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A review of research progress and future prospective of forest soil carbon stock and soil carbon process in China

中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 19 期摇 摇 2011 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
卷首语 本刊编辑部 ( 玉 )…………………………………………………………………………………………
我国生态学研究及其对社会发展的贡献 李文华 (5421)…………………………………………………………
生态学的现任务———要在混乱和创新中前进 蒋有绪 (5429)……………………………………………………
发展的生态观:弹性思维 彭少麟 (5433)……………………………………………………………………………
中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展 刘世荣,王摇 晖,栾军伟 (5437)…………………………………
区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展 于贵瑞,方华军,伏玉玲,等 (5449)……………………
流域尺度上的景观格局与河流水质关系研究进展 刘丽娟,李小玉,何兴元 (5460)……………………………
中国珍稀濒危孑遗植物珙桐种群的保护 陈摇 艳,苏智先 (5466)…………………………………………………
水资源投入产出方法研究进展 肖摇 强,胡摇 聃,郭摇 振,等 (5475)………………………………………………
我国害鼠不育控制研究进展 刘汉武,王荣欣,张凤琴,等 (5484)…………………………………………………
基于 NDVI的三江源地区植被生长对气候变化和人类活动的响应研究 李辉霞,刘国华,傅伯杰 (5495)……
毛乌素沙地克隆植物对风蚀坑的修复 叶学华,董摇 鸣 (5505)……………………………………………………
近 50 年黄土高原地区降水时空变化特征 王麒翔,范晓辉,王孟本 (5512)………………………………………
森林资源可持续状况评价方法 崔国发,邢韶华,姬文元,等 (5524)………………………………………………
黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响———景观水平与多尺度比较
王计平,杨摇 磊,卫摇 伟,等 (5531)
………………………………………
……………………………………………………………………………
未来 10 年黄土高原气候变化对农业和生态环境的影响 俄有浩,施摇 茜,马玉平,等 (5542)…………………
山东近海生态资本价值评估———近海生物资源现存量价值 杜国英,陈摇 尚,夏摇 涛,等 (5553)………………
山东近海生态资本价值评估———供给服务价值 王摇 敏,陈摇 尚,夏摇 涛,等 (5561)……………………………
特大冰冻灾害后大明山常绿阔叶林结构及物种多样性动态 朱宏光,李燕群,温远光,等 (5571)………………
低磷和干旱胁迫对大豆植株干物质积累及磷效率的影响 乔振江,蔡昆争,骆世明 (5578)……………………
中国环保模范城市生态效率评价 尹摇 科,王如松,姚摇 亮,等 (5588)……………………………………………
污染足迹及其在区域水污染压力评估中的应用———以太湖流域上游湖州市为例
焦雯珺,闵庆文,成升魁,等 (5599)
………………………………
……………………………………………………………………………
近二十年来上海不同城市空间尺度绿地的生态效益 凌焕然,王摇 伟,樊正球,等 (5607)………………………
城市社区尺度的生态交通评价指标 戴摇 欣,周传斌,王如松,等 (5616)…………………………………………
城市生态用地的空间结构及其生态系统服务动态演变———以常州市为例
李摇 锋,叶亚平,宋博文,等 (5623)
……………………………………
……………………………………………………………………………
中国居民消费隐含的碳排放量变化的驱动因素 姚摇 亮,刘晶茹,王如松 (5632)………………………………
煤矿固废资源化利用的生态效率与碳减排———以淮北市为例 张海涛, 王如松,胡摇 聃,等 (5638)…………
城市遮阴环境变化对大叶黄杨光合过程的影响 于盈盈,胡摇 聃,郭二辉,等 (5646)……………………………
广东永汉传统农村的聚落生态观 姜雪婷,严力蛟,后德仟 (5654)………………………………………………
长江三峡库区昆虫丰富度的海拔梯度格局———气候、土地覆盖及采样效应的影响 刘摇 晔,沈泽昊 (5663)…
东南太平洋智利竹筴鱼资源和渔场的时空变化 化成君,张摇 衡,樊摇 伟 (5676)………………………………
豚草入侵对中小型土壤动物群落结构特征的影响 谢俊芳,全国明,章家恩,等 (5682)…………………………
我国烟粉虱早春发生与秋季消退 陈春丽,郅军锐,戈摇 峰,等 (5691)……………………………………………
变叶海棠及其伴生植物峨眉小檗的水分利用策略 徐摇 庆,王海英,刘世荣 (5702)……………………………
杉木人工林不同深度土壤 CO2通量 王摇 超,黄群斌,杨智杰,等 (5711)…………………………………………
不同浓度下四种除草剂对福寿螺和坑螺的生态毒理效应 赵摇 兰,骆世明,黎华寿,等 (5720)…………………
短期寒潮天气对福州市绿地土壤呼吸及组分的影响 李熙波,曾文静,李金全,等 (5728)………………………
黄土丘陵沟壑区景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响———斑块类型水平
王计平,杨摇 磊,卫摇 伟,等 (5739)
………………………………………
……………………………………………………………………………
气候变化对物种分布影响模拟中的不确定性组分分割与制图———以油松为例
张摇 雷,刘世荣,孙鹏森,等 (5749)
…………………………………
……………………………………………………………………………
北亚热带马尾松年轮宽度与 NDVI的关系 王瑞丽,程瑞梅,肖文发,等 (5762)…………………………………
物种组成对高寒草甸植被冠层降雨截留容量的影响 余开亮,陈摇 宁,余四胜,等 (5771)………………………
若尔盖湿地退化过程中土壤水源涵养功能 熊远清,吴鹏飞,张洪芝,等 (5780)………………………………
桂西北喀斯特峰丛洼地不同植被演替阶段的土壤脲酶活性 刘淑娟,张摇 伟,王克林,等 (5789)………………
利用混合模型分析地域对国内马尾松生物量的影响 符利勇,曾伟生,唐守正 (5797)…………………………
火烧对黔中喀斯特山地马尾松林土壤理化性质的影响 张摇 喜,朱摇 军,崔迎春,等 (5809)……………………
不同培育时间侧柏种基盘苗根系生长和分布 杨喜田,董娜琳,闫东锋,等 (5818)………………………………
Cd2+与 CTAB复合污染对枫香幼苗生长与生理生化特征的影响 章摇 芹,薛建辉,刘成刚 (5824)……………
3 种入侵植物叶片挥发物对旱稻幼苗根的影响 张风娟,徐兴友,郭艾英,等 (5832)…………………………
米槠鄄木荷林优势种群的年龄结构及其更新策略 宋摇 坤,孙摇 文,达良俊 (5839)………………………………
褐菖鲉肝 CYP 1A作为生物标志物监测厦门海域石油污染状况 张玉生,郑榕辉,陈清福 (5851)……………
基于输入鄄输出流分析的生态网络 渍模式能流、籽模式能流测度方法 李中才,席旭东,高摇 勤,等 (5860)……
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*444*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*50*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄10
封面图说: 胡杨是我国西北干旱沙漠地区原生的极其难得的高大乔木,树高 15—30 米,能忍受荒漠中的干旱环境,对盐碱有极
强的忍耐力。 为适应干旱气候一树多态叶,因此胡杨又称“异叶杨冶。 它对于稳定荒漠河流地带的生态平衡,防风固
沙,调节绿洲气候和形成肥沃的森林土壤具有十分重要的作用。 秋天的胡杨林一片金光灿烂 。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 19 期
2011 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 19
Oct. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:林业公益性行业科研重大专项(200804001, 201104006); 科技部国际合作重点项目(2008DFA32070)
收稿日期:2011鄄07鄄12; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: liusr@ caf. ac. cn
刘世荣, 王晖, 栾军伟.中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展.生态学报,2011,31(19):5437鄄5448.
Liu S R, Wang H, Luan J W. A review of research progress and future prospective of forest soil carbon stock and soil carbon process in China. Acta
Ecologica Sinica,2011,31(19):5437鄄5448.
中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展
刘世荣1,*, 王摇 晖1, 栾军伟2
(1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京摇 100091;
2. 中国林业科学研究院湿地研究所,北京摇 100091)
摘要:森林是陆地生态系统的主体,是陆地上最大的碳储库和碳吸收汇。 国内外研究表明,土壤亚系统在调节森林生态系统碳
循环和减缓全球气候变化中起着重要作用。 但是,由于森林类型的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时
空动态变化,至今对森林土壤碳储量和变率的科学估算,以及土壤关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限。 综述了
近十几年来我国森林土壤碳储量和土壤碳过程的研究工作,主要包括不同森林类型土壤碳储量、土壤碳化学稳定性、土壤呼吸
及其组分、土壤呼吸影响机制、气候变化与土地利用对土壤碳过程的影响等;评述了土壤碳过程相关科学问题的研究进展,讨论
了尚未解决的主要问题,并分析了未来土壤碳研究的发展趋势,以期为促进我国森林土壤碳循环研究,科学评价森林土壤碳固
持潜力及其稳定性维持机制和有效实施森林生态系统管理提供科学参考。
关键词:森林;土壤;碳储量;土壤呼吸;土壤碳化学稳定性
A review of research progress and future prospective of forest soil carbon stock
and soil carbon process in China
LIU Shirong1,*, WANG Hui 1, LUAN Junwei 2
1 Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, China忆s State Forestry Administration, Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese
Academy of Forestry,Bejing 100091, China
2 Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: Forests, as a principal component of terrestrial ecosystems, are the largest carbon (C) pool and C sink. The
extensive studies over the past decade indicate soil subsystem plays an important role in regulating forest ecosystem C
cycling and mitigating global climate change. However, the scientific estimations of forest soil C stock and variability are
inadequate, and the understanding of the key C processes and mechanism underlying soil C stability is still limited, due to
the diversity of forest types, the complexity of forest structure and the temporal and spatial dynamic variations of responses of
forests to disturbances and environmental changes. In this paper, we synthesize findings from published studies in recent ten
years on forest soil C stock and soil C process in China, including soil C stocks in different forests, soil C chemical
stability, soil respiration and its portioning components in association with underlying mechanisms, and impacts of climate
changes and land use change on soil C processes, etc. The research progress of key scientific issues related to soil C
processes and the principal unresolved issues are explored. We also discuss the future development of forest soil C research
in China in view of the global perspective. The review is expect to provide scientific contributions for understanding forest
soil C sequestration potential and for developing adaptation measures in forest management based on the current forest soil C
research progress in China.
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Key Words: forest; soil; carbon stock; soil respiration; soil carbon chemical stability
森林是陆地生态系统的主体,是陆地上最大的碳储库和碳吸收汇。 森林生物量碳贮量达 282. 7 GtC,约占
全球植被的 77% ,森林土壤的碳贮量约占全球土壤的 39% [1]。 平均每公顷森林的生物量碳贮量 71. 5 tC,如
果加上土壤、粗木质残体和枯落物中的碳,每公顷森林碳贮量达 161. 1 tC[2]。 近十几年来,国内外生态学家和
土壤学家对森林土壤碳储量及碳过程极为关注,在全球范围内针对不同地区不同森林类型的土壤碳储量、土
壤呼吸、土壤碳的稳定性,以及气候变化和土地利用与土地覆盖变化对土壤碳过程时空动态的影响开展了大
量研究,认为土壤亚系统在调节森林生态系统碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用[3]。 但是,由于森
林类型的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对森林生态系统碳固
持潜力、关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限,导致对森林土壤碳储量和变率的估算存在较大
的不确定性[4]。 因此,迫切需要深入开展森林生态系统碳循环机制、土壤碳关键过程及其稳定性维持机制的
深入研究,藉以增强对全球气候变化和生态系统管理对森林固碳潜力及其不确定性的科学认识。
本文通过全面综述了近十几年来我国森林土壤碳储量和土壤碳过程的研究工作,主要包括不同森林类型
土壤碳储量、土壤碳化学稳定性、土壤呼吸及其组分、土壤呼吸影响机制、气候变化与土地利用对土壤碳过程
的影响等;评述了土壤碳过程相关科学问题的研究进展,讨论了尚未解决的主要问题,并分析了未来土壤碳研
究的发展趋势,以期为促进我国森林土壤碳循环和碳过程研究,科学评价森林土壤碳固持潜力及其稳定性维
持机制和有效实施森林生态系统管理提供科学参考。
1摇 森林土壤碳储量与土壤有机碳稳定性
1. 1摇 不同森林类型土壤碳储量
近 10a来,我国开展的森林碳储量和碳含量研究涉及了我国主要气候带(热带、亚热带和温带)的主要森
林类型(天然林、次生林和人工林)(图 1 和图 2) [5鄄30],通过野外样地实测获得了大量的不同森林类型的土壤
碳的基础数据。
0
50
100
150
200
250
300
热带
人工林
不同气候带和森林类型Climate zones and forest types
土壤
碳储

Soil
carbo
n sto
ck/(t
/hm2

热带
天然林
亚热带
天然林
亚热带
人工林
温带
天然林
温带
人工林
图 1摇 我国主要森林类型的土壤碳储量
Fig. 1摇 Soil carbon stocks of the main forest types in China
0
20
40
60
80
100
120
土壤
碳含

Soil
ca rbo
n con
tent/(
g/kg)
不同气候带和森林类型Climate zones and forest types
热带
人工林
热带
天然林
亚热带
天然林
亚热带
人工林
温带
天然林
温带
人工林
图 2摇 我国主要森林类型的表层土壤碳含量
摇 Fig. 2摇 Soil carbon contents in the upper layer of the main forest
types in China
从图 1 可见,我国各森林类型的土壤碳储量的变化范围在 44—264 t / hm2,平均为 107. 8 t / hm2。 其中,天
然林平均土壤碳储量 109. 1 t / hm2,人工林平均土壤碳储量 107. 1 t / hm2。 不同气候带的天然林土壤碳储量的
空间变化规律是,从热带至温带森林土壤碳储量总体上呈增加的趋势,其中热带与亚热带地区相近似,略低于
温带地区土壤碳储量。 但是,不同气候带人工林土壤碳储量之间和天然林与人工林土壤碳储量之间的差异并
不十分明显。 有些研究报道,天然林土壤碳储量一般高于天然次生林和人工林[13鄄14,29,23]。
8345 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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从图 2 可见,森林土壤碳含量的变化规律是温带地区天然林和人工林表层土壤碳含量均相对高于热带、
亚热带地区。 不同森林类型之间土壤碳储量、碳含量的差异主要表现在土壤表层。 研究表明:伴随着林龄的
增加,森林土壤碳含量和碳储量呈现增加的趋势[6,25];随着海拔的增加,不同森林类型的土壤有机碳含量和碳
储量也表现为增加的趋势[18,32,12]。
不同人工林类型土壤有机碳同样存在明显差异。 例如,对我国南亚热带 4 种主要人工林类型的研究表
明:红锥、火力楠和米老排 3 种阔叶人工林的表层土壤有机碳储量比马尾松人工林高出了 11%—19% 。 不同
人工林之间的土壤有机碳储量的差异主要归因于细根的输入而不是凋落物叶的输入[8]。 人工针阔混交林的
土壤有机碳储量显著高于人工针叶纯林[9]。
目前,土壤碳储量研究多关注的是数量特征,对土壤碳固持速率和固碳潜力相关的关键科学问题研究十
分有限,例如,森林土壤碳积累的自然过程与维持机制。 这些科学问题既是土壤新兴学科“碳截获土壤科学冶
研究的关键问题,也是未来我国制定增加碳截获和减缓气候变化决策的重要基础。 通过在不同自然地理区的
森林生态站开展长期定位监测,可以定量分析森林土壤碳积累与转化的动态变化规律,确定反映土壤固碳功
能的关键参数和土壤最大碳固持量。 例如,在我国华南地区的鼎湖山森林生态站,通过分析 25a(1979—2003
年)的长期土壤观测数据,发现我国南亚热带成熟的天然老林龄仍然具有固碳能力,土壤有机质浓度平均每
年增加 0. 035% ,土壤有机质储量增加 0. 61t·a-1·hm-2 [34]。
1. 2摇 土壤有机碳化学结构及其稳定性
土壤有机碳是由复杂多变的有机分子单体和化合物组成,土壤不同组分间化学结构的差异表现为土壤有
机碳稳定性的差别[35鄄37]。 土壤中的糖类物质(氧烷基碳)多为不稳定、易分解的碳组分,而富含脂肪类物质
(烷基碳)或木质素(芳香族碳)的土壤有机碳由于内在的分子特性而表现为相对稳定且不易分解[38,36]。 因
此,土壤碳是否能够稳定的固持,更取决于土壤碳的化学组成和结构[36,8]。 随着近年来激光分解波谱、固态
13C核磁共振波谱、红外光谱和热解质谱测量等土壤原位和非破坏性分析技术和手段等应用,可以在分子水平
上更深入地阐明土壤碳固持的状态和过程[39鄄40,35]。
采用可见 /红外光谱和傅立叶变换红外光谱研究土壤有机质的光谱学特性发现,西双版纳次生林转变为
橡胶园后,胡敏酸中羧基和酚基结构比例降低,而脂肪族、芳香族和多聚糖比例增加[27]。 利用13C 核磁共振波
谱分析方法研究土壤有机质的化学结构发现,与马尾松人工林比较,南亚热带 3 种阔叶人工林的土壤表层具
有较低的烷基碳、较高的氧烷基碳和较低的烷基碳 /氧烷基碳比值,说明了马尾松人工林土壤比 3 种阔叶人工
林土壤具有较高的化学稳定性[8]。 这一研究结果表明,在该地区实施人工针叶纯林近自然化改造过程中需
要综合考虑树种对土壤碳储量与土壤碳化学稳定性的影响,应该在景观上合理配置不同的人工针叶林与乡土
人工阔叶林。
1. 3摇 气候变化和森林管理对土壤碳储量的影响
土壤有机碳具有不同的更新和周转速率,其碳转移方向与强度在不同时间尺度上决定着大气 CO2的浓
度[41]。 因此,研究全球变化影响下森林土壤碳库的动态变化规律,已成为当前土壤碳的源汇效应演化与全球
变化关系的重大基础科学问题。 国际上正在兴起尝试采用红外、地缆等加温设备模拟研究温度升高或降水变
化对森林土壤碳储量及碳过程的影响[42鄄43]。 近年来,在我国西双版纳热带雨林、哀牢山亚热带森林、东灵山
温带森林、河南宝天曼暖温带天然次生林和广西亚热带人工林陆续开展了土壤增温与降水控制的长期定位实
验,以期深入揭示区域气候变暖情景下(包括干旱胁迫)森林土壤有机质的动态响应及其调控机理。
在影响森林土壤碳库变化的诸多要素中,氮元素逐渐引起广泛关注。 大气氮沉降的变化直接或间接影响
土壤碳的输入、输出过程,对森林土壤碳库产生影响[44]。 自 2003 年起,模拟氮沉降对森林生态系统影响的野
外控制实验在我国温带,亚热带和热带森林也逐渐开展[45]。 研究表明,氮沉降增加显著增加氮饱和森林土壤
可浸提有机碳的含量,表明氮沉降增加可能会提高森林土壤有机碳的固持能力[46]。 土壤碳氮耦合的研究成
果表明氮沉降很有可能是影响森林土壤碳储量的主要因素之一,这是将是未来国内外森林土壤碳汇与固持机
9345摇 19 期 摇 摇 摇 刘世荣摇 等:中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展 摇
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制研究的重要方向[47鄄49]。
上述已开展的实验模拟气候变化和氮沉降对不同类型森林土壤碳储量、碳氮过程和固碳潜力影响,为模
型模拟预测提供关键技术参数。 但是,上述研究尚处于起步阶段,并且土壤碳的截获与沉积是相对较为长期
的过程,受多种生物和非生物多因子的控制,驱动机制及调控机理较为复杂。 因此,还需进一步的长期深入
研究。
森林抚育、恢复、造林等经营措施可以直接影响森林碳库,并且能够通过改变凋落物数量及其化学性质和
土壤有机质分解影响森林土壤碳库。 森林经营方式的转变,即将天然林转变为次生林或人工林后,土壤有机
碳储量显著降低,土壤轻组有机碳降低尤为明显[29,5]。 造成森林土壤有机碳降低的主要原因是森林凋落物归
还数量及其质量改变,以及水土流失和经营措施对土壤的扰动引起土壤有机质加速分解或流失等[29,50,5]。 不
同采伐措施对土壤碳储量和活性有机碳含量也有影响。 一般采伐会减少土壤储存的有机碳,特别是强度采伐
迹地裸露增大,雨水冲刷严重,加之土温升高,加速土壤有机碳的释放和流失;强度择伐短期内可增加土壤活
性有机碳含量,而皆伐后造林土壤活性有机碳出现下降趋势[22,51]。
综上分析,维持森林的高生产力带来的碳输入,并且避免由于土壤干扰等造成的碳释放是提高土壤碳储
量和土壤持续固碳的有效森林经营措施。 如何通过合理的森林经营模式,包括造林树种的选择、森林抚育和
采伐措施等,提高人工林的生态、经济和社会效益并且获得最大化的固碳潜力成为国内外关注的焦点。
2摇 森林土壤呼吸过程及其调控机制
土壤呼吸是大气 CO2的重要来源之一。 土壤呼吸往往占森林生态系统呼吸总量的 40%—80% [52]。 鉴于
土壤有机碳库研究的复杂性和困难,人们企图通过建立土壤表面 CO2通量与环境因素间的联系,借助于模型
模拟等手段从而更快的了解土壤碳库变化过程。 因此,科学认识土壤呼吸的时空变异规律及其调控机理十分
重要。 然而,由于土壤呼吸过程是一个复杂的生物、物理、化学过程的综合体,迄今,人们对土壤呼吸过程本质
的了解还十分有限。
2. 1摇 土壤呼吸时空变异及其影响因子
目前,森林土壤呼吸主要集中研究时空变异规律,即日、季节动态,及其与日季节动态相关的温度、水分等
环境因子间的关系[53鄄54]。 土壤呼吸的季节变化主要受非生物因子温度和水分变化的调控,而昼夜变化则可
能主要受植物生理活动周期性等生物因素的影响[55]。 在我国北亚热带鄄南暖温带过渡区,当土壤温度低于
15益时,天然林土壤呼吸速率主要受控于土壤温度;当土壤温度高于 15益,而含水量低于 0. 20 kg / kg 时,含水
量对呼吸速率有明显的抑制作用;当土壤温湿度分别高于 15益与 0. 20 kg / kg,呼吸速率同时受到土壤温湿度
的影响[56]。 而在热带地区,影响橡胶林土壤呼吸的主导因子在雨季为湿度,雾凉季是温度,干热季土壤呼吸
受到温、湿度因子的双重制约;在雨季,凋落物对土壤呼吸影响显著,而在干热季和雾凉季影响不显著[57]。 近
年来,非生长季森林土壤呼吸及其年际动态和极端气候现象的影响受到特别关注[58鄄62]。 陈光水等[63]通过收
集全国 62 个森林样地已发表土壤呼吸及相关因子数据,发现森林土壤呼吸年通量与年均气温、年均降水量、
年凋落物量和年地上净生产力均呈显著的线性正相关关系。
目前,由于土壤呼吸温度敏感性(Q10值)在区域碳循环模拟估计中的重要性,受到国内外研究的广泛关
注,其中土壤呼吸温度敏感性与土壤质量的关系成为争论的焦点。 Xu 等[12]研究发现,土壤分解温度敏感性
随土壤有机碳惰性程度增加而增加,支持了近来有关土壤有机质分解温度敏感性与土壤有机质质量呈正相关
的观点[64鄄65]。 Luan等在暖温带锐齿栎林和华山松人工林的研究也发现,土壤呼吸 Q10值的空间异质性与底物
可用性在空间上的分布有关,但与土壤有机质质量间的关系决定于驻留时间。 在我国川西亚高山暗针叶林
中,Q10值表现出强烈的季节和年变异;土壤温度是影响 Q10变化的主要因子,而土壤湿度则是 Q10变化的潜在
影响因素[66]。 Peng等[67]综合了近来已发表的 161 个野外观测数据,发现土壤呼吸温度敏感性受土壤温度测
量深度影响较大,随土壤温度测量点深度增加而显著增加。 Q10值具有明显的空间异质性,Q10值的空间分布
与降水及土壤有机碳含量的关系密切[68]。
0445 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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2. 2摇 土壤呼吸组分分离及其调控机制
森林土壤呼吸组分分离并确定不同组分时空变异的调控因子,是估测区域森林碳平衡的关键问题。 土壤
呼吸组分分离技术包括:成分综合法、离体根法、排除根法、树干环剥法、人工同位素标记法和天然同位素丰度
法等[69]。 国内学者近年来采用壕沟断根法(根排除法)对不同地区、类型森林土壤呼吸组分分离开展了大量
研究[26,56,70鄄71]。 对这些研究结果进行综合分析发现,森林土壤异养呼吸和枯枝落叶层呼吸与年凋落物量呈显
著正相关;森林土壤异养呼吸与自养呼吸间呈显著的线性正相关[63]。 中国温带地区 6 种森林土壤呼吸组分
分离研究发现,根际呼吸与细根生物量间存在较强的相关关系,而异养呼吸与 A 层土壤有机碳含量关系微
弱[33]。 我国暖温带锐齿栎林演替序列的研究表明,不同年龄阶段总呼吸差异是缘于微生物呼吸和根际呼吸
不同的贡献率。 老龄林土壤总呼吸高于其它林龄土壤呼吸主要是由于土壤微生物呼吸明显大于其它森林所
致,而高的微生物呼吸则主要是由于老龄林土壤中储存了大量的有机碳,尤其是活性有机碳库造成。 随林龄
增加,栎类林根际呼吸则在成熟林(80 年生)时期达到最大,老龄林则降低[6,31]。
2. 3摇 全球变化对森林土壤呼吸的影响
全球变化,涉及氮沉降、酸雨胁迫、气候变化和土地利用与土地覆盖变化对土壤呼吸的影响,国内近些年
来开展了大量的研究工作,见表 1。
表 1摇 干扰方式对中国森林土壤呼吸及温度敏感性的影响
Table 1摇 Impacts of disturbance types on forest soil respiration and Q10 in China
干扰
Disturbance
处理方式
Treatment
地点
Sites
森林类型
Forest types
土壤呼吸
Soil respiration
Q10
参考文献
References
皆伐 Clear cut 对照 福建农林大学西芹教学林场
杉木人工林
Cunninghamia
lanceolata
2. 42 [28]
皆伐地 1. 42
皆伐火烧
Clear up & burning 对照 福建三明
27 年生杉木
人工林 86. 1—367. 9 mg m
-2h-1 2. 1 [72]
皆伐 62. 2—211. 7 mg m-2h-1 1. 3
火烧 42. 6—150 mg m-2h-1 1. 1
凋落物处理
Litter management 对照
长沙天际岭国家
森林公园 杉木人工林 180. 9 mg m
-2h-1 2. 26 [71]
去除凋落物 159. 2 mg m-2h-1 2. 39
加倍凋落物 216. 8 mg m-2h-1 2. 43
凋落物处理
Litter management 对照
长沙天际岭国家
森林公园
马尾松人工林
Pinus massonian 234. 97 mg m
-2h-1 2. 1 [73]
去除凋落物 175. 18 mg m-2h-1 2. 16
添加凋落物 310. 36 mg m-2h-1 2. 56
凋落物处理
Litter management 对照
东北林业大学帽
儿山
落叶松(Larix
gmelinii)人工林 2. 20 滋mol·m
-2·s-1 2. 33 [74]
林床清理 1. 18 滋mol·m-2·s-1 2. 22
施肥 Fertilizer 对照 东北林业大学帽儿山
水曲柳
Fraxinus
mandshuric
2. 45 [75]
施肥 降低 2. 47
对照 落叶松Larix gmelinii 3. 05
施肥 降低 3. 02
氮沉降 Nitrogen deposition 对照 华西雨屏区 苦竹人工林Pleioblastus amarus (5. 85依0. 43) t C·hm
-2·a- 1 [76]
低氮 5 (6. 48依0. 71) t C·hm-2·a- 1
1445摇 19 期 摇 摇 摇 刘世荣摇 等:中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展 摇
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摇 摇 续表
干扰
Disturbance
处理方式
Treatment
地点
Sites
森林类型
Forest types
土壤呼吸
Soil respiration
Q10
参考文献
References
中氮 15 (6. 84依0. 57) t C·hm-2·a- 1
高氮 30 (7. 62依0. 55) t C·hm-2·a- 1
氮沉降 Nitrogen deposition 对照 华西雨屏区 光皮桦Betula luminifera 3. 94 [77]
低氮 5 比对照低 27. 60% 3. 19
中氮 15 比对照低 35. 90% 2. 69
高氮 30 比对照低 47. 7% 2. 41
氮沉降 Nitrogen deposition 对照 龙王山 亚 热 带 落 叶 阔叶林 (339. 50依16. 85) mg·m
-2·h-1 2. 53 [78]
低氮 5 (310. 62依43. 96) mg·m-2·h-1 3. 22
中氮 10 (306. 43依15. 33) mg·m-2·h-1 2. 64
高氮 15 (301. 35依18. 17) mg·m-2·h-1 2. 92
氮沉降 Nitrogen deposition 对照 广东
热带常绿阔叶林
mature tropical
forest
(69依3) mg·m-2·h-1 2. 6 [47]
低氮 5 (72依3) mg·m-2·h-1
中氮 15 (63依1) mg·m-2·h-1
高氮 30 (58依3) mg·m-2·h-1 2. 2
氮沉降 Nitrogen deposition 对照 川西南 常绿阔叶林 (612. 21依77. 82) mg·m-2·h-1 [79]
低氮 5 (638. 19依116. 70) mg·m-2·h-1
中氮 10 (587. 08依125. 90) mg·m-2·h-1
高氮 15 (570. 85依111. 45) mg·m-2·h-1
多种处理
Multiple treatment 对照 华南植物园
南亚热带人工森
林生态系统 3308. 4 g·m
–2·a–1 [80]
大气 CO2 浓
度倍增
4241. 7 g·m–2·a–1
高氮沉降 3400. 8 g·m–2·a–1
高降雨 3432. 0 g·m–2·a–1
增温 Warming 对照 米亚罗 川西亚高山人工云杉林 1. 93—3. 37滋mol·m
-2·s-1 [81]
增温 1 年 2. 03—3. 72 滋mol·m-2·s-1 3. 66
对照 2. 85—4. 49 滋mol·m-2·s-1
增温 2 年 2. 95—4. 33滋mol·m-2·s-1 3. 15
增温 Warming in
winter(冬季) 对照 岷江上游
华山松林
Pinus armandii 0. 51 滋mol·m
-2·s-1 [82]
增温 0. 67 滋mol·m-2·s-1
摇 摇 模拟氮沉降单位 Manipulated nitrogen deposition:g N·m-2·a-1
Mo等[47]通过对氮饱和状态的热带森林进行模拟氮沉降实验发现,N增加会降低氮饱和热带森林的土壤
呼吸速率和 Q10值。 同时发现,土壤呼吸降低发生在热、湿的生长季,与微生物活性及细根生物量等的降低有
关。 同样,华西雨屏区光皮桦(Betula luminifera)林和龙王山北亚热带落叶阔叶林模拟氮沉降试验发现,氮沉
降对土壤呼吸产生抑制效应[77]。 但是,川西南常绿阔叶林和华西雨屏区苦竹林,氮沉降明显促进了土壤呼
吸,氮沉降使细根生物量和代谢强度增加,并增加微生物活性促进根际土壤呼吸是造成土壤呼吸增加的主要
原因。 模拟氮沉降还使得土壤呼吸 Q10值增大,表明氮沉降可能增强了土壤呼吸的温度敏感性[76]。
目前,许多森林土壤模拟增温试验研究发现,增温后土壤呼吸速率显著提高[81]。 土壤增温导致土壤呼吸
速率增加的主要原因解释为,(1)土壤蔗糖酶和多酚氧化酶活性均显著增强;(2)显著促进了微生物的生长,
土壤微生物生物量碳、氮增加;(3)显著提高了土壤的可溶性无机氮含量,即增加了土壤的 NO-3 鄄N 和 NH+4 鄄N
2445 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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浓度。 但是,模拟 CO2浓度升高对森林土壤呼吸作用的影响尚未确定,在红松和长白松林中土壤呼吸速率明
显降低,土壤表面 CO2浓度升高导致 CO2扩散受阻可能是土壤呼吸受到抑制的主要原因[83],而在南亚热带人
工林大气 CO2浓度倍增和高氮沉降使土壤呼吸速率显著提高[80]。 不同海拔高度上土壤呼吸的空间变化与土
壤温度呈显著的相关性,证明土壤温度是调控土壤呼吸在海拔高度上变化的主导因子[84]。
土地利用变化通过改变土壤 C 排放过程造成土壤有机碳损失,Sheng 等[85]发现,天然林转变为坡耕地
后,土壤呼吸温度敏感性显著提高,而转变为柑橘果园后则显著降低。 相反,天然林转变为次生林后年土壤呼
吸降低了 32% ,转变为人工林则降低 46%—48% ,转变为柑橘果园和坡耕地则分别降低了 63%和 50% ,土壤
呼吸降低可能是由于地表有机碳及轻组有机碳库以及与植物生产力相关的活细根生物量、年凋落物输入量等
的降低引起的。 而 Shi等[7]发现,将次生栎类林改种人工针叶林后,土壤呼吸明显增加,而土壤呼吸温度敏感
性则显著降低。 对亚热带格氏栲天然林和 33 年生格氏栲及杉木人工林的土壤呼吸进行为期 2a 的研究发现,
杉木林土壤呼吸对气候变化敏感性高于格氏栲天然林和人工林。 格氏栲人工林和杉木人工林土壤呼吸年通
量均低于格氏栲天然林,森林转换对土壤呼吸通量的影响可能与枯落物数量和质量、根系呼吸、土壤有机质数
量和质量的变化有关[28]。
3摇 森林土壤碳储量与土壤碳过程的研究展望
我国森林类型跨越热带至寒温带、湿润至干旱和半干旱气候区,植被和土壤类型多样。 这种空间上环境
和生物要素方面的异质性,导致土壤有机碳积累过程和固持潜力呈现区域差异。 因此,需要通过开展大型野
外控制实验,研究特定环境中土壤固碳关键过程与多因子驱动机制及其相应贡献。
土壤生态系统的碳氮循环相互作用较为复杂,目前对碳氮过程的耦合机制的认识十分有限。 因此,今后
应加强土壤碳氮循环的相互作用机制研究,特别是土壤活性组分和稳定性组分之间的流动速率与分配、森林
植物与土壤之间的反馈作用、碳氮分配的非固定性以及其它因子(植被类型、气象因子及其它养分)等亟待研
究的重要科学问题。
气候变化,包括 CO2浓度升高、气温增加和降水变化对森林土壤碳储量及其持续固碳潜力的影响还存在
较大的不确定性。 土壤碳库是生态系统长期演化过程中形成的,其对当前大气 CO2的汇效应以及响应大气
CO2升高的库变化尚不清楚。 人类活动导致的温度 /降水时空格局改变、大气氮沉降增加,将严重影响森林土
壤碳储量及碳过程以及各种碳组分间平衡关系和陆地生态系统碳源 /汇强度。 因此,土壤碳循环关键过程对
气候变化(如温度升高、降水格局变化等)和各种扰动(如氮沉降的增加等)的响应和适应将是今后全球变化
生态学研究的核心问题。
区域森林碳汇功能的评估及其对环境响应和适应性分析最有效的途径是以生态系统模型为基础的综合
模拟系统。 因此,构建整合新一代多尺度、多过程的生态过程机理模型鄄遥感模型鄄观测数据融合系统是模拟
和评估区域森林碳循环时空格局特征的迫切需要。 以不同森林类型土壤碳库演变动态为检验基准,重建动态
植被模型的土壤碳模块,可预测气候变化驱动和多目标生态系统管理下土壤固碳能力与潜力变化强度与
趋势。
综上所述,森林土壤碳循环研究的发展趋势是,综合生态研究网络的长期监测、人工影响模拟实验和建模
与预测分析等研究方法,并且采用生态学、地球化学和化学等多学科、交叉学科领域的理论与方法,阐明森林
土壤的固碳功能与可持续固持机制,以减少森林土壤碳储量和变率科学估算的不确定性,发展适应全球变化
的基于土壤固碳功能的可持续土地管理体系。
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8445 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 19 October,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Ecology research and its effects on social development in China LI Wenhua (5421)……………………………………………………
The current mission of ecology鄄advancing under the situation of chaos and innovation JIANG Youxu (5429)…………………………
Resilience thinking: development of ecological concept PENG Shaolin (5433)…………………………………………………………
A review of research progress and future prospective of forest soil carbon stock and soil carbon process in China
LIU Shirong, WANG Hui, LUAN Junwei (5437)
……………………
……………………………………………………………………………………
Research on carbon budget and carbon cycle of terrestrial ecosystems in regional scale: a review
YU Guirui, FANG Huajun, FU Yuling, et al (5449)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Advances in the studying of the relationship between landscape pattern and river water quality at the watershed scale
LIU Lijuan, LI Xiaoyu, HE Xingyuan (5460)
………………
………………………………………………………………………………………
Research on the protection of Davidia involucrata populations, a rare and endangered plant endemic to China
CHEN Yan, SU Zhixian (5466)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
Progress on water resources input鄄output analysis XIAO Qiang, HU Dan, GUO Zhen,et al (5475)……………………………………
Research advances of contraception control of rodent pest in China LIU Hanwu, WANG Rongxin, ZHANG Fengqin, et al (5484)…
Response of vegetation to climate change and human activity based on NDVI in the Three鄄River Headwaters region
LI Huixia, LIU Guohua,FU Bojie (5495)
…………………
……………………………………………………………………………………………
Remediation of blowout pits by clonal plants in Mu Us Sandland YE Xuehua, DONG Ming (5505)…………………………………
Precipitation trends during 1961—2010 in the Loess Plateau region of China
WANG Qixiang, FAN Xiaohui, WANG Mengben (5512)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
An evaluation method for forest resources sustainability CUI Guofa, XING Shaohua, JI Wenyuan, et al (5524)………………………
Effects of landscape patterns on soil and water loss in the hilly area of loess plateau in China: landscape鄄level and comparison
at multiscale WANG Jiping, YANG Lei, WEI Wei, et al (5531)…………………………………………………………………
The impacts of future climatic change on agricultures and eco鄄environment of Loess Plateau in next decade
E Youhao, SHI Qian,MA Yuping, et al (5542)
…………………………
……………………………………………………………………………………
Valuation of ecological capital in Shandong coastal waters: standing stock value of biological resources
DU Guoying, CHEN Shang, XIA Tao, et al (5553)
………………………………
………………………………………………………………………………
Valuation of ecological capital in Shandong coastal waters: provisioning service value
WANG Min, CHEN Shang, XIA Tao, et al (5561)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
The dynamics of the structure and plant species diversity of evergreen broadleaved forests in Damingshan National Nature Reserve
after a severe ice storm damage in 2008, China ZHU Hongguang, LI Yanqun, WEN Yuanguang, et al (5571)…………………
Interactive effects of low phosphorus and drought stress on dry matter accumulation and phosphorus efficiency of soybean plants
QIAO Zhenjiang, CAI Kunzheng, LUO Shiming (5578)
……
……………………………………………………………………………
The eco鄄efficiency evaluation of the model city for environmental protection in China
YIN Ke, WANG Rusong, YAO Liang, et al (5588)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………
Pollution footprint and its application in regional water pollution pressure assessment: a case study of Huzhou City in the
upstream of Taihu Lake Watershed JIAO Wenjun, MIN Qingwen, CHENG Shengkui, et al (5599)……………………………
Ecological effect of green space of Shanghai in different spatial scales in past 20 years
LING Huanran, WANG Wei, FAN Zhengqiu, et al (5607)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Assessing indicators of eco鄄mobility in the scale of urban communities DAI Xin, ZHOU Chuanbin, WANG Rusong, et al (5616)…
Spatial structure of urban ecological land and its dynamic development of ecosystem services: a case study in Changzhou City,
China LI Feng, YE Yaping, SONG Bowen, et al (5623)…………………………………………………………………………
The carbon emissions embodied in Chinese household consumption by the driving factors
YAO Liang, LIU Jingru, WANG Rusong (5632)
………………………………………………
……………………………………………………………………………………
The research on eco鄄efficiency and canbon reduction of recycling coal mining solid wastes: a case study of Huaibei City, China
ZHANG Haitao, WANG Rusong, HU Dan, et al (5638)
……
…………………………………………………………………………
Effects of urban shading on photosynthesis of Euonymus japonicas YU Yingying,HU Dan, GUO Erhui,et al (5646)…………………
Ecological view of traditional rural settlements: a case study in Yonghan of Guangdong Province
JIANG Xueting, YAN Lijiao, HOU Deqian (5654)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
The altitudinal pattern of insect species richness in the Three Gorge Reservoir Region of the Yangtze River: effects of land cover,
climate and sampling effort LIU Ye, SHEN Zehao (5663)…………………………………………………………………………
Spatial鄄temporal patterns of fishing grounds and resource of Chilean jack mackerel (Trachurus murphyi) in the Southeast Pacific
Ocean HUA Chengjun, ZHANG Heng, FAN Wei (5676)…………………………………………………………………………
Impacts of Ambrosia artemisiifolia invasion on community structure of soil meso鄄 and micro鄄 fauna
XIE Junfang, QUAN Guoming, ZHANG Jiaen, et al (5682)
……………………………………
………………………………………………………………………
Appearance in spring and disappearance in autumn of Bemisia tabaci in China
CHEN Chunli, ZHI Junrui, GE Feng, et al (5691)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Water use strategies of Malus toringoides and its accompanying plant species Berberis aemulans
XU Qing,WANG Haiying,LIU Shirong (5702)
………………………………………
………………………………………………………………………………………
Analysis of vertical profiles of soil CO2 efflux in Chinese fir plantation
WANG Chao, HUANG Qunbin, YANG Zhijie, et al (5711)
…………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Eco鄄toxicological effects of four herbicides on typical aquatic snail Pomacea canaliculata and Crown conchs
ZHAO Lan, LUO Shiming,LI Huashou,et al (5720)
…………………………
………………………………………………………………………………
Effects of short鄄term cold鄄air outbreak on soil respiration and its components of subtropical urban green spaces
LI Xibo,ZENG Wenjing,LI Jinquan,et al (5728)
………………………
…………………………………………………………………………………
Effects of landscape pattern on watershed soil erosion and sediment delivery in hilly and gully region of the Loess Plateau of China:
patch class鄄level WANG Jiping, YANG Lei, WEI Wei, et al (5739)……………………………………………………………
Partitioning and mapping the sources of variations in the ensemble forecasting of species distribution under climate change: a
case study of Pinus tabulaeformis ZHANG Lei, LIU Shirong, SUN Pengsen, et al (5749)………………………………………
Relationship between masson pine tree鄄ring width and NDVI in North Subtropical Region
WANG Ruili, CHENG Ruimei, XIAO Wenfa, et al (5762)
……………………………………………
………………………………………………………………………
Effects of species composition on canopy rainfall storage capacity in an alpine meadow, China
YU Kailiang, CHEN Ning, YU Sisheng, et al (5771)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Dynamics of soil water conservation during the degradation process of the Zoig俸 Alpine Wetland
XIONG Yuanqing, WU Pengfei, ZHANG Hongzhi, et al (5780)
………………………………………
…………………………………………………………………
Soil urease activity during different vegetation successions in karst peak鄄cluster depression area of northwest Guangxi, China
LIU Shujuan, ZHANG Wei, WANG Kelin, et al (5789)
………
…………………………………………………………………………
Analysis the effect of region impacting on the biomass of domestic Masson pine using mixed model
FU Liyong, ZENG Weisheng, TANG Shouzheng (5797)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Influence of fire on a Pinus massoniana soil in a karst mountain area at the center of Guizhou Province, China
ZHANG Xi, ZHU Jun, CUI Yingchun, et al (5809)
………………………
………………………………………………………………………………
The growth and distrubution of Platycladus orientalis Seed鄄base seedling root in different culture periods
YANG Xitian, DONG Nalin, YAN Dongfeng, et al (5818)
………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of complex pollution of CTAB and Cd2+ on the growth of Chinese sweetgum seedlings
ZHANG Qin, XUE Jianhui, LIU Chenggang (5824)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
The influence of volatiles of three invasive plants on the roots of upland rice seedlings
ZHANG Fengjuan, XU Xingyou, GUO Aiying, et al (5832)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Age structure and regeneration strategy of the dominant species in a Castanopsis carlesii鄄Schima superba forest
SONG Kun,SUN Wen,DA Liangjun (5839)
………………………
…………………………………………………………………………………………
A study on application of hepatic microsomal CYP1A biomarkers from Sebastiscus marmoratus to monitoring oil pollution in Xiamen
waters ZHANG Yusheng, ZHENG Ronghui, CHEN Qingfu (5851)………………………………………………………………
The method of measuring energy flow渍and籽in ecological networks by input鄄output flow analysis
LI Zhongcai, XI Xudong, GAO Qin, et al (5860)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 19 期摇 (2011 年 10 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

(Semimonthly,Started in 1981)

Vol郾 31摇 No郾 19摇 2011
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