依次分布着温带针阔叶混交林、暖温带次生落叶阔叶林、松辽平原农业区、草甸草原、内蒙古高原典型干草原、荒漠草原等生态类型。土地利用格局表现为纯森林区半林半农区纯农业区(城市/工业区)半农半牧区纯牧区的完整序列的显著变化。基于中国东北样带的气候与植被特征，提出了中国东北样带的关键科学问题，即水分和土地利用变化将如何影响植物功能型组成、土壤有机碳、植被净第一性生产力和温室气体排放？该样带上具有一系列连续的样点、生态实验站和观测点，反映了气候变
13、化的水分与土地利用驱动力，有一定的空间范畴且可为多个 IGBP 的核心项目提供有用资源，具有较好的研究队伍。1993 年 8 月在美国 Marshall 召开的IGBP 国际样带学术会议上，该样带被 IGBP 接受并确定为首批启动的 4 条国际全球变化研究示范样带(北澳大利亚热带样带、北美中纬度样带、中国东北样带和阿根廷样带) 之一，成为中国第一条国际性的全球变化样带，并正式将该样带定名为 NECT(IGBP Secretariat. IGBP transects. Global Change Newsletter, 1993. 16:4)。在 1994 年发表的 GCTE 核心研究(GCTE
14、 Core Project Office. GCTE Core Research: 1993 Annual Report. Report No.1. Canberra: GCTE 1994)中，进一步提出了发展 IGBP陆地样带系统的全球概览，在国际上明确提出了 NECT。特别是，关于 NECT 研究发现气候变化与土地利用(放牧) 的联合作用对草地生态系统结构与功能的影响机制在于放牧不仅从数量上影响草地生态系统结构与功能，而且亦从本质上改变了草地生态系统结构与功能之间及其与环境因子之间的关系。基于中国东北样带，建立了从生态系统的叶-体-群(点)、NECT(线)及中国区域(面)的陆地生态系统生产
15、力对气候变化响应过程的综合研究平台，包括多因子控制试验、原位控制试验、长期定位观测、样带考察和模型模拟等。其中，利用国际公认的涡度相关系统创建的中国东北典型植被大气相互作用综合观测网，是亚洲通量网(AsiaFlux)和国际通量观测网(FLUXNET)的组成部分，包括典型兴安落叶松林、草地、湿地(芦苇、水稻) 与玉米农田 5 个通量观测塔。IGBP第 36 号报告突出介绍了 NECT 的研究，在其彩色图版的全部 5 幅彩图中 4 幅取自 NECT；IGBP 核心计划“ 全球变化与陆地生态系统 (GCTE)”在其综合专著Terrestrial Ecosystems in a Changing Wo
16、rld(Josep G. Canadell, Diane E. Pataki, Louis F. Pitelka (Eds.), 2007, Springer)中用独立一章“22 Global Change Impacts on Agroecosystems of Eastern China”介绍了该样带在植物生理与个体对多个气候变化驱动因子的响应、生态系统生产力及其对全球变化的响应、生态系统碳收支及其对全球变化响应方面取得的研究成果。相关成果也被收入中国科学院大学研究生课程教材全球生态学。1.2 发展了自然植被生产力模拟的新理论与方法(属地球科学与生物科学交叉领域，代表性论文：2- 4；核心
17、论文：10- 13)植被净第一性生产力(简称 NPP)是指绿色植物在单位时间和单位面积上所能累积的有机干物质，反映了植物群落在自然环境条件下的生产能力，是植物自身生物学特性与外界环境因子相互作用的结果。植物的生物学特性，大气中的氧气、二氧化碳含量和土壤肥力等都是相对比较固定的因子，而气候则随时空变化较大。因此，一个地区的自然植被生产力主要决定于光、热和水。特别是，自然植被生产力基本上取决于照射到植物群落的太阳能及其根际层的土壤水分。因此，不同时空尺度的植被生产力模拟不仅是陆地生态系统碳收支和全球碳收支定量评估的关键，也影响到植被对气候反馈作用的模拟。项目提出了基于水分利用效率与光能利用效率及其
18、相互作用模拟植被生产力的理论，针对年、日尺度的植被生产力模拟需求，发展了一系列新的自然植被生产力模拟模型。基于水分利用效率的年尺度植被生产力模拟理论与方法：项目基于年尺度的植被水分利用效率(即植被生产力与实际蒸腾量之比)与大气干燥度呈非线性关系，结合国际生物圈计划(IBP)期间获得的全球森林、草地及荒漠等自然植被资料及相应的气候资料建立了新的自然植被净第一性生产力(NPP)模型。该模型弥补了著名 Chikugo 模型利用植被潜在蒸散计算水分利用效率的不足，解决了Chikugo 模型不适于干旱半干旱地区且没有包括草原与荒漠植被资料的问题。据比较，所建模型不仅可用于干旱半干旱区，而且显著提高了植被
19、生产力的模拟准确性，并被推广应用到农业产量的模拟预测(郑元润, 周广胜, 张新时,王建林,太华杰. 1997. 农业生产力模型初探 . 植物学报, 39(9): 831-836)。关于该模型的 2篇论文( 代表性论文 2 和核心论文 10)他引达 401 次，其中 SCI 他引 58 次。基于光能利用效率与水分相互作用的日尺度植被生产力模拟理论与方法：项目基于日尺度的植被生产力主要取决于光能利用效率及其受水分胁迫程度，假设植被吸收的光合有效辐射比例与归一化植被指数(NDVI)呈线性关系，且不同类型植被具有相同的潜在光能利用效率，而实际光能利用效率受温度与水分的影响，结合大量的涡度相关观测资料，
20、发展了一个基于光能利用效率与水分相互作用的日尺度陆地生态系统生产力(GPP)模型，称为 EC-LUE 模型。模型仅有 4 个驱动变量，即 NDVI、光合有效辐射、空气温度和反映水分胁迫的波文比。利用北美通量网(AmeriFlux)和欧洲通量网(EuroFlux 覆盖从副热带至寒温带的主要自然生态系统类型：常绿针叶林、混交林、落叶阔叶林、草地和热带稀树草原的 28 个涡度相关通量塔的 24349 个日 GPP 资料对 EC-LUE 模型的标定与验证表明，模型可解释所有标定地点生产力的 85%变化，验证地点的解释率达 77%；并给出了自然生态系统潜在光能利用效率常数 2.14 g C m-2 MJ
21、-1 APAR 及其光合作用最适温度 20.33。该论文( 代表性论文 3)单篇引用达 144 次，其中 SCI 他引 124次。研发了包含林龄影响的材积源驱动森林生产力新模型：森林约占陆地面积的 30%，在陆地生态系统生产力中占有主导作用。但是，由于观测的困难，森林生产力实测资料非常缺乏。但是，各国为了解各类森林材积的信息，都具有系统丰富的森林资源清查资料(包括各类树种的面积和蓄积量)。如何充分利用这些资料估算森林生产力，以弥补区域乃至全球森林生产力实测资料的不足，是国际全球变化研究的重要内容之一，亦是 IGBP 的核心计划“ 数据信息系统(DIS)”的重要内容。但是，现有基于森林资源清查资
22、料估算生物量与生产力一般采用生物量与蓄积量的线性关系、以及生产力与生物量的线性关系，这种线性关系并不具有普遍性，且对生产力的估算没有考虑林龄的影响，使得生产力的估算结果偏大。项目基于长期生态系统定位观测资料、文献资料与全国森林资源清查资料，分别研究了天然林与人工林的生物量、生产力与蓄积量、林龄等的关系，发现无论是人工林还是天然林，森林的生物量与蓄积量、生产力与其年均净生物量和年均净蓄积量均呈双曲线关系，而不是线性关系；进而建立了包含生物量与林龄影响的生产力估算模型，并指出将人工林与天然林分开计算有助于提高基于森林资源清查资料估算森林生产力的准确性，为基于森林资源清查资料准确估算森林生产力提供了
23、技术支撑。关于该模型的 3 篇论文(代表性论文4 和核心论文 11、12)他引达 162 次，其中 SCI 他引 84 次。基于气候与生产力的关系，评估了气候变化对中国陆地生态系统生产力的影响。指出我国自然植被净第一性生产力在气温增加 2或 4、降水增加 20%时，均有所增加，且湿润地区增加幅度较大，干旱及半干旱地区增加幅度较小；且降水增加 20%时，气温增加 2较增加 4的地区气候有所变湿，植被生产力增加幅度更大，说明限制我国植被生产力的主要因素在于水分供应不足。未来气候变暖也将导致中国东部森林带整体北移：热带雨林季雨林、亚热带常绿阔叶林的分布面积将显著增加，而落叶针叶林、亚热带常绿针叶林的
24、分布面积有所减少，特别是北方落叶针叶林几乎完全移出中国；草原分布面积有所扩大，主要是向东部边界方向扩展，占据原来属于森林的区域，特别是温带落叶阔叶林的区域；荒漠面积总体呈减小趋势，但温带荒漠向草原扩展，占据现在属于荒漠草原的地域。变化最为复杂的是青藏高原：当前气候条件下青藏高原面上从东南到西北依次分布有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠，未来气候情景下将出现温带草原、温带荒漠草原、温带荒漠，占据高原西南部和东部的大片区域。气候变化对中国植被或生态系统分布格局的影响将改变中国陆地生态系统生产力空间分布格局。这些研究成果已被收入“IPCC 第三次评估报告”(Climate Change:2001 Syn
25、thesis Report)和中国国家气候变化评估报告中国气候与环境演变(秦大河主编，2005)；同时，由于这些研究，周广胜研究员被“IPCC 第四次评估报告”邀请为“Chapter 17: Assessment of Adaptation Practices, Options, Constraints and Capacity”的评审专家。由于基于森林资源清查资料的生产力模型研究成果，周广胜研究员受邀为国际会议“The Role of Boreal Forests and Forestry in the Global Carbon Budget”(May 6-13, Edmonton, Al
26、bert, Canada)的 Program Committee member 和会议主席，并作大会报告(Estimating biomass and NPP of Chinese boreal forests based on forest inventory data)。1.3 揭示了气候变化对植被生产力的多尺度调控机制(属生物学领域，代表性论文：5-8；核心论文：14-20)植物碳氮代谢及其与气候的相互作用决定着植物生产力和营养水平。全球变化引起的温度升高和降水格局变化导致的植物环境胁迫，如干旱和高温等，它们单独或联合的作用必将对植物碳氮代谢的各个层次产生深刻影响。已有研究多集中于干旱或
27、高温胁迫的单因子影响，而对其交互作用研究甚少。为此，以碳氮代谢及其分配为切入口，从气候变化各因子单独或联合作用出发，在分子到生态系统、甚至区域层次上阐明了干旱与增温综合作用下植物的碳氮关系及其气候调节机制，发现植物对气候变化各关键因子(温度、水分等)联合响应的机制在于改变了叶片氮化合物的组分，特别是分配到可溶性蛋白质中的氮素比例，从而影响叶片氮素利用效率，导致光合能力、碳分配与生长等发生变化，并给出了气候变化对植被碳氮关系影响的多尺度模式(图 1)。高温和严重土壤干旱的联合作用将降低光合系统 II(PSII)的功能，减弱氮的合成代谢，加强蛋白质的分解代谢，促进了膜质过氧化；不对称增温(气候变化
28、导致夜间增温幅度大于白天、昼夜温差减小)和干旱的联合作用将促进叶片等地上部分氮素含量的减少，但对地下部分则相反，从而降低植物光合性能及其向地下的碳分配，不利于增加植物对水分变化的适应性。同时，研究指出气候变化引起的植被(如覆盖与根系分布)和环境(如土壤水分、碳氮含量)的变化尽管导致了土壤呼吸的强度变化，但没有改变土壤呼吸动态规律；据此构建了土壤呼吸作用普适模型，将原先仅考虑水热因子影响发展到考虑不同时空尺度、水热-生物-土壤因素综合影响的土壤呼吸模型，显著提高了模型模拟的准确性，可以解释玉米生长季土壤呼吸作用季节与空间变异的 78%。研究成果被著名综述期刊 Trends in Plant Sc
29、ience(William R., Joseph A., Christopher B. 2012. Linking definitions, mechanisms, and modeling of drought-induced tree death. 17(12):693-700)和 Plant, Cell and Environment(Beata B., Katalin J., Attile F. 2008. The effect of drought and heat stress on reproductive processes in cereals. 31:11-38)引评，成果被认为填补了高温和干旱联合影响研究的空白。图 1 气候变化对植被碳氮关系影响的多尺度模式
