广东鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站
站点介绍
鼎湖山站宣传简介(20221102)
作者: 鼎湖山站 更新时间: 2022-11-02

森林,是全球生态环境问题的核心所在;是环境与经济协调发展的关键;是人类赖以生存、文明建设的基础。研究森林生态系统,探究其规律,对人类生存、社会发展至关重要,是进行生物多样性保护的前提与基础性的工作。

在地球北回归线附近,大部分陆地都是沙漠、半沙漠或干旱的草原,然而在我国华南地区的鼎湖山,却流水清澈,层峦叠嶂,鸟语花香。鼎湖山保存着南亚热带常绿阔叶林及丰富的过渡植被类型,拥有2000种野生植物,共有 68 种国家重点保护野生植物,其中一级保护 6 种、二级保护 62 种,被誉为北回归线沙漠带上的“绿色明珠。该地区森林植被具有自然生态系统典型代表性,垂直与水平演替分明,分布着河岸林、沟谷雨林、马尾松林、针阔混交林、季风常绿阔叶林、山地常绿阔叶林、山地灌丛、山地草坡等,森林类型多样,极具区域和学科代表性,科研价值极高。

1956年,我国在此设立了第一个自然保护区。1978年,鼎湖山森林生态系统定位研究站(简称鼎湖山站)在此成立,1991年鼎湖山站成为中国科学院生态系统研究网络台站,1999年成为国家野外科学观测研究站。鼎湖山站同时是国家通量观测网成员、中国科学院大气本底观测网成员、国际氮沉降观测网络成员。鼎湖山站担负着“监测、研究、示范、服务”的任务,是我国南亚热带森林生态系统监测、生态环境研究的重要站点。鼎湖山站以研究地带性森林生态系统结构、功能及其演变过程为基本方向,以物种多样性维持、生态系统碳、氮、磷、水循环与耦合等关键过程对气候和环境变化的响应与适应为核心内容,以建设科技创新、人才培养、知识传播基地和国际知名生态学综合研究平台为目标,为解决国家生态环境保护与资源可持续利用的关键科技问题提供支撑。  

建站40余年来,鼎湖山站系统开展森林生态系统水、土、气、生长期定位的监测,近20年来,为应对全球水热变化可能对南亚热带地区森林生态系统与植物的影响,建立了一系列的长期控制实验平台,包括CO2倍增、氮沉降、酸沉降、增温、降雨改变等野外控制实验平台,相关的科研成果将为华南国家植物园的迁地保护建设中适地适树、物种筛选、提高成活率等提供理论和现实参考。

鼎湖山站现有研究人员24人,支撑人员5人,流动及辅助观测人员60多人。1999年以来发表论文2000多篇,获国家科技进步一、二等奖和国家自然科学二等奖各1项,中国基础研究十大新闻1项,广东省一等奖4项,授权专利30项;培养杰青3人、优青2人、国务院特殊津贴专家4人;是CERN和CNERN的优秀野外站,广东省五一劳动奖状获得者。鼎湖山站经历了5任站长,6个发展阶段,列举其中三个主要实验平台记载了几代人互相传承共同科研的故事,形成了一个团结向上、合作共赢的优秀集体。

 

1、本底调查阶段(1978-1985年),站长何绍颐(1979-1985年)

完成了站区地质、地貌、土壤、动物、鸟类、昆虫、植被类型、植物种类数量、大型真菌、微生物等本底调查工作,摸清了生物资源的种类、分布,土壤、气候、水系等自然条件。建立了一批森林永久观测样地、森林水文观测设施和森林小气候梯度观测设施,完成绘制站区地质地貌图、土壤类型分布图、森林植被图等。这些本底资料和观测设施,为日后系统开展长期观测研究积累了宝贵的背景信息。

这阶段何绍颐先生做了三件极有意义的事情,第一是召开了规划会议,为台站发展定下方向,第二是建立了实验室、住房等基础设施,第三是建立了一批代表不同演替系列的永久监测样地,这些基础和科研设施目前仍在发挥重要作用。本底调查需要调查每一个山头每一棵树,工作量极大,那是很辛苦的。最高峰鸡笼山海拔1000多米,山路崎岖,来回路上就需要一天时间。经常需要带着帐篷、食物、饭锅等在野外安营扎寨,连续工作。

 

2、群落结构、动态、生物量生产力研究阶段(1986-1990年),站长伍辉民(1983-1988)

在本底调查的基础上,鼎湖山站逐步开展了典型类型森林群落的结构、动态、光能利用效率、生物量、生产力方面的研究工作,填补了该地区地带性森林生态系统生产力研究的空白,同时还开展了森林水文、土壤养分、森林凋落物动态等长期定位观测工作。

1982年鼎湖山站创办《热带热带森林生态系统定位研究》刊物,至1986年每年出版一集,主要报道鼎湖山站本底情况及科研成果。论文内容主要涉及鼎湖山植被、植物区系、群落动态、地理特征、水热状况、土壤、气候、兽类、鸟类、昆虫、大型真菌、微生物等方面的本底资料。从1986年第4集开始,陆续有有关植物生理生态、土壤水热状况、土壤微生物化学过程、鸟类种群动态等的半定位和定位研究成果的论文。根据站和保护区对鼎湖山植物种类调查,共同整理完成《鼎湖山植物名录》,并逐步完善鼎湖山植物标本室。论文集出版持续至2002年共9集。这些珍贵的本底资料和第一手研究成果,为日后的研究打下了坚实的基础。

 

1.1992年在美国专家指导下扩大1982年建立的永久样地面积


2.2018年鼎湖山站研究队伍在永久样地标示牌前合影

 

3、生态系统结构与功能研究阶段(1991-2000年),站长孔国辉(1989-1998)

鼎湖山站1991年加入中国生态系统研究网络(CERN),系统开展以地带性森林生态系统结构与功能为主的各项研究工作,并积极寻求与国内外相关科研机构开展有关生物多样性保护及维持机制、人为干扰对森林生态系统影响等方面的合作研究,尤其是在森林生态系统养分循环及水文学过程等方面积累了丰富的研究基础。

孔国辉接任站长时,鼎湖山站经费非常困难,每年只有一万多元维持台站运转。就是在这样艰苦的条件下,站上的观测、监测等工作从来都没有间断过,保证了监测数据的完整,突出显现了科学家吃苦耐劳的奉献精神。

孔国辉在任时,把原有的的2000m2季风常绿阔叶林样地按照国际标准建设成1ha的永久性样地,每10米距离栽入水泥桩标记样方位置。对样地的5000多棵树进行了详细调查,所有1.5m高以上的树实行挂牌,为后续的生物量监测奠定了根本基础。

 

4、生态系统关键过程及其耦合对全球变化的响应与适应研究阶段(2001-2010年),周国逸站长(1998-2019)

此阶段侧重开展森林生态系统碳、氮、磷、水循环及其耦合过程对全球变化的响应与适应规律研究,试图揭示南亚热带森林生态系统碳的源汇功能,阐明南亚热带地带性森林生态系统对缓解全球环境变化的作用与贡献,为国家在环境外交谈判与政策制定方面提供科学依据。

1998年,周国逸站长创立了《鼎湖山之窗》站刊,至今一直坚持了25年,成为了鼎湖山站的宣传品牌。在此阶段,鼎湖山站的成果和荣誉也接踵而来。2000年,“华南热带南亚热带森林生态系统物质循环与能量流动研究”项目获得了广东省自然科学二等奖(当年一等奖空缺),2006年“热带亚热带森林生态系统C、N、H2O耦合研究”项目获得了广东省自然科学一等奖。“成熟森林土壤可以持续积累有机碳”这一重大成果于2006年12月1日在《Science上发表,该成果还被评为2006年度中国基础研究十大新闻。2006年,鼎湖山站被评为“2001-2005年度中国生态系统研究网络综合评估”优秀野外站。2008年,“华南热带亚热带森林生态系统恢复/演替过程碳、氮、水演变机理”项目获得国家自然科学二等奖。这些成果都是鼎湖山站独立完成的。2011年,我站再次被评为“2006-2010年度中国生态系统研究网络综合评估”优秀野外站。

 

5、中国常绿阔叶林生态系统主要服务功能的动态趋势及演变机理阶段(2011-2019),周国逸站长(1998-2019)

此阶段主要针对常绿阔叶林生态系统服务功能展开研究,重点探究全球变化背景下常绿阔叶林生态系统服务功能的动态趋势及其演变机理。阐明了常绿阔叶林生态系统的碳汇机制,发现了常绿阔叶林群落正向灌丛化方向演替,并构建了气候与土地覆盖对产水量作用的全球模式。

20162018年分别以“常绿阔叶林生态系统群落稳定性与土壤固碳对环境变化的响应机理”和“热带亚热带生物与非生物固碳过程及其对环境变化的响应”成果获广东省科学技术一等奖。2021年以“气候变化和下垫面改变对水资源的调控机理研究”再获广东省自然科学一等奖,科学地解释了200多年备受争论的“植被变化和水资源关系”,在该领域具有里程碑式的科学意义,在全球五大洲和重要流域均得到广泛应用,推动了森林水文学的发展。这些研究结果支撑了巴黎气候大会―追踪碳足迹-中国科学家在行动主题边会,助力我国应对气候变化行动和环境外交谈判。

2016年,我站第三次获得“2006-2010年度中国生态系统研究网络综合评估”优秀野外站,是唯一一个连续三届获奖的森林站!2019年获得国家科技部台站首次5年评估优秀站,并且荣获广东省五一劳动奖状。

在这一阶段,鼎湖山站的能力建设水平得到了全面的提升,针对不同的科学问题,建成了一批长期实验平台和科研设施,已发展成为野外观测和研究设施齐全、数据积累丰富、科研成果丰硕、后勤保障完善的对外开放型国际知名生态系统生态学综合研究平台,得到植物园国际评估专家的高度赞赏,也吸引了越来越多的国内外科研机构和专家学者到鼎湖山开展合作研究。

 

6、中国常绿阔叶林生态系统服务功能提升技术的权衡与集成研究阶段(2020-至今),刘菊秀站长(2019-至今)

此阶段在整合全球变化对常绿阔叶林生态系统服务功能影响机理研究的基础上,同时进行常绿阔叶林生态系统服务功能(生物多样性保育、固碳增汇、涵水保土及林下经济等)提升技术的权衡与集成研究,巩固森林生态屏障功能,保障区域生态安全,服务国家生态建设、生态富民与精准扶贫。刘菊秀站长开辟了“一站多点”的运行模式,并扩大了台站的研究方向和领域。

在此阶段,鼎湖山站除了开展森林生态系统碳、氮、磷、水循环及其耦合过程对全球变化的响应与适应规律研究外,响应国家和地方需求,从以点上研究为主,扩大到进行区域尺度的研究,在广东多地开展实验研究,建立相应技术体系和应用示范基地,为地区生态文明建设、可持续发展和国家“双碳”目标的实现作出贡献。示范模式包括水果+南药+石漠化治理+自然教育+观光旅游+乡村振兴,林药模式+涵水保土+生态旅游+自然教育+乡村振兴,不同人工林提质增效等

刘菊秀是鼎湖山站正式培养的第一个博士生,从硕士阶段就开始布置各种控制实验开展全球变化生态学研究。2003年毕业留园后,在园内建立CO2倍增和氮添加的碳氮交互控制实验平台;2012年在鼎湖山站建立垂直移位增温平台,积累了大批宝贵的实验数据,这是我站目前产出最多的平台之一。2018年在园内建立了氮水交互实验平台。这几个平台研究成果丰硕,培养了数十名学生,发表了50多篇论文。

 

3.鼎湖山站一站多点布局图

 

三个主要科学研究平台及信息系统介绍:

鼎湖山站承担了国家基金重大、重点、国际合作、科技部973课题、中科院先导专项课题、广东省重点研发及杰青、优青、中国科学院院级引才计划、青促会等人才项目,建立了系列研究平台,也体现了两代科学家的传承,取得了较好的研究成果:

 

1、氮沉降实验平台:莫江明、鲁显楷、郑棉海

2002年,莫江明研究员成立了生态系统管理研究团队,在鼎湖山站建立了长期氮沉降实验平台,选择代表不同演替阶段的马尾松林、针阔混交林和季风林分别设置了9、9 和12个10m×20m 的 N 添加长期试验样方。每月月初对3个森林进行 N 添加处理。根据各样方 N 处理水平,将每个样方所施的NH4NO3溶解在20L纯水中后,以背式喷雾器人工来回均匀喷洒,对照样方喷洒等量的纯水。该试验以中国南方典型森林为对象,对比国际同行类似研究,探讨全球变化背景下热带森林生态系统对氮沉降的响应与适应,主要侧重于生态系统响应的过程及其机制。该研究平台是国内最早建立的模拟森林氮沉降实验平台之一。

该研究团队科研产出丰厚,据目前统计,已发表SCI论文近200篇,培养研究生30多名(其中2位获中国科学院院长奖、4位优秀毕业生、5位获国家奖学金、13人获留学基金委资助),毕业生有14名从事科研技术工作(包括5位正高、5位副高和4位中级职称),有2位国家优青、2位中国科学院院级引才计划、1位成为中国科学院所级领导。莫江明获国家基金重点和面上项目等资助,2018年获广州教育基地优秀研究生导师称号、2020年获中国科学院优秀导师奖、2021获中国科学院大学“领雁银奖-振翅奖”。团队成员鲁显楷、郑棉海(均为莫江明的博士生)等在PNAS、Ecology Letters、GCB、EST、Ecology期刊上发表多篇高水平论文,鲁显楷获得国家优秀青年基金、中国科学院青促会优秀会员、中国科学院青年科学家奖、三次获CERN十佳青年优秀论文奖,2020年成立氮素生物地球化学研究组并担任首席科学家。郑棉海获评中国科学院百篇优秀博士学位论文,入选中国生态学会首届青年人才托举工程、中国科学院青促会会员和中国博士后创新人才支持计划,2022年成为生态系统管理研究组组长。莫江明团队目前承担的国家基金重点项目已取得如下主要研究成果:1)发现氮沉降促进热带森林捕获大气碳,2)揭示“富氮”豆科林的高氮留存潜力,3)发现长期磷素输入降低热带“富氮”森林植物多样性,4)揭示长期氮沉降对典型热带人工林土壤酸化的影响。相关成果在PNAS、GCB、SBBSCI期刊共发表论文20多篇。

 

 
 4.20190907美国院士参观鼎湖山站氮沉降样地

 

2、森林生态系统垂直移位试验平台(增温平台):周国逸、刘菊秀

随着大量化石燃料的燃烧和土地使用的变化,全球气温较工业革命前已经增加1℃,热带和亚热带地区增温幅度为1.3-5.0℃,显著高于全球平均水平。温度是调控陆地生态系统结构与功能的关键因子。全球气温上升已经对陆地生态系统产生了显著的影响,如改变植物物候、生物多样性,影响有机质分解、土壤微生物等活动进而改变元素循环过程。增温对生态系统的影响仍然是全球变化研究的核心问题。目前,生态系统对增温响应研究集中在温带和高海拔地区,热带和亚热带森林具有生物量及生产力高、物种多样性丰富和群落结构复杂等特点,在生物多样性保护、生态系统平衡和“碳汇功能”等起着重要作用,但对于增温对该区域森林生态系统功能影响的研究较为缺乏。

鼎湖山站于2012年率先建立国内首个森林生态系统水平增温平台,以全面地了解增温给南亚热带主要森林生态系统结构和功能带来的影响。该平台包括两种增温方法,一种是将生态系统垂直移位,利用海拔温度差使生态系统被动增温;另一种是利用红外对生态系统主动增温。迄今已进行定位观测十年,主要针对植物生理、碳氮磷循环、元素计量平衡、土壤微生物、水文动态等方面重点研究,已积累了长期的观测数据并取得前瞻性的成果。目前发表SCI论文15篇,中文核心论文9篇,共培养4名博士研究生和5名硕士研究生。文章刊登于包括Global Change Biology(3篇)、Soil Biology & Biochemistry、Forest Ecology and Management等国内外重要刊物,成果契合“碳中和”、“绿色发展”、“粤港澳大湾区”、“国家植物园建设”等国家战略需求,部分回答了生物多样性保护、重要生态屏障带保护和建设的重大科技问题。

主要的研究成果包括(1)增温严重影响森林树木叶片形态学、生理学和经济学等可塑性,揭示增温下南亚热带地区植物生理生态适应策略,为预测未来该地区森林生态系统生产力和固碳潜力变化提供植物功能性状的机理解释;(2)在全球变化生态学领域首次通过实验方式证实不同增温技术对森林生态系统物理环境的潜在直接和间接影响;(3)森林生态系统在短期增温下为碳源,在长期增温下由于热适应转变为碳汇;(4)增温导致亚热带森林氮循环更封闭;(5)增温可维持植物群落加速生长的磷需求,扩展了对气候驱动的养分需求/供应假说的理解,提出了增温背景下维持植物高磷需求的多种磷获取策略,为急需改善的地球系统模型提供了新的思路

OTC的建设与运行过程中,有许多事件可以记录一下。2011年刘菊秀提出在鼎湖山站建立垂直移位增温平台的设想,得到了前任站长,也是他的导师周国逸的大力支持,共同策划、选点、整合经费、布置实验,终于在2012年建成投入使用。为了从600m的山上把分层挖出的80cm深的土柱搬运到山坡300m和山下30m的样地,大家想到了用马帮来驮土下山,真的累死了几匹马呢。当时主要负责样地建设工作的技术员孟泽也成了马帮助手,有一天马匹把从600驮下来的土放在季风林护林站台阶旁,有一袋土掉在台阶边,他想着从600米驮下来的土比米还贵呀,就想着去捡回来,哪里知道一脚踩空,从5米多的高坡上摔到了水泥地上,马上被送去医院住了几天,半个月都不能动弹,还是等恢复的差不多了才告诉大家。OTC样地每年要进行2次大规模采样,褚国伟每次都是队长。有一次去采样时终于被马蜂盯上了,脸马上肿了一大圈,赶紧去医院吊针后好转了一些,又继续上山采样,以为没事了。可是第三天回到所里正常上着班,又被同事发现脸又肿起来了,大家都笑称他成了真正的“猪头炳(粤语很多人不认识他的褚姓,常被念成猪了)”了。这马蜂可真够毒的,把毒素从鼎湖带回了广州。吴东海是负责采水样的,有一次采样到傍晚天较黑了,他赶紧打着摩托车的火,开了车灯才隐约看见1条小蛇缠绕在他的摩托车头,吓得他赶紧把车一扔跳了下来,幸亏人车都没啥事;而在我们接地下水的桶底就更是经常有大蛇青睐了,原来他们是从那些水管爬入桶内的,虽然我们也弄了铁丝网在管口,防止枯枝落叶杂物等进入,却没想到还是经不住大蛇的经常性侵扰,他们非要去探个究竟,一来二去的终于爬进去了,结果就掉到近90cm深的滑溜溜的不锈钢桶底出不来了,只好在那里安家了,结果等下雨去采样发现时,竟然已经有3-4条了,要换着以前,肯定是抓了杀了煲汤了,而现在,保护意识已深入人心,大家赶紧小心翼翼的把他们救出深桶,再次做好更结实的防护网罩。还有2019年大旱,我们OTC的树苗都快干死了,求雨不成,赶紧想方设法要从五棵松以前挖下的小池塘抽水到山地林浇水,结果发现一大团蛇蜷缩在里面的一个小台阶上,估计也是渴了去喝水掉下去上不来的,其中有一条毒王眼镜蛇呢。现在野猪也越来越常见了,母猪带着几个小猪在林中欢闹,有一次近距离的出现在林中,吓得不会爬树的向传银也一下窜上了树。由于生态环境不断变好,人与自然更能和谐共处了,所以在野外工作之余,也经常能欣赏到我们广东的省鸟白鹇在林中、样地里悠闲散步了。

 

5.运土的马帮和建成的苗圃地垂直移位增温(OTC)实验平台

       

6.OTC建设(左图,学生临工齐上阵,右图,站长老师把关设施安装)

 

3、酸沉降实验平台:周国逸、张德强、邓琦

传统的生态系统平衡理论认为,成熟森林生态系统尤其是热带亚热带成熟森林生态系统的碳库是基本平衡的,对全球碳汇的贡献不大,而鼎湖山站研究团队整合分析20多年的监测和研究数据发现,“成熟森林土壤可以持续积累有机碳(Zhou et al. Sciences,2006”,在国际上引领了一波成熟森林碳汇功能研究的热潮。鼎湖山站研究团队基于这一最新发现,系统开展了森林土壤有机碳积累过程及其驱动机制的研究,并进一步提出1)土壤酸化驱动机制和2)C—N耦合驱动机制两个假说,试图通过人工模拟控制实验,揭示森林土壤微生物活性、盐基离子活性、水化学过程、土壤理化性状、N素的有效性等与土壤有机分解过程、有机碳形态、迁移及沉积等的相互关系,阐明森林土壤持续积累有机碳的关键过程和机理。基于以上述两个假说构建的人工模拟控制实验为核心,鼎湖山研究团队成果获得国家基金重点项目(周国逸,40730102)和国家973计划项目(首席科学家傅伯杰)课题(2009CB421101)的资助,酸沉降实验平台正是在此条件下建立而来。自2008年平台建成运行以来,已培养博士5名,硕士8名,出站博士后1名,目前在此实验平台开展研究的有博士生4人,产生了大批实验数据。酸沉降样地由原来两位站长建立,当时的邓琦还是学生,而如今,国外学成以中国科学院院级引才计划(园内自筹)归来的邓琦自成研究组首席,带领学生们继续耕耘。基于该平台的实验结果,已在Global Change BiologyScienc of the Total EnvironmentBiogeochemistry等期刊发表论文20多篇,获得国家基金面上项目资助3项、国家青年基金项目资助5项。

    

7.在酸沉降样地喷酸及布置凋落物分解实验


4. 科学观测与信息系统周国逸、张德强、张倩媚

鼎湖山站长期进行水、土、气、生定位监测及水气通量、大气本底等专项监测。积累了本底调查、实验研究、碳专项等各类数据。鼎湖山站率先研发了以数据管理为核心,集数据、人员、科研活动及设施运行为一体的精细化台站综合管理系统(http://dhf.scib.ac.cn),日达18万条数据,年约15GB通过数据大屏、VR实景实时统计展示,积极参与数据产品规范修订及示例撰写并率先发布数据集,被评为“2021年度信息化建设优秀台站”和“2021年度信息化开放共享优秀台站”双冠军。目前台站总数据积累有1000GB以上。可为华南国家植物园建设智慧型园区提供参考。


 

8.鼎湖山站综合管理系统首页(http://dhf.scib.ac.cn)


     

9.鼎湖山站综合管理系统实景VR展示大屏

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