陆地生态系统碳循环对土地利用变化的响应

陆地生态系统碳循环在全球碳循环中占有重要地位,而土地利用变化是估测陆地生态系统碳储存与释放的最大不确定性因素。植被和土壤是陆地生态系统的两大碳库,是碳循环中的两个重要纽带,土地利用变化影响陆地生态系统土壤和植被碳的固定、积累与释放,从而影响整个碳循环过程。本文主要从土壤和植被碳库的角度出发,综述了近年来土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响及其机理,以及研究方法进展,着重分析了模型在此方面的应用;并提出了未来研究方向的展望。     

露天煤矿区复垦土壤碳库研究进展

土壤是地球陆地生态系统中碳的重要贮藏库。露天煤矿区既是"碳源",也是"碳汇",研究其土壤碳的变化对区域碳平衡具有重要意义。本文梳理了当前世界范围内对露天煤矿区土壤碳库的构成、土壤有机碳库的区分测定方法、积累、转化和时空分布的研究。已有研究成果表明:(1)复垦与未复垦排土场中土壤无机碳含量无显著差异。(2)土壤有机碳的含量受复垦植被、年限、地形及土壤理化性质的影响。(3)不同因素通过影响土壤中的矿质态氮和微生物活性而影响有机碳的分解矿化率。(4)不同类型有机碳在土壤剖面中的分布呈不同规律,生物成因有机碳主要积累在土壤表层和亚表层,而地球成因有机碳积累在土壤底层。在此基础上提出深入研究方向:土壤无机碳和有机碳的相互转化关系、土壤碳循环与氮、磷、水循环的耦合关系及与生态系统生物多样性之间的内在联系。     

农田生态系统碳循环模型研究进展和展望

农田生态系统是陆地生态系统碳循环过程中最活跃的碳库。研究农田生态系统碳循环,对温室气体减排及研究全球气候的变化都具有极其重要的意义。农田生态系统碳循环研究是一个非常复杂的过程,碳循环模型是研究农田生态系统碳循环最有效的手段。该文综述了农田生态系统碳循环的最新研究进展,总结了农田生态系统碳循环的流动过程,介绍了碳素在不同碳库以及碳库不同组分之间迁移转化的规律,梳理了从1960年至今的农田生态系统碳循环模型并进行了分类,阐述了国际主要模型以及中国自主开发的碳循环模型的应用情况。未来农田生态系统碳循环的研究方向为:1)探索农田生态系统碳循环机制;2)从空间时间上完善对碳循环过程的研究;3)考察氮循环、水循环、微生物与碳循环的关系;4)利用碳循环模型来估算不同的管理实践下碳在不同农田的再分配;5)开发利用碳循环模型,为政府制定相关政策提供相关数据参考。     

陆地生态系统碳-氮-水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括:(1)植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;(2)土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;(3)生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目"森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制"的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。     

火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响研究进展

森林生态系统土壤有机碳作为陆地碳循环研究的重要内容,在全球变化和全球碳收支的研究中占据了重要地位。火干扰能改变森林生态系统中土壤与大气的碳素交换,是森林生态系统碳循环的重要影响因子。为此,加强火干扰下森林生态系统土壤有机碳循环研究,了解火干扰与森林生态系统土壤有机碳循环之间的交互关系,有助于揭示火干扰下土壤碳库动态机理。本研究简要综述了火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响研究进展,探讨了不同强度林火对土壤有机碳的影响,分析了其产生机理;阐述了火干扰不同时间后土壤有机碳变化、火干扰对不同土层土壤有机碳的影响,并分析了其原因。最后讨论了火干扰对森林土壤有机碳影响研究中存在的相关问题,提出了在今后研究中应关注的问题,并对未来的研究方向进行了展望。     

我国湿地碳循环的研究进展

湿地生态系统的碳循环正成为全球变化与陆地生态系统碳循环研究中的一大热点,在稳定全球气候变化中占有重要地位,其重要性主要表现在湿地土壤是陆地重要的有机碳库,土壤碳密度高,能够相对长期地储存碳,是多种温室气体的源和汇。目前湿地碳循环的研究主要集中在碳循环的影响因素方面,对我国湿地土壤有机碳储存的变化及其空间分布规律的特点研究较少。本文通过文献综述,研究我国不同气候区湿地土壤有机碳的储存变化及空间分布规律,对于了解湿地土壤有机碳的储存特点及其与陆地生态系统碳循环的关系,评价和保护湿地生态系统都具有重要的科学意义。     

氮输入对森林土壤有机碳截存与损耗过程的影响

大气氮沉降对受氮限制的陆地生态系统碳截存/损耗的机理尚不清楚,尤其是对土壤有机碳(SOC)的输入、转化和输出过程的认识明显不足。本文论述了外源性氮素(氮沉降、人为增氮)对凋落物分解、土壤有机碳各组分周转的影响,以及土壤呼吸各组分(根系自养呼吸、根际微生物呼吸和SOM分解)对增氮的响应等领域的最新研究进展,指出了在上述研究领域中存在的问题,并提出拟解决的途径以及未来的可能研究方向,以期为该领域的研究提供参考。     

氮沉降对细根分解影响的研究进展

随着人类干扰的加剧,大气中氮沉降量迅速增加,并显著影响生态系统碳循环过程。细根分解不但是陆地生态系统重要的碳汇和矿质养分库,也是土壤碳及养分的主要来源,对陆地生态系统物质和能量循环具有重要意义。细根分解是植物、土壤动物、微生物及土壤微生态系统间复杂的互作过程,氮沉降对细根分解速率的影响较为复杂,系统深入地研究氮沉降下植物、土壤动物、微生物与土壤微生态系统的相互作用方式与机理,对探索定向调控细根分解过程、预测生态系统对全球变化的响应具有重要的指导意义。对细根分解对大气氮沉降的响应进行了全面总结,系统分析和详细描述了氮沉降对细根分解关键因素的影响,及氮沉降对细根分解影响的机理;总结了目前细根分解研究中存在的问题,并对未来重点研究方向进行了展望,以期为深入研究氮沉降与陆地生态系统碳循环间的交互作用及反馈机制提供参考。     

森林植被不同尺度的碳水过程及耦合机制研究进展

[目的]陆地生态系统中的碳循环和水循环是陆地生态系统物质和能量循环的核心,也是连接地圈、生物圈和大气层的纽带。森林植被是陆地生态系统的重要组成部分,是表征陆地碳-水循环的重要变量,在维持生物圈和大气圈的动态平衡中发挥着重要作用。目前,对陆地生态系统中碳-水循环的耦合关系和机制缺乏系统的分析和总结。[方法]从森林植被碳与水过程及其相互作用、植被水分利用和耦合机制的角度,综述了森林植被碳与水循环过程及其相互作用的研究与进展,以及不同空间尺度(叶片到区域/全球尺度)碳-水耦合的定义、方法、进展和展望。[结果]新兴的技术和方法实现了不同尺度碳水过程的高频观测,WUE等耦合指标体系推动了碳水耦合机制的研究和发展。[结论]通过系统阐述植被碳水耦合关系的多尺度整合和碳水耦合机理,为系统认识森林碳水耦合机理和水资源管理提供了理论基础,对未来植被经营管理决策具有重要的科学支撑意义。     

生物地球化学循环模型DNDC及其应用

生物地球化学模型是模拟研究化学元素动态的新兴领域,可用于陆地生态系统内植物、有机物和无机营养元素动态变化和循环。DNDC模型(DeNitrification-DeComposition Model)是美国新罕布什尔州大学陆地海洋空间研究中心开发研制的,最初是为了模拟农田生态系统固碳、氮流失和水平衡而创建,目前该模型可以模拟草地、湿地、林地等陆地生态系统碳氮动态过程。DNDC模型已经在美洲、欧洲、澳洲以及亚洲的一些地区得到了验证和运用。DNDC模型可用来分析陆地植物生长规律、土壤硝化和反硝化作用、温室气体和痕量气体排放预测研究、不同土壤类型及气候条件对森林生态系统碳氮通量变化的影响以及气候变化对生物地球化学循环的影响预测等。     

Meta-analysis of experimental warming on soil invertase and urease activities

Soil enzymes are regulate terrestrial carbon (C) and nitrogen (N) cycles, and how the activity of these enzymes are affected by soil warming duration is unclear. In the study, the effect of experimental soil warming duration (<2 years and >2 years) on invertase and urease activities were examined by meta-analysis. Soil warming increased invertase activity by 22% (<2 years) and 16% (>2 years), respectively, while they increased urease by 29% and 9%. Meta-analysis of soil warming experiments found that warming by less than 1.5°C increased invertase by 22%, while warming it by more than 1.5°C increased invertase by 29%; the corresponding increases in urease were 16% and 8%. These effects of experiment warming differed among ecosystem types, with warming-induced increases being greatest in forest ecosystem. The results of this meta-analysis suggest that invertase and urease become less responsive to warming over longer periods and invertase with greater warming-responsiveness than urease activity.     

森林土壤有机碳库组分定量化研究

用一级动力学方程研究了贵州省黎平县森林土壤活性、缓效性和惰效性有机碳库的变化及分解速率,模拟结果表明:各土壤剖面的土壤活性碳库一般占总有机碳的0.5%~7.6%,平均驻留时间(M ean Residue Tim e,MRT)为41~64天;缓效性碳库占总有机碳的45%~71%,平均驻留时间为3~30年;采用酸水解法测定惰效性碳库的库容,一般占总有机碳的20%~50%。活性碳库的变化规律为混交林>阔叶林>针叶林,缓效性碳库中混交林最大,其它两种林分规律不明显;不同林龄的杉木(8年,16年,40年),非活性碳库(缓效性碳库和惰效性碳库之和)的含量变化规律为40年>16年>8年,说明40年生的杉木下土壤固碳能力比8年和16年的强;16年的又比8年的强。     

不同土地利用下黑土密度分组中碳、氮的分配变化

陆地生态系统植被覆盖会影响有机质在土壤及其各组分中的分布,是控制土壤有机质储量的重要因子。通过对黑土有机碳、氮含量的估算,阐明土地利用变化对土壤有机碳库及轻组、重组有机碳、氮含量和结合态腐殖质有机碳含量的影响以及有机碳、氮的消长变化。结果表明:(1)不同土地利用方式下土壤0～20cm土层总有机碳(TOC)、全氮(TN)含量存在显著差异(p<0.05),自然土壤被破坏或转为农田,土壤总有机碳和全氮含量会持续下降,但农田化肥和有机肥配施后,土壤总有机碳和全氮含量显著增加;草地经过20年的植被恢复,土壤总有机碳含量显著高于农田化肥和无肥处理,有机碳库储量显著提高;(2)游离态轻组(Free-LF)和重组(HF)有机碳和氮含量与土壤总有机碳和全氮呈显著或极显著正相关,闭蓄态轻组(Occluded-LF)有机碳和氮在土壤中呈随机分布;(3)游离态轻组的C/N比高于全土和其他组分,易受微生物作用而降解,是土壤不稳定碳库的主要成分;(4)松结态胡敏酸碳含量与土壤总有机碳显著相关(p<0.05),土壤肥力随着胡敏酸的增加而提高。农田有机培肥不但能够提高有机质含量和土壤质量,也能显著提高农田生态系统抵押大气CO2的能力。     

外源氮输入对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响

目前,由人类活动造成的陆地生态系统氮输入量已经远远超过了其自身的生物固氮,外源氮输入的增多已经并将继续对土壤有机碳矿化和凋落物分解产生影响。本文分析了国内外有关氮输入增多对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响及其机理:由于研究点环境状况不同,凋落物性质的差异和分解阶段的不同等原因,氮输入对土壤有机碳矿化的结果主要表现为抑制或促进作用;对凋落物分解的影响表现为促进、无影响和抑制三种效果,有关其作用机理还有待进一步深入研究。着重指出对于作为大气CO2"汇"的沼泽湿地,氮输入的增多能够对其碳"汇"功能产生影响,因此进行氮输入对湿地土壤有机碳矿化和凋落物分解方面的研究,对于探讨湿地碳循环对外源氮输入的响应及其机理非常重要。     

Grassland degradation reduces the carbon sequestration capacity of the vegetation and enhances the soil carbon and nitrogen loss

Abstract

Grassland degradation not only results in soil degradation and severe decreases in land productivity, but also can promote the emission of soil carbon and nitrogen compounds as greenhouse gases into the atmosphere. The primary objective of this study was to characterize the impact of grassland degradation on carbon and nitrogen budgets in Inner Mongolia, China. We investigated the changes of total carbon, organic carbon, inorganic carbon and total nitrogen that occur in a grassland ecosystem (including vegetation and top 30 cm soil layer) in the course of grassland degradation. Total carbon stored in the grassland ecosystem was reduced by up to 14%, depending on the severity of the degradation. Total nitrogen storage was reduced by almost 10% under severe degradation, but was slightly increased at light and intermediate degradation, indicating that grazing exclusion would not lead to an increase in nitrogen storage in the ecosystem. Over 98% of the total carbon and nitrogen stored in the grassland ecosystem was bound in the soil which provides the dominant and most stable carbon and nitrogen pool in the ecosystem. Most of the soil carbon and nitrogen storage was present in soil water-stable aggregates and was released as soil water-stable aggregates break in the course of grassland degradation. In conclusion, the carbon sequestration capacity of the vegetation decreased significantly, and substantial proportions of soil carbon and nitrogen were lost in the course of grassland degradation, resulting in unbalanced carbon and nitrogen budgets. Strategies to restore degraded grassland must be designed to increase the carbon and nitrogen storage potential of grassland ecosystems.     

陆生植物对全球环境变化的适应

全球环境变化对陆地生态系统产生了深刻影响,而陆生植物对环境变化具有一定的适应机制。在生理过程中,信号物质能够对植物的生理过程进行调节,植物会主动积累或合成小分子物质以减轻逆境的伤害。在个体水平上,植物通过调节同化物在不同器官中的分配来适应环境条件的变化;植物对水氮资源的权衡利用可以使其适应不同的资源环境条件;由于对非结构碳水化合物的奢侈利用,植物生长不会受碳供应的限制。植物生理生态过程中的适应机制会影响陆地生态系统的碳收支。只有在综合分析的基础上建立整合植物适应机理的数学模型,才能准确预测环境变化对陆地生态系统的影响。     

城市化对城区和郊区森林土壤氮循环的影响

氮循环是陆地生态系统重要的物质循环过程之一。快速城市化改变了生态系统的氮输入和输出,从而影响了城市生态系统的氮循环规律,但目前有关研究还很少。选取北京城区和郊区的油松林、侧柏林和毛白杨林三种森林植被类型,比较研究了不同季节(春季、夏季、秋季)的土壤无机氮库和净潜在矿化和硝化速率的城郊差异。结果表明,(1)城区与郊区硝态氮、氨态氮含量均有明显的季节动态,夏季显著高于春季和秋季。(2)3个季节城区硝态氮含量均显著高于郊区(春季28.41 mg kg-1和19.66 mg kg-1;夏季99.35 mg kg-1和59.51 mg kg-1;秋季9.61 mg kg-1和5.63 mg kg-1)。(3)城区净潜在矿化速率也高于郊区。(4)夏、秋两季,城区和郊区的土壤硝态氮含量不同树种间存在差异,夏季城区的净潜在矿化和硝化也呈现出树种间的差异(P<0.05)。(5)影响城区与郊区无机氮库的环境因子也存在差异,城区土壤无机氮库的变化主要与土壤有机碳和容重相关,而郊区主要与土壤水分相关。因此,城市化能够对森林土壤的氮循环产生一定影响,但其影响程度因研究指标、季节和树种而有所差异。