Development and experimental validation of a mathematical model for friction between fabrics and a volar forearm phantom.

An analytical mathematical model for friction between a fabric strip and the volar forearm has been developed and validated experimentally. The model generalizes the common assumption of a cylindrical arm to any convex prism, and makes predictions for pressure and tension based on Amontons' law. This includes a relationship between the coefficient of static friction (mu) and forces on either end of a fabric strip in contact with part of the surface of the arm and perpendicular to its axis. Coefficients of friction were determined from experiments between arm phantoms of circular and elliptical cross-section (made from Plaster of Paris covered in Neoprene) and a nonwoven fabric. As predicted by the model, all values of mu calculated from experimental results agreed within +/- 8 per cent, and showed very little systematic variation with the deadweight, geometry, or arc of contact used. With an appropriate choice of coordinates the relationship predicted by this model for forces on either end of a fabric strip reduces to the prediction from the common model for circular arms. This helps to explain the surprisingly accurate values of mu obtained by applying the cylindrical model to experimental data on real arms.

Coral reef ecosystems of St. John, U.S. Virgin Islands: spatial and temporal patterns in fish and benthic communities (2001-2009)

Scientific and anecdotal observations during recent decades have suggested that the structure and function of the coral reef ecosystems around St. John, U.S. Virgin Islands have been impacted adversely by a wide range of environmental stressors. Major stressors included the mass die-off of the long-spined sea urchin (Diadema antillarum) in the early 1980s, a series of hurricanes (David and Frederick in 1979, and Hugo in 1989), overfishing, mass mortality of Acropora species and other reef-building corals due to disease and several coral bleaching events. In response to these adverse impacts, the National Centers for Coastal Ocean Science (NCCOS), Center for Coastal Monitoring and Assessment, Biogeography Branch (CCMA-BB) collaborated with federal and territorial partners to characterize, monitor, and assess the status of the marine environment around the island from 2001 to 2012. This 13-year monitoring effort, known as the Caribbean Coral Reef Ecosystem Monitoring Project (CREM), was supported by the NOAA Coral Reef Conservation Program as part of their National Coral Reef Ecosystem Monitoring Program. This technical memorandum contains analysis of nine years of data (2001-2009) from in situ fish belt transect and benthic habitat quadrat surveys conducted in and around the Virgin Islands National Park (VIIS) and the Virgin Islands Coral Reef National Monument (VICR). The purpose of this document is to: 1) Quantify spatial patterns and temporal trends in (i) benthic habitat composition and (ii) fish species abundance, size structure, biomass, and diversity; 2) Provide maps showing the locations of biological surveys and broad-scale distributions of key fish and benthic species and assemblages; and 3) Compare benthic habitat composition and reef fish assemblages in areas under NPS jurisdiction with those in similar areas not managed by NPS (i.e., outside of the VIIS and VICR boundaries). This report provides key information to help the St. John management community and others understand the impacts of natural and man-made perturbations on coral reef and near-shore ecosystems. It also supports ecosystem-based management efforts to conserve the region’s coral reef and related fauna while maintaining the many goods and ecological services that they offer to society.

Assessment and monitoring of marine debris in Gray's Reef National Marine Sanctuary

Gray’s Reef National Marine Sanctuary (GRNMS) is located 32.4 km offshore of Sapelo Island, Georgia. The ecological importance of this area is related to the transition between tropical and temperate waters, and the existence of a topographically complex system of ledges. Due to its central location, GRNMS can be used as a focal site to study the accumulation and impacts of marine debris on the Atlantic continental shelf offshore of the Southeast United States. Previously, researchers characterized marine debris in GRNMS and reported that incidence of the debris at the limited densely colonized ledge sites was significantly greater than at sand or sparsely colonized live bottom, and is further influenced by the level of boating activity and physiographic characteristics (e.g., ledge height). Information gleaned from the initial marine debris characterization was used to devise a strategy for prioritizing cleanup and monitoring efforts. However, a significant gap in knowledge was the rate of debris accumulation. The primary objective of this study was to select, mark, and perform initial marine debris surveys at permanent monitoring sites within GRNMS to quantify long-term trends in types, abundance, impacts, and accumulation rates of debris. Ledge sites were selected to compare types, abundance, and accumulation rates of marine debris between a) areas of high and low use and b) short and tall ledges. Nine permanent monitoring sites were marked and initially surveyed in 2007/2008. Surveys were conducted within a 50 x 4 m transect for a total survey area of 200 square meters. All debris was removed and detailed information was taken on the types of debris, quantity, and associations with benthic fauna. Information on associations with benthic fauna included degree of entanglement, type of organism with which it is entangled or resting on, degree of fouling, and visible impacts such as tissue abrasions. Sites were re-surveyed approximately one year later to quantify new accumulation. During the initial survey, a total of ten debris items, totaling 16.3 kg in weight, were removed from two monitoring stations, both “tall” sites within the area of high boat use. Year-one accumulation totaled five items and approximately 7 kg in weight. Similar to the initial survey, all debris was found at sites in the area of high boat use. However, in contrast to the initial survey, two of these items were found on medium-height ledges. Removed items included fishing line, leaders, rope, plastic, and fabric. Although items were often encrusted in benthic biota or entangled on the ledge, impacts such as abrasions or other injuries were not observed. During the 2009 monitoring efforts, volunteer divers were trained to conduct the survey. Monitoring protocols were documented for GRNMS staff and included as an appendix of this report to enable long-term monitoring of sites. Additionally, national reconnaissance data (e.g. satellite, radar, aerial surveys) and other information on known fishing locations were examined for patterns of resource use and correlations with debris occurrence patterns. A previous model predicting the density of marine debris based on ledge features and boat use was refined and the results were used to generate a map of predicted debris density for all ledges.

St. John, USVI mission report, NOAA/NOS/NCCOS/CCMA/Biogeography Branch, July 6 - July 17, 2009

The intent of this field mission was to continue ongoing efforts: (1) to spatially characterize and monitor the distribution, abundance and size of reef fishes, and the abundance of macroinvertebrates (conch, Diatema, lobster) within and around the waters of the Virgin Islands National Park (VIIS) and newly established Virgin Islands Coral Reef National Monument (VICR), (2) to correlate this information to in-situ data collected on associated habitat parameters, (3) to use this information to establish the knowledge base necessary for enacting management decisions in a spatial setting and (4) to establish the efficacy of those management decisions. An additional focus this year, was to evaluate a new habitat data collection method for RHA sites (MSR and some Coral Bay sites). There are concerns that the cylinder habitat data are not reflective of the fish transect habitat. To address this, we collected habitat data at 5x4 m increments along the transect in addition to data collected using the cylinder method. We are currently assessing the potential differences between these methods and preliminary results indicate that the average difference of coral cover estimates between the two methods was 4.1% (range 0-11%) based on 16 sample sites. In addition, Erinn Muller, a Nancy Foster Fellowship recipient, collaborated with the Biogeography Branch to examine the spatial distribution of coral diseases, to provide baseline information on disease prevalence over varying spatial scales and to establish spatial distributions of coral diseases around St. John.

Abundance of cetaceans in the oceanic northern Gulf of Mexico from 2003 and 2004 ship surveys

The Gulf of Mexico (GMx) is a subtropical marginal sea of the western North Atlantic Ocean with a diverse cetacean community. Ship-based, line-transect abundance surveys were conducted in oceanic waters (>200 m deep) of the northern GMx within U.S. waters (380,432 square km) during summer 2003 and spring 2004. Data from these surveys were pooled and minimum abundance estimates were based on 10,933 km of effort and 433 sightings of at least 17 species.The most commonly sighted species (number of groups) were pantropical spotted dolphin, Stenella attenuata (115); sperm whale, Physeter macrocephalus (85); dwarf/pygmy sperm whale, Kogia sima/breviceps (27); Risso’s dolphin, Grampus griseus (26); and bottlenose dolphin, Tursiops truncatus (26). The most abundant species (number of individuals; coefficient of variation) were S. attenuata (34,067; 0.18); Clymene dolphin, S. clymene (6,575; 0.36); T. truncatus (3,708; 0.42); and striped dolphin, S. coeruleoalba (3,325; 0.48). The only large whales sighted were P. macrocephalus (1,665; 0.20) and Bryde’s whale, Balaenoptera edeni (15; 1.98). Abundances for other species or genera ranged from 57 to 2,283 animals. Cetaceanswere sighted throughout the oceanic northern GMx, and whereas many species were widely distributed, some had more regional distributions. Compared to abundance estimates for this area based on 1996-2001 surveys, the estimate for S. attenuata was significantly smaller (P <0.05) and that for the spinner dolphin, S. longirostris, appeared much smaller. Also, P. macrocephalus estimates were based on less negatively biased estimates of group-size using 90-minute counts during 2003 and 2004.

Distribution and abundance of humpback whales (Megaptera novaeangliae) and other marine mammals off the northern Washington coast

We examined the summer distribution of marine mammals off the northern Washington coast based on six ship transect surveys conducted between 1995 and 2002, primarily from the NOAA ship McArthur. Additionally, small boat surveys were conducted in the same region between 1989 and 2002 to gather photographic identification data on humpback whales (Megaptera novaeangliae) and killer whales (Orcinus orca) to examine movements and population structure. In the six years of ship survey effort, 706 sightings of 15 marine mammal species were made. Humpback whales were the most common large cetacean species and were seen every year and a total of 232 sightings of 402 animals were recorded during ship surveys. Highest numbers were observed in 2002, when there were 79 sightings of 139 whales. Line-transect estimates for humpback whales indicated that about 100 humpback whales inhabited these waters each year between 1995 and 2000; in 2002, however, the estimate was 562 (CV= 0.21) whales. A total of 191 unique individuals were identified photographically and mark recapture estimates also indicated that the number of animals increased from under 100 to over 200 from 1995 to 2002. There was only limited interchange of humpback whales between this area and feeding areas off Oregon and California. Killer whales were also seen on every ship survey and represented all known ecotypes of the Pacific Northwest, including southern and northern residents, transients, and offshore-type killer whales. Dall’s porpoise (Phocoenoides dalli) were the most frequently sighted small cetacean; abundance was estimated at 181−291 individuals, except for 2002 when we observed dramatically higher numbers (876, CV= 0.30). Northern fur seals (Callorhinus ursinus) and elephant seals (Mirounga angustirostris) were the most common pinnipeds observed. There were clear habitat differences related to distance offshore and water depth for different species.

Abundance of cetatceans in the southern U.S. North Atlantic Ocean during summer 1998

The U.S. Marine Mammal Protection Act requires that the abundance of marine mammals in U.S. waters be assessed. Because this requirement had not been met for a large portion of the North Atlantic Ocean (U.S. waters south of Maryland), a ship-based, line-transect survey was conducted with a 68 m research ship between Maryland (38.00°N) and central Florida (28.00°N) from the 10-m isobath to the boundary of the U.S. Exclusive Economic Zone. The study area (573,000 km2) was surveyed between 8 July and 17 August 1998. Minimum abundance estimates were based on 4163 km of effort and 217 sightings of at least 13 cetacean species and other taxonomic categories. The most commonly sighted species (number of groups) were bottlenose dolphins, Tursiops truncatus (38); sperm whales, Physeter macrocephalus (29); Atlantic spotted dolphins, Stenella frontalis (28); and Risso’s dolphins, Grampus griseus (22). The most abundant species (abundance; coeffi cient of variation) were Atlantic spotted dolphins (14,438; 0.63); bottlenose dolphins (13,085; 0.40); pantropical spotted dolphins, S. attenuate (12,747; 0.56); striped dolphins, S. coeruleoalba (10,225; 0.91); and Risso’s dolphins (9533; 0.50). The abundance estimate for the Clymene dolphin, S. clymene (6086; 0.93), is the first for the U.S. Atlantic Ocean. Sperm whales were the most abundant large whale (1181; 0.51). Abundances for other species or taxonomic categories ranged from 20 to 5109. There were an estimated 77,139 (0.23) cetaceans in the study area. Bottlenose dolphins and Atlantic spotted dolphins were encountered primarily in continental shelf (<200 m) and continental slope waters (200−2000 m). All other species were generally sighted in oceanic waters (>200 m). The distribution of some species varied north to south. Striped dolphins, Clymene dolphins, and sperm whales were sighted primarily in the northern part of the study area; whereas pantropical spotted dolphins were sighted primarily in the southern portion.

中国东北温带样带区域和景观尺度生态模型的研究

样带是沿全球变化某一驱动因素的主要梯度而设置的由一系列研究站点构成的区域，被认为是研究全球变化与陆地生态系统关系的最有效的途径。而模型研究是全球变化研究中不可或缺的手段。本文即采用模型研究方法研究中国东北温带样带(NECT)区域，试图揭示温带生态系统对于全球变化（尤其是降水）的反应机制。 中国东北温带样带（NECT)位于42°N - 46°N，108°E - 132°E，长约二千多公里，是最早被列入GCTE的四条样带之一，从东到西有明显的湿度梯度，被认为是温带区域研究水分梯度的代表性样带。本文研究主要集中在： 1．NECT中环境数据库的建立,本文采用EIS作为数据管理系统。由于EIS管理空间数据的特点是根据确定的地理坐标来提供空间定位，因而每一环境因子的属性值分布都有确定的地理坐标与其对应，特别适合于样带这种研究区域较大，同时又要求有精确空间定位的区域。NECT环境数据库包括地形、气候、植被、土壤、土地利用、水文、孢粉数据及社会经济等分库、本数据库力图提供各环境因子的各种属性值而代替仅仅提供类型值。 2．NECT中PFTs的划分PFTs的划分被认为是建立DGVM的前提。本文认为PFTs的划分是模型研究中一个尺度上升过程的结果，不同的尺度，不同的研究目标导致不同的PFTs的划分。在NECT区域中，考虑植被对全球变化中降水因子的不同反映机制，采用生活型、高度、耐旱特性、叶子大小、叶子季相、主根深度和木质化程度等指标根据- TWINSPAN和FCLUS进行划分，得到以下9种NECT区域中植被功能类型：常绿针叶树种、落叶针叶树种、落叶阔叶树种、落叶小叶灌木、落叶小叶半灌木、落叶强旱生半灌木、多年生中旱生草本、适应旱生环境的多年生草本和多年生强旱生草本。对NECT区域中PFTs的DCA分析表明降水是控制PFTs在NECT区域中分布的主要环境因子。在代表景观层次的长白山PFTs的划分中，则采用树种有记载的最大寿命、最大胸径、最大树高、各树种生长参数、树种自然分布区内>5℃的有效积温的最小值和最大值、耐阴、耐旱、喜肥特性、树种的扩散更新，就地下种更新和萌条更新能力参数及叶子大小和类型等指标采用上述软件得到的以下PFTs:即不耐荫阔叶树种、耐荫阔叶树种、耐荫针叶树种和不耐荫的阳生针叶树种。 3.NECT中BCM模型的建立和预测 本文认为土壤水是决定SPC系统水分状况的直接指标。而均衡土壤水分剖面代表了土壤水的多年平均状态，因而本文以Watershed模型为基础，模拟NECT区域中任意一点的均衡土壤水分剖面（精度为每经纬网格32×48个点）;然后根据这个均衡水分剖面用计算LAI子模型确定该水分剖面所能支持的LAI;进而根据这个LAI由Biome等模型划分出Biome在NECT中的分布。全球变化的结果将改变区域中任意一点的土壤水分状况，从而影响植被的LAI，进而导致Biome的改变。本模型成功的模拟了LAI和Biome在NECT区域中的分布，利用85-90生长季每月平均的NDVI作相关检验表明除5月份以外，相关系数都>0.7，而5月份也达到0,6457，都达到了极显著的程度。尤为重要的是，模型对于不同植被类型的NDVI与LAI的对应关系有良好的模拟，如针叶林的LAI在相同的NDVI值下明显比阔叶林小，因而模型模拟的LAI在NECT东部针叶林分布区LAI值比针阔混交林明显偏小，而与Spanmen等(1990)所提出的针叶林叶面积指数与NDVI关系非常一致。模型的预测显示：(1) T+20C (PET+15%)，Precipitation+20%，LAI总体上变化不大，且空间变化呈现复杂性，总体上表现出草原植被LAI减少，而森林的LAI增加;Biome层次表现出针阔混交林和矮草原面积扩大，针叶林和森林草原面积减少，其中对于该情形下变化最为明显的是针叶林和森林草原。NECT东部区域发育在沙性土上的植被的LAI明显增加，而科尔沁沙地植被的LAI则维持不变。(2)T+40C (PET+30%)，Precipitation+20%，LAI总体上将减小0.14，但空间分布不均。东部森林区域LA1将维持不变或增加（主要为针叶林），草原植被LAI仍表现出减少趋势;在Biome层次上则表现出草原面积的扩大。对于第一种情形下LAI有增有减的森林革原地区则表现出减小的一致性，总体来说，第二种情形比第一种情形表现出相当的干旱性。从对两种全球变化情形的反应来看，针叶林和森林草原是NECT中对全球变化驱动因子温度和降水的敏感植被类型;丽科尔沁沙地植被表现出相当的稳定性，表明该沙地的敏感性主要是由于人类活动这个因子造成的。 4.NECT中景观层次NPP模型的建立和预测 景观层次之所以成为模型研究中一个独特的层次，是由于地形效应的存在。地形效应对于水、热。营养物质的进行重新分配，从而进一步控制了生态系统的分布。本文选择NECT区域中森林生态系统的代表性分布小流域一二道白河小流域为研究区域。首先，应用Sunlight模型来模拟小流域任意一点所截取的能用于光合作用的太阳辐射能。Sunlight模型充分考虑了由于栅格的坡度、坡向和遮蔽度对可照时间和太阳直射辐射的影响以及坡度和可祝度对太阳散射辐射的影响，并提供了消除大气状况从站点观察数据推测的方法，即太阳直射辐射转换系数Rb和太阳散射辐射转换系数R，结合植被的分布特性，得到IPR在小流域中的分布。结果表明，IPR在小流域中相差不大，与高程呈正相关。进而利用温度修正模型得到温度修正系数，平均为0.446，表明温度对NPP的限制效应比较大;而水分修正系数则通过Topmodel模拟每一栅格的地下水位，由这个地下水位通过前述Waterbalance模型模拟均衡土壤水分剖面，进而求出水分修正系数，平均为0.86，表明该流域水分状况良好，水分状况对NPP的限制性不强。模拟结果显示：海拔1700m的岳桦林平均NPP为7.31t.ha-l年“两实测的NPP值分别为20.19 t.ha-l年 13.45 t.ha-l年‘1和5.15 t.ha-1年”。可见模型模拟的整个NPP的分布趋势与现实NPP分布一致。模型的预测表明：(1)．T+2℃( PET+15%)，P+20%时整个小流域的平均NPP将从14.60 t.ha-1年-1增加到16.65 t.ha_l年，且不同生态系统的增加幅度大致类似。以岳桦林生态系统稍高，增加幅度为15.3%，引起该小流域NPP增加的主要原因是温度状况的改善，而水分状况与变化前一致。(2)T+4℃( PET+30%)，P+20%的变化前景下NPP的增加幅度更大，整个小流域的平均NPP将达到18.63 t.ha-1年，且不同生态系统变化幅度不同．阔叶红松林、暗针叶林和岳桦林生态系统NPP增加幅度将分别达到25.8%，28.3%和32.8%.引起整个小流域NPP增加的主要原因仍旧是温度状况的大幅度提高，平均从变化前的0.477提高到0.610，而水分状况则仍保持相当的稳定性。

Eastern tropical Pacific corals monitor low latitude climate of the past 400 years

EXTRACT (SEE PDF FOR FULL ABSTRACT): We have measured coral growth band thickness and skeletal stable isotopic composition through a 371-year transect (AD 1583-1954) from a massive specimen of Pavona clavus from the Galápagos Islands. ... We observe a general cooling trend during 1860-1954, corresponding to the end of the Little Ice Age, an interval characterized by general warming at many mid-latitude sites. Variance at sunspot cycle frequencies in growth rate, stable isotopic, and trace element composition implies a direct or indirect link between the solar cycle and climate modulation in the eastern Pacific.

全球变化的植被——环境相关性：中国和东北样带（NECT）研究

全球变化与陆地生态系统(GCTE)的研究一直是国际地圈一生物圈计划(IGBP)．全球变化研究的焦点之一，其中植被与环境，尤其是气候的关系研究，虽然古老却又包含许多新的涵义，而陆地样带(Terrestrial Transect)则是近年来发起于GCTE，并拓展到IGBP其它核心项目的研究热点．博士后研究的主要工作有：将全球变化作为主线，以单个树种青冈(Cyclobalanopsisgtauco)为对象，研究其过去、现在和将来的地理分布与气候的关系;分别利用气温和降水指标，拓展Kira指标形成生物热量指数和干湿度指数，以及建立水热积指数，在宏观尺度上研究了中国植被与气候的关系;结合生物群区和植物功能型概念的发展以及生物多样性的研究，进行了以生物多样性保育为目的的我国生态地理区划;在熟悉IGBP陆地样带的科学计划并总结其最新发展动态的基础上，分析了中国东北样带的基本生态地理特征;最后，粗略分析r生物性多样保育与自然保护区建设和管理的关系问题。 1.植被一环境（气候）分类：指标、系统和模型 植被一气候关系是一个古老的命题，但在当今的全球变化研究中成为最基础和最具活力的工作。从单一因子的或多因子简单组合的分类指标，如Koppen，Box指标等，到以可能蒸散为基础的综合分类指标，如Penman，Thornthwaite, Holdridge，Budyko，Kira指标等，科学家们发展了众多的植被一气候分类系统和模型，如Koppen．Thornthwaite，Holdridge. Kira. Box. Neilson.Woodward, Budyko, Prentice系统，以及Holdridge，Uvardy，Matthews. Olson. Bailey．Woodward.Prentice. Box模型，为现今植被一气候关系的研究以及全球变化对陆地生态系统的影响，和大气C02增加对潜在植被变化的响应预测奠定了良好的基础。 2.基于物种的植被一气候关系研究：中国青冈的地理分布与气候的关系 在广泛收集青冈[Cyclobalanopsis glauca (Thunb.) Oerst.]地理分布资料的基础上，利用目前国际上比较流行的研究植被与气候相互关系的指标和方法，包括Kira的水热指标、Penman的公式、Thomthwaite的指标和气候分类、Holdridge的生命地带分类系统指标， 以及年平均气温(TEMP). 1月均温(Tl)、’7月均温(T7)、极端最高气温(TMAX)、极端最低气温(TMIN).≥10℃积温(AT)和年降水量(PREC)，研究了青冈在中国的地理分布与气候的关系，讨论了青冈垂直分布的上限、下限以及北界的Kira热量指标状况。根据孢粉资料和历史文献，探讨r历史时期青冈在中国大陆的分布与变迁及其与气候的关系，并利用Holdridge生命地带分类系统指标预测了C02浓度倍增条件下中国青冈分布区的可能变化。 3.宏观尺度上的中国植被一气候关系 1）用气温、降水指标研究中国植被一气候关系 能够在气象台站直接、方便地测试到的年平均气温、降水量指标，与其它水热气候因子有显著的相关性，用它们来研究中国植被与气候的关系是可行且有用的。利用全国689个气象站点的气象记录，计算得出了中国各植被地带、亚地带的年平均气温，年降水量指标和温雨系数，利用生态信息系统EIS作出了各气候指标在中国的分布，并将年平均气温和降水量作散点图，均较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。总结可得中国各植被地带的气候指标范围及界限。综合孢粉，古生物等资料信息，前人确定在全新世中期中国存在一个大暖期，其中稳定暖湿的鼎盛阶段在7.2—6,0 Ka．B.P.，其时中国境内大部分地区的年平均气温比现在高2℃左右，年降水平均高于现在100 mm，通过数学处理，利用生态信息系统恢复重建了全新世大暖期中国大陆的气温和降水分布状况．参考孢粉、古植物和他人研究资料及现代植被气候关系，恢复编制了大暖期鼎盛阶段中国大陆的植被区划图，与现代植被区划相比较，东部各个植被带在大暖期盛时表现出明显的北迁，温带植被的迁移幅度大于亚热带和热带植被;西部的植被带出现了经向西迁，西北部的草原范围扩张，荒漠缩小;青藏高原地区高寒半荒漠和荒漠植被的范围大大缩小，而且植被带仍有不同程度向北迁移的表现。这可为预测与阐明未来的气候变化和植被变迁提供有力的证据． 2）KIRA指标的拓展及其在中国植被与气候关系研究中的应用 根据Kira以月平均气温5℃为界的热量指数和干湿度指数概念，提出了以月平均气温10℃为界的生物热量指数，包括生物温暖指数BWI和生物寒冷指数BCI，并修正其干湿度指数为生物干湿度指数BK。利用中国689个标准气象台站的资料，分析我国主要植被类型分布与热量因子和干湿度因子的关系，得出两者之间有较好的相关性，生物温暖指数、寒冷指数和干湿度指数的散点图，较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。并得出中国各植被地带的气候指标范围及界限，以1 0℃为界的生物温暖指数不仅对我国森林植被的地理分布和温度气候带的划分具有较好的指示作用，而且对西南部高山、亚高山地区的植被与气候关系指示性较强;生物寒冷指数则对亚热带和热带的指示性很好，能够较好区分亚热带南部及热带地区;由热量指数和降水量综合得出的生物干湿度指数，对中国西北部干旱、半干旱区以至全国的植被分布与水分、热量因子的关系分析有较好的应用价值。 3）水热积指数的估算及其在中国植被与气候关系研究中的应用 试图利用大气年平均气温、年降水量、可能蒸散和土壤水分平衡之间的关系建立一个水热积指数，并应用年平均气温．水分盈亏值和水热积指数三个气候变量来限定植物群落组合，构成一个圆形的生命-气候图式．根据全国689个标准气象台站的气候资料，计算了中国8个植被地带和26个亚地带的年平均气温、年水分盈亏和水热积指数，绘制了各气候指标在中国的分布图及散点图，较好表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局，包括寒温带针叶林、冷温带针阔叶混交林、暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林、热带雨林和季雨林、温带草原、温带荒漠、青藏高原高寒植被，并得到了中国各植被地带的气候指标范围及界限。通过分析可以看出，年平均气温的等值线较好地反映了中国大陆的热量梯度，经度和纬度方向的区分均较明显;土壤水分盈亏曲线的等值线则比较零乱;综合了热量和水分差异的水热积指数，其等值线与热量梯度和水分梯度均有一定的对应性，与植被类型的对应也较好。这是在宏观尺度上进行的植被与气候关系研究的一种尝试，有待于增加机理性的内容，使其得到进一步的改进。 4.生物多样性保育和全球变化研究中的陆地生物群区类型 Biome(生物群区)是当今生物多样性保育和全球变化研究中的一个重要概念，根据此概念及植物功能型概念的发展，评述了9个重要的世界陆地生物群区分类系统，并根据中国的植被分类和区划，尝试划分了在中国的生物多样性保育和全球变化研究中所需要的陆地生物群区类型。 5.中国生物多样性的生态地理区划 利用各种生态地理因子，包括气候指标如与植物耐寒性有关的绝对最低温度(TMrN)，最冷月平均气温(TJAN)，最冷月日平均温度的最大值(MXT)和最小值(MIT);与需热性有关的植物生长季积温(AT);年降水量的季节分配，包括最冷月降水(PJAN)，最热月降水(PJUL)，年降水量，年降水的统计标准差(PSD)和变异系数(年变率PCV);植被指标如植被类型(VEGET)、，植被区划类型(VEGED)、植被的净第一性生产力(NPP)、植物区系类型(FLORA)、动物区系类型(FA UNA).植物特有属的丰富度(EDGENUS)以及度量植物多样性的植物种丰富度(属数GENUS、种数SPECIES);土壤指标如土壤类型(SOILT)，土壤理化性质如土壤酸碱度(SOILPH)、土壤表层阳离子交换量(SOILEXC)等;地形和地貌特征如经度(LONG)、纬度(LAT)和海拔高度(ALT)，利用模糊聚类的手段，综合进行了中国生物多样性的生态地理区划。采用四级区划，即：生物大区(biodomain) -生物亚区(subbiodomain) -生物群区(biome) -生物区(bioregion).全国划分为5个生物大区，7个生物亚区和1 8个生物群区。 I北方森林大区 I A欧亚北方森林亚区 I Al南泰加山地寒温针叶林 IA2北亚针阔叶混交林 II北方草原荒漠大区 II B欧亚草原亚区 II Bl内亚温带高草草原 II B2黄土高原森林草原（灌木草原） il C亚非荒漠亚区 II Cl中亚温带荒漠 ⅡC2蒙古／内亚温带荒漠 III东亚大区 III D东亚落叶阔叶林亚区 m DI东亚落叶阔叶林 III E东亚常绿阔叶林亚区 III El东亚落叶•常绿阔叶混交林 III E2东亚常绿阔叶林 ⅡI E3东亚季风常绿阔叶林 III E4西部山地常绿阔叶林 IV旧热带大区 IV F印度一马来热带森林亚区 IV Fl北热带雨林、季雨林 IV F2热带海岛植被 V亚洲高原大区 vG青藏高原亚区V Gl青藏高寒灌丛草甸V G2青藏高寒草原V G3青藏高寒荒漠V G4青藏温性草原V Gs青藏温性荒漠IGBP陆地样带：科学计划与最新进展 作为国际地圈一生物圈计划(IGBP)的交叉项目(Interproject)的陆地样带(Terrestrial Transect)，已成为IGBP的全球变化研究中最引人重视的发展和新研究方法之一。它以一系列综合性的全球变化研究计划为基础，是由沿着一个主要全球变化驱动因素（如温度、降水、土地利用强度等）的梯度上的一系列研究站点所构成研究区域，并配合以模型模拟和综合分析，其地理范围为1000 km或更大的长度，数百公里的宽度，以涵盖大气环流模型(GCM)运作的最小单元。本节论述了IGBP陆地样带的概念和研究的意义，样带的类型、一般设计和选择标准，国际上IGBP样带的初步设置，包括①经受土地利用变化的潮湿热带系统;②从北方森林到冻原的高纬度地区;③从干旱森林到灌丛的半干旱热带地区;④从森林或灌丛过渡到草地的中纬度半干旱地区，以及其它的一些样带和PAGES核心计划中的PEP样带，主要内容有样带设置的原因、研究内容和主要样带特点等，并总结了样带的最新研究进展和动态． 6.中国东北样带(N ECT)的生态地理特征分析 陆地样带研究已成为国际地圈-生物圈计划(IGBP):全球变化研究的重要手段与热点。中国东北森林-草原样带(NECT)已被列为IGBP国际全球变化陆地样带之一。该样带在东经1120与130030’之间沿北纬43030’设置，长约l 600 km，是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度，具有由温带针阔叶混交林向温带草原的3个亚地带：草甸草原、典型草原与荒漠草原过渡的空间系列。本文给出了样带的基本生态地理特征及其梯度分析，包括其地理位置、设置意义、地形地貌、气候梯度、土壤类型、土地利用格局、植被类型、主要优势种和群落类型的生态地理特征以及全新世适宜期（大暖期）的植被分布格局。NECT将成为我国全球变化与陆地生态系统(GCTE)与其它IGBP核心项目研究的前沿阵地。 7.自然保护区的作用、建设和管理及其与生物多样性的关系 一般而言，“就地保护”是保护生物多样性的主要措施和最根本的途径，生境的“就地保护”是生物多样性保护最为有力和最为高效的保护方法，而就地保护的措施就是建立自然保护区，通过对自然保护区的建设和有效管理，使生物多样性得到切实有效的人为保护。从自然保护区定义和类型划分及生物多样性的定义本身可以看出，自然保护区的主要保护对象是世界上丰富多彩的生物多样性，自然保护区是生物多样性就地保护的重要基地，是物种多样性的基因库，是留给野生动植物的宝贵栖息地，应把保护区的建设和生物多样性的保护与持续利用密切结合起来，合理开发利用自然资源，促进生物多样性的可持续发展。

全球变化下中国东北样带植物多样性梯度分析及气候-NDVI-植被的关系研究

中国东北样带（NorthEast China Transect, NECT）是位于中纬度温带以降水量作为主要驱动因素的陆地样带。本文的工作以此作为研究平台，利用生态信息系统（Ecological Information System, EIS）以及Microsoft Excel 7.0软件包建立了样带的地理数据库和植物多样性数据库，包括气候数据库、植被数据库、遥感数据库和内蒙内C_4植物数据库以及样带内生态系统特征数据库。在此基础上，主要研究了以下四个方面的内容： 1. 利用Holdridge的生命地带方法对NECT内的生物群区进行了划分。 主要是确定了生物群区间过渡带的位置与宽度，并预测了在全球变化三种模式下NECT内生物群区，尤其是过渡带的变化图景。湿度升高2 ℃后，过渡带的面积都呈扩大化的趋势。森林区对于降水量的变化反应很敏感。荒漠灌丛（即荒漠草原类型）由于其水热条件处于样带内较极端类型，因而对于全球气候变化反应也比较敏感。 2. 研究了NECT内的α、β多样性以及包括生活型、水分生态型、区系地理成分等在内的植物群落特征多样性的梯度变化规律。 研究了样带内的多样性梯度，提出了在样带内存在的α多样性测度问题以及β多样性沿样带的变化规律：样带内由东到西，β多样性逐渐升高，群落内物种被替代的速率变慢;两种植被类型边界上的两个样地之间的相似程度由东到西呈上升趋势;同一类型群落之间的物种周转率比不同类型群落间的物种周转率相对要低。同时将各个环境因子与α、β多样性作了回归分析，找出样带内决定α、β多样性的主要环境因子指标。 样带内沿43.5°N一线附近植物群落的生活型共有17类，水分生态型8类，区系地理成分包括17类，以此为基础分析了群落特征沿样带的变化规律。并探讨了生活型分布的历史地理原因。 3. 对样带气候－NDVI间的关系以及植被－NDVI的关系进行了探讨。 利用来自气象卫星的遥感数据一归一化植被指数（NDVI），和数值化后的样带1:100万植被图进行叠加，找到NECT内每种植被类型对应的NDVI值。样带内共有植被类型147种，反映在NDVI变化上的植被类型有106类。其中，自然植被101种。 影响年均NDVI分布的因子主要有经度、辐射日照百分率及7月温度，与经度呈正相关，与辐射日照时数及7月温度呈负相关。回归方程如下： NDVI = -220.426 + 3.273Lon - 80.338Ratio - 1.962T_7 (R~2 = 0.9714, F = 521.52, p < 0.001) 4. 研究了NECT内的光合功能型。 主要包括内蒙古地区的C_4植物及其生态地理特性。揭标C_4植物的分类群特性、生活型、水分生态型与区系地理成分等生态学特性。C_4植物分布的科属极其集中。C_4光合型为维管植物某些分类群（科、属、种）的特性，为它们固有的遗传特性。推断C_4起源于草本的某些科属。C_4植物为喜热、耐旱的类群。世界种、泛热带种、泛地中海种C_4植物较集中。 样带内的C_3、C_4功能型及其与环境因子的相关性。样带内C_4和C_3光合型植物组成比例由东到西表现出两高两低的趋势。分布主要与年均温和降水量呈显著相关。 提出了一种新的C_3、C_4鉴别方法。即根据野外测定的光合数据建立了C_3、C_4的判别模型： f_1(x) = -1.5493 + 0.1427Pn + 0.1035Tr + 0.3768ΔT + 0.1000Gs f_2(x) = -15.6142 + 1.0542Pn - 0.2503Tr - 0.2957ΔT + 0.6491Gs 最后，综合7个GCMs模型（GFDL，GISS，LLNL，MPI，OSU，UKMOH，UKMOL）的输出结果，利用此结果和本文建立的回归模型，模拟了样带内生物多样性的窨分布格局，并预测了末来全球变化下归一化植被指数NDVI的空间分布格局的变化。

中国东北样带孢粉-植被的定量关系及古生物群区的反演

基于中国东北样带（NECT）30个植被样方调查和表土孢粉资料，从个体、群落水平研究了孢粉－植被关系，结果表明，孢粉类型与植被关系密切，在 ＝ 0．05的显著性水平上，相关系数大于0．5;表土孢粉组合与植物群落间有较大的相似性，相似系数大于50％。采用定量描述花粉与植物关系的参数：联合指数（association）A、超代表性指数（over-representation）O、低代表性指数（under-representation）U、相关系数（correlation coefficient）C和代表性系数（representation coefficient）R等值，应用TWINSPAN分类、PCA排序和回归分析，把表土花粉类型划分为4类：具代表性类群组Group1，它们能正确反映植被;超代表性类群组Group2，它们常具有高花粉值与植被不成比例;低代表性类群组Group3，它们的花粉很难分离提取;以及低代表性类群的Group4，其花粉在土壤地层中较常见;指出一些常见花粉类型：松（Pinus）、桦（Betula）、栎（Quercus）、椴（Tilia）、槭（Acer）、榆（Ulmus）、蒿（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）、禾本科（Gramineae）和莎草科（Cyperaceae）的回归参数在东部森林区和西部草原区是有变化的，因此回归参数在应用于古植被恢复中要注意适用范围。 以Biomization模型为基础，根据植物的生理生态特性，定义了NECT孢粉类型的植物功能型（PETs）各种生物群区（Biome）的PFTs组合，构建了经表土孢粉检验的适用于NECT的以孢粉数据为驱动的模型框架，该模型模拟的生物群区与其化指标（气候、植物生理、土壤等）模拟划分的BIOME（Holdrige, BIOME3）是可比的，与植被类型有较好的对应性。 根据29剖面（986个样品）的孢粉数据，重建了NECT 6 kaB.P以来的生物群区。从时空二方面阐述了NECT6kaB.P以来生物群区的分布特点： （1）6ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～4℃，降水比现在多50％。落叶阔叶林分最广，面积最大。森林草原、落叶阔叶林、针阔混交林向西延伸最远。 （2）5ka B. P 是一降温期，气温比现在低2℃，降水多30％。有苔原、寒温带针叶林分布。 （3）4ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～2℃，降水比现在多50％。针阔光林和森林草原有最大分布面积。 （4）3Ka－2kaBP的气温与现代相似，降水比现在多20％左右。与4Ka B. P相比，森林和森林草原过渡带都向东移动。 （5）1Ka B. P的气温与现代相似，降水比现在多10％左右。草原向东大幅度扩张，森林分布面积减小。 （6）东部森林，中部森林草原，西部草原的分布格局的3Ka B. P基本确定，此后随着气候的不断变干冷，草原向东扩张。 （7）森林向扩张最大距离的时期发生在6Ka B. P，此时也是森林草原向西扩张最远时期。落叶阔叶林、针阔混交林、森林草原向西移动最大距离的时间是6Ka B. P，草原向西移动最远距离的时期发生在3Ka B. P。

中国东北样带（NECT）羊草种群数量特性变化及其与环境因子的直接梯度分析

陆地样带研究是国际地圈一生物圈计划( IGBP)全球变化研究中最引入注目的创新之一。目前，国际上已经设立了15条陆地样带，而且正在开展各项研究工作。现有关于陆地样带的研究报道多集中在环境梯度分析、气候变化对植被初级生产力的影响及环境变化与植被变化的对应关系等方面，而关于陆地样带环境梯度变化上植物种群生态学的研究尚未见报道。 本研究以东北样带为平台，研究北纬43。31' - 44041'，东经125018’-115。31'范围内，即由湿润到干旱的环境梯度变化系列，羊草主要形态特征、种群密度、生物量、种子生产、生物量分配比例等变化规律及其与环境因子的相关关系，初步探讨了中国东北大尺度环境变化对羊草种群的影响及羊草对变化环境的适应规律。 在本研究的环境变化系列上，羊草种群外部形态的突出变化是种群植株高度由东至西沿降水量逐渐下降的梯度逐级递减，而且植株高度与生长季前期的降水量呈显著正相关关系。除旗叶外，羊草种群各叶片长度具有相似的变化趋势，即长春地区种群叶片长度远远大于其它种群，阿巴嘎旗地区种群叶片长度远远小于其它种群，其它8个种群叶片长度变化不大，呈平缓波动状态。除长春地区羊草叶片宽度显著大于其它种群外，其它9个种群间虽有一定的差异，但基本是处于波动状态。这说明羊草的各形态特征对该梯度环境变化的反映是不同的。 在该环境梯度上，羊草种群总密度、营养枝密度和生殖枝密度具有非常相似的变化趋势，均为由东至西呈先增后减的趋势，并且最大值都在长岭种马场地区。而且，无论是种群总密度，还是营养枝和生殖枝密度均与9月份平均温度显著相关，这是因为秋季高温对地上部分的营养物质向地下根茎转移及地下根茎芽的形成有利，丰富的物质积累和发育良好的地下根茎芽是翌年种群具有较高密度的保障。在本研究的10个种群中，除长春地区种群生殖枝分化率显著低于其它种群外，各羊草种群生殖枝分化率相对稳定，而且羊草种群生殖枝分化率与环境梯度上各环境因子间的相关性均不显著。 在本研究中，种群总生物量、营养枝生物量、生殖枝生物量和个体生物量等指标具有不同的变化趋势。表现为由东至西或由湿润到干旱，除生殖枝生物量在最东端的各种群中呈增加趋势外，种群总生物量和地上群体生物量（营养枝生物量和生殖枝生物量）均呈逐级盘低走势，而且干燥系数和生长季前期的降水量是决定总生物量和地上群体生物量变化的主要因素。地下根茎生物量表现为从湿润的长春市地区到半干旱的绍根地区呈缓慢盘低，而后随干旱程度的加重迅速增加，但至最干旱的阿巴嘎旗地区又迅速下降。在半干旱和干旱地区，植物根系生物量增加能使植物更有效地利用有限的水资源。羊草种群个体生物量的变化趋势基本一致，即除长春地区种群个体生物量远远大于其它9个种群外，各羊草种群个体生物量虽有所差异，但变化不大，基本水平波动状态。个体生物量的相对稳定是羊草能适应各种变化生境的重要保障，而且在该实验梯度上个体生物量的相对稳定是通过种群密度变化来调节的。 在本研究梯度上，虽然各种子生产指标有一定的变化，如锡林郭勒草原定位站种群和阿巴嘎旗种群的种穗长度、结实数和单位面积种子产量均较低等，但这些指标的变化与由东至西的降水量递减等气候因子变化是不一致的，如结实数、单位面积种子产量和种子重量等基本呈波动状态，只是在实验梯度的西端才有明显的下降。这说明在本研究的环境梯度系列上，环境因子对羊草种子生产有一定的影响，但最主要的影响可能是其自身遗传因素，这有待于今后的深入研究。 在本研究的环境梯度上，由东至西或由湿润到干旱的气候变化系列上，羊草种群根茎、营养枝、生殖枝和种子生物量分配比例呈现明显的规律性变化。最显著的表现是羊草种群根茎生物量分配比例随降水量的减少而逐渐增加。在水资源有限的生境下，大比例的根茎生物量分配能增加根系对地下水分的吸收，同时有利于物质和能量在根部的贮藏，这种机制能确保植物在干旱气候条件下生存。相反，羊草种群地上营养枝生物量分配比例由东至西逐渐下降，减少营养枝生物量分配比例可以降低营养枝水分蒸腾量，协调根部水分吸收和枝条蒸腾的关系，保持整个植物体的水分平衡。羊草种群生殖枝和种子生物量分配比例均呈两头低，中间高的变化趋势。这说明降水充足和严重干旱均不利于羊草有性生殖体的生产，半湿润和半干旱气候区是羊草种子生产的理想地域，这也可能是羊革能在半湿润和半干旱气候区大面积分布的原因。

中国东北样带草原段关键种——羊草茎、叶显微结构的生态可塑性及群落功能群组成和多样性研究

陆地样带是国际地圈——生物圈计划(IGBP)研究中最引入注目的创新之一。目前，国际上已经设立了15条陆地样带，研究内容涉及环境梯度分析、气候变化对植被初级生产力的影响及环境变化、土地利用等与植被变化的对应关系等。沿该陆地样带分布较广的关键种生理适应性等方面对影响其生理功能形态结构的研究较少，特别是茎、叶等组织功能研究较少。 中国东北样带(NECT)是全球陆地样带的重要组成部分，多年来已开展了大量深入系统的研究工作，已成为我国生态学、地学等学科的重要研究平台。本研究以中国东北样带中西段广泛分布的重要关键种——羊草（Leymus chinensis）为研究对象，分析了羊草茎、叶显微结构的生态可塑性及其与水分利用效率的关系，进而阐述了羊草适应不同生境条件，特别是适应水分变化的机制，为揭示羊草及其种群、群落乃至以羊草为优势种或建群种的草地生态系统在全球变化背景下的发展趋势提供理论依据。 基于2001年7～8月第3次中国东北样带考察资料，采用高精度Olympus显微镜及C同位素分析技术（δ13C判别值），结合在野外取样过程中测定的样地土壤含水量和海拔高度，以及近十年各样地年降水量和年均温度气象资料，分析了羊草茎、叶显微结构和水分利用变化与环境因子的关系，以及以羊草为建群种或共建种的无牧和放牧样地群落生物量、物种多样性和植物功能型组成变化与环境因子的关系。 结果表明：羊草叶片表面及内部主要显微结构特征参数各样地间有不同程度的差异，其中气孔密度与降水量呈线性正相关。代表气孔开张程度的气孔长度和宽度变化与土壤含水量呈线性相关。叶表面角质层厚度与海拔高度变化关系较大，并以上表面角质层厚度变化最为明显，主要受海拔高度升高引起的紫外线照射增强的影响。运动细胞带宽度占叶面积比虽然与各环境因子关系不很密切，但温度变化的影响较突出，这一显微结构调整与气孔变化构成干旱——高温调节机制。叶片表面毛茸的变化也是非常显著的，但与各环境因子关系密切程度均不大，可以肯定的是在土壤水分状况较好的生境下羊草叶片表面毛茸密度及长度明显增加，而一些干旱生境中常表现为毛茸较少、较短，个别样地基本没有发育较好的毛茸。总体上看，羊草叶片对干旱化的形态结构调整以气孔密度和开张程度的变化最大，是羊草叶片调节水分利用效率的重要适应性生态可塑性调整。 与叶片相比，羊草茎横切面结构特征的变化与各环境因子关系的显著性不是很强，但各样地间的差异是比较显著的，许多结构调整可能与土壤养分条件的变化有一定关系，如茎秆粗度变化、基本薄壁组织厚度和中央空腔（髓腔）直径的变化等，但本研究未能涉及这方面内容，有待于进一步研究。 羊草水分利用效率与降水量和土壤含水量呈显著的负相关关系，即随降水量和土壤含水量增大羊草水分利用效率明显降低，蒸腾耗水增大，这一生理变化与显微结构的调整关系密切，特别是气孔密度与气孔宽度在水分较差生境中明显减小，从而有利于适应干旱环境，减少耗水量。表现比较突出的是非地带性林西样地，其降水量处于10个样地的中等偏低水平，但其δ13C判别值较低，达-26.063‰，与降水量较大的长岭、双辽样地几乎相当，并比相邻的林东和克旗样地明显低，其气孔密度、开张程度及叶脉后生导管直径均较高（大），但其土壤水分状况是最好的样地之一，尽管取样时不幸遇到雨天，但从其群落类型——羊草杂类草草甸，并伴生许多中、湿生种类上看，其生境的湿润程度是毋庸置疑的。这一非地带性样地中羊草结构的变化从另一侧面反映了羊草显微结构调整对水分环境的适应。δ13C判别值是一个非常敏感的参数，在分析植物水分利用效率及其相关领域的研究中应深入利用。 群落植物功能群组成与环境因子及群落初级生产力关系研究结果表明，丛生禾草生长型功能群、旱生和中旱生植物水分生态类型功能群具有明显的地带性变化规律，并与群落生物量变化关系密切，变异性较低，占群落生物量比例较大，可考虑作为植物功能型组合对无牧样地植被变化进行评估和预测。在放牧影响下，C4植物光合类型功能群呈现明显的地带性变化，并在群落中所起的作用明显增强，亦可考虑作为评估和预测植被变化的植物功能型组合。无牧样地与放牧样地研究结果均表明，按Raunkiaer划分的地面芽、地下芽、地上芽和一年生植物生活型功能群，其地带性变化不明显，或变异率高，或占群落生物量比例小，不宜作植物功能群组合对植被变化进行评估和预测。

土壤有机碳和氮的分布及其对气候变化的响应

碳、氮不仅是生物体必需的营养元素，也是重要的生态元素。大气中温室气体C02、N2O等浓度的增加使得碳、氮的生物地球化学循环及其温室气体的减缓排放措施研究成为全球变化研究中的热点问题。 土壤是陆地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的纽带;它是陆生生物赖以生存的物质基础，是陆地生态系统中物质与能量交换的重要场所，其在全球碳、氮循环中起着十分重要的作用。一方面，土壤有机碳和氮的含量与分布直接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，同时土壤有机碳和氮的转化与迁移又直接影响到温室气体的组成与含量。而土壤本身又是生态系统中生物与环境相互作用的产物。因此，研究土壤有机碳和氮的分布、转化及其对全球变化的响应对于正确理解碳、氮的生物地球化学循环及其对全球变化的响应制定应对策略具有重要意义。 全球变化的陆地样带是从机理上理解陆地生态系统对全球变化的响应，预测全球变化对陆地生态系统的可能影响，实现预警、调节和减少全球变化不良影响，科学地规划和管理陆地生态系统的有效平台。目前，国际地圈一生物圈计划(IGBP)基于不同地区全球变化驱动因素的不同以及全球变化的潜在反馈作用强度的不同，在全球4个关键地区共启动了15条IG8P陆地样带。以水分为主要驱动力的中国东北样带(NECT：Northeast China Transect)即为IGBP的陆地样带之一。 本文以中国东北样带为平台，基于2001年对中国东北样带科学考察所采土壤样品的实测结果和气候资料分析了土壤有机碳和氮的梯度分布及其与土壤、气候等因子之间的关系;借助C02浓度升高和不同土壤湿度的模拟试验探讨了土壤有机碳和氮对气候变化的响应;根据作物残体还田的长期定位试验和盆栽试验研究了作物残体还田对土壤有机碳和氮转化的影响，讨论了农田生态系统通过作物残体还田对减缓温室气体排放的效应。主要结果和结论如下： (1).样带表层土壤有机碳平均为22.3土4.93 g．kg-1，下层土壤有机碳平均为8.9±1.20 g．kg-1。样带表层土壤活性有机碳平均为3.52±0.881 g.kg-1，占表层土壤有机碳的13.1±0.78%;下层土壤活性有机碳平均为1.14±0.250g.kg-l，占下层土壤有机碳的10.9±0.79%。样带土壤活性有机碳与土壤有机碳之间呈极显著正相关关系(相关系数r=0.993，P<0.001)。 (2).不同生态类型土壤有机碳和活性有机碳含量不同。中国东北样带东部(经度126°～131°)为温带针阔混交林山地，植被种类极其丰富，地带性土壤为暗棕壤，并且多为自然土壤，土壤有机碳和活性有机碳含量较高。但由于采样区局部地理环境、植被结构及人类干扰程度的不同，土壤有机碳和活性有机碳含量变异较大，平均为61.9±13.84 g．kg-1和10. 88±2.236g. kg-1。样带中部（经度119°～126°）为松辽平原栎林草原、农田区和大兴安岭山地草甸草原区，属半湿润向半干旱过渡的气候。该区域主要土壤类型为黑土、黑钙土、盐化或碱化草甸土及风沙土，土壤沙化、碱化严重，土壤有机碳和活性有机碳含量明显降低，平均为10.5±1.97 g．kg-l和1. 35±0.327 g．kg-1。样带中西部（经度113°～119°）为内蒙古高原草甸草原和典型草原区域，具有典型的半干旱气候特征。该区地带性土壤为栗钙土，局部丘陵区分布黑钙土，土壤有机碳和活性有机碳含量为14.6±1.65 g．kg-1和2.07±0.342g.kg-1。样带西部（经度111°～113°）为内蒙古高原荒漠草原区域，地带性土壤为棕钙土，土壤较为贫瘠，其有机碳和活性有机碳含量最低，平均为7.99±1.51 g．kg-1和0.51±0.216 g．kg-1。从总的趋势看，样带表层土壤有机碳和活性有机碳的梯度分布趋势一致，都呈现出随经度降低而下降的趋势，局部因土壤退化而出现波动。 (3).样带土壤有机碳和活性有机碳与土壤全量氮、磷、硫、锌及有效氮、磷、钾、锰、锌等均呈显著或极显著相关关系，与土壤PH、容重、持水量及孔隙度也呈显著或极显著相关关系。土壤表层有机碳和活性有机碳与降水量之间具有正的相关关系，其相关系数为r=0.677（P<0.001）和r=0.712（P<0.001）。但下层土壤有机碳和活性有机碳与降水量之间没有显著的相关关系。 (4).样带下层土壤有机碳和活性有机碳与经度之间仍具有显著的相关关系（r=0.454，P=0.026; r=0.473，P=0.020）。样带下层土壤有机碳和活性有机碳的变异小于表层。不同的生态系统，下层土壤有机碳和活性有机碳与表层土壤有机碳和活性有机碳的比率不同。总的来看，土壤活性有机碳含量随深度的增加而下降的幅度大于土壤有机碳。 (5).短期培养条件下，CO2浓度升高及干旱胁迫下，土壤有机碳的变化不大，其变异系数为1.28%;相比较之下，土壤活性有机碳对气候变化比较敏感，其变异系数为29.67%。不同土壤湿度，土壤活性有机碳含量发生变异的幅度因CO2浓度升高而降低。 (6).样带土壤全氮和有效氮与经度呈极显著正相关，其相关系数分别是r=0.695 (P<0.001)和0.636(P<0.001)。土壤表层全氮和有效氮的梯度分布与土壤有机碳的分布基本一致：沿经度呈现东高西低的趋势，局部由于土壤退化而出现低谷。样带除东部山区外，其它各部分土壤有效氮都很低，成为其植被生长的限制因子之一。样带下层土壤全氮和有效氮的含量低于表层，但样带不同部位下层土壤全氮和有效氮下降的幅度不同。总的来看，土壤全氮的剖面分布和土壤有机碳相似，而土壤有效氮则有所不同。 (7).土壤全氮和有效氮是土壤生化环境中两个重要的因子。样带土壤全氮和有效氮和土壤有机碳、全磷、全硫、全锌、土壤活性碳、有效磷、有效钾、有效锰、有效锌、土壤容重、田间持水量土壤总孔度等因子均呈显著或极显著的相关关系。 (8).样带表层土壤全氮和有效氮与降雨量之间呈极显著的正相关关系，相关系数分别是0.682(P<0.001)和0.688(P<0.001)。而下层土壤全氮和有效氮与降雨量之间的没有显著的相关关系（r=0.241，P=0.256; r=0.366，P=0.079）。土壤有效氮占全氮的比例与年均温呈显著正相关关系（相关系数r=0.390，p=0.044）。 (9).短期培养试验中，CO2浓度加倍和不同土壤湿度对土壤全氮和有效氮的影响没有达到显著水平。整个试验中土壤全氮和有效氮的变异较小（变异系数分别是5.55%和3.84%），但仍能反映一定的变化趋势。 (10)．玉米残体还田能够增加土壤氮素含量，减轻因其作为燃烧材料而造成的氮素损失和对大气的污染;玉米残体施入土壤，增加了土壤微生物氮含量，提高土壤氮活性，有利于土壤氮素养分的协调供应;玉米残体还田能够促进氮素从营养器官向籽粒中转移，提高氮素养分的利用效率。同时，玉米残体还田可以降低土壤NO3--N的累 积，减少肥料氮的损失4.7～5.6%。 (ll)．根据国内外文献和我们连续10年作物残体还田的肥料长期定位试验及盆栽试验结果，从减缓CO2排放、增加土壤碳固存、提高土壤生产力入手，分析了农业生态系统作物残体还田的必要性与可行性，讨论了农田作物残体还田，增加土壤碳固存对于减缓CO2排放、提高土壤生产力的作用与意义。提倡作物残体因地制宜地归还土壤，但作物残体还田后土壤固存与减缓温室气体排放的潜力还需要进一步进行研究。