生物地球化学模型DNDC的研究进展与碳动态模拟应用

脱氮脱碳模型(denitrification-decomposition,DNDC)是通过计算反硝化和有机质分解来模拟氮和碳从土壤丢失而转移入大气时的主要生物地球化学过程模型。作为目前国际上最成功的模拟陆地生物地球化学循环的模型之一,本文主要阐述了DNDC模型的发展过程及其结构,整理了DNDC模型在碳动态模拟过程中的主要研究进展,总结了当前DNDC模型在碳动态模拟领域的应用热点和优势。     

竹林扩张符合外来物种入侵范式吗?——从养分循环角度初探

凋落物分解是生态系统中碳和养分循环的基础,有关植物入侵对凋落物分解的影响通常通过叶片凋落物性状差异来预测,并且普遍认为外来入侵植物分解更快,并籍以促进入侵地养分循环从而有利于其进一步入侵。然而,植物入侵还可能影响分解者的活性或改变分解者的功能多样性,从而改变凋落物分解,其机制尚不清楚;而且在不同的气候条件下其影响可能会有所不同。毛竹由于其克隆生长的特性,在缺乏管理的情况下往往会向邻近森林群落扩张,其对生态系统的负面影响近年来广受诟病。不过,其对生态系统影响是否符合外来入侵植物生态范式仍值得商榷。本研究在全国范围内存在毛竹扩张的7个地区建立84个观测样地,通过在受侵和未受侵群落开展凋落物分解实验研究,同时考虑了土壤分解者功能群的贡献及凋落物混合效应。研究结果表明,随着土壤分解者功能群多样性的增加,尤其是大型土壤动物的存在,凋落物碳和氮的循环以及分解的气候敏感性均相应增加,但分解者的氮利用效率降低。凋落物混合效应加速其分解(9.5%)和氮素循环(28.9%),但不依赖于分解者功能多样性。相反,被毛竹入侵的样地分解速度减缓,分解者氮利用效率降低,但在排除了大型土壤动物的作用后,这种负效应则被逆转,毛竹入侵降低了分解者尤其是大型土壤动物的气候敏感性。上述结果表明,分解者的功能多样性能够调节并在很大程度上决定凋落物分解受植物入侵的影响。同时,上述现象不完全符合外来入侵物种的养分促进假说,意味着毛竹扩张从凋落物分解层面或许难以像外来入侵物种那样形成正反馈。在当前和未来气候条件下,将分解者功能群(尤其是大型土壤动物)及其与凋落物性状的交互效应纳入相关模型,与以往基于植物功能性状的框架相比,有利于更加可靠的预测植物入侵对生态系统功能的改变。     

陆地生态系统土壤呼吸研究进展

陆地土壤呼吸是碳从土壤进入大气的主要途径,与全球变化密切相关。土壤呼吸具有明显的季节和日变化动态,其季节动态与温度变化特征密切相关,还与各个地区降水量的变化趋势有关,一年中一般在7～8月份达到最高值,以后逐渐下降,从11月～翌年4月份最低且相对稳定。土壤呼吸的日变化与温度尤其是表层5～20cm地温的日变化相一致,表现为上午明显高于下午,而在早晨和傍晚时较低。不同生态系统的土壤呼吸作用存在很大的差别。一般地,森林土壤>农田土壤>草地。影响土壤呼吸的因素很多,除了土壤的通透性等物理特性和土壤微生物特征外,气温、土温、湿度、大气CO2浓度、土壤无机养分和有机质的含量与组成等都会影响土壤呼吸。大多数情况下,土壤呼吸速率是土壤一定深度地温或土壤含水量的函数。土壤呼吸随CO2浓度的升高而加强。施有机肥、N沉降和灌溉通常会使土壤呼吸增强;而施加矿质肥对土壤呼吸的影响不明显。     

强冻融作用下土壤微生物残体碳的累积特征及其对玉米秸秆输入的响应

【目的】微生物残体碳是土壤稳定碳库的主要组成部分。探究不同冻融强度下东北黑土区土壤真菌和细菌残体碳的变化和积累特征,以及玉米秸秆对这一过程的影响,以加深对东北黑土土壤有机碳循环过程和微生物调控机理的认知,为东北黑土区土壤肥力提升提供理论支撑。【方法】研究采用室内模拟培养试验,供试材料为玉米秸秆和黑土。设置3个冻融强度处理：弱冻融(融冻温度/冻结温度为5℃/-4℃)、强冻融(融冻温度/冻结温度为5℃/-9℃)和5℃常温对照,每个冻融处理分别设置添加和不添加玉米秸秆处理。一个冻融循环为土壤样品在5℃培养24 h,逐渐降低温度至冻结温度,保持48 h,然后升温至5℃,直到总时间96 h (4天),然后进入下一个循环。冻融试验共进行了16次循环,总培养周期为65天。在第0、3、8、12和16次冻融后采集土壤样品,测定土壤氨基葡萄糖(真菌残体标识物)和胞壁酸(细菌残体标识物)含量,分析微生物残体碳的累积特征及其对土壤有机碳的贡献。【结果】不添加玉米秸秆条件下,强冻融处理在前期较恒温对照显著增加了真菌和细菌残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献,降低了土壤真菌细菌残体碳比值(F/B),而弱冻融处理相关指...     

碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用

碳同位素技术,着重论述了陆生系统中碳循环过程的~(13)C、~(14)C测定的基本原理及相关方法。聚焦同位素法在土壤有机碳、作物光合碳、土壤呼吸等方面的研究进展及应用实例,在此基础上,提出了全球碳循环研究的未来重点:全球背景下光合碳的循环特征;土壤有机碳的来源、分布和周转;土壤呼吸的区分及环境响应问题;大气二氧化碳增多背景下,土壤碳转化与土壤微生物群落结构的关系;~(13)C-PLFA技术的交叉取食风险评估。     

土壤保持耕作——全球农业可持续发展优先领域

 从农业活动对全球变化以及对农业可持续发展的影响进而导致全球性土壤保持需求的迫切性增加出发，追踪了国外土壤保持耕作领域的研究和发展动态；对中国该领域研究发展现状和研究水平，从时间、深度、方法、生产应用等方面与国外进行了比较分析。中国是一个水土流失和耕地退化严重的农业大国，而从全球统计数字来看，中国土壤保持耕作面积目前仅占全球保持耕作面积的0.2%，仅占全国耕地面积的0.1%， 其现状与中国耕地资源和环境的继续退化以及对土壤保持耕作需求的增加极不相符。加强中国土壤保持耕作系统研究和土壤保持耕作"节能固碳"长期建设不仅对中国而且对全球变化及农业可持续发展具有重大意义。鉴于中国土壤保持耕作领域研究和发展所存在的不足和所面临的更大挑战，以及该领域研究涉及到复杂的农业系统"耕作管理-生物过程-环境变化"相互作用及其系统能流-碳流循环过程，尤其农业生态系统碳汇/源估量尚存在诸多不确定性因素等科学问题，有必要运用综合的系统性研究分析方法，借助国外长期试验和理论研究经验，以及系统模型模拟研究手段等多学科和交叉学科知识，加速提升中国土壤保持耕作领域的科研实力和水平，为实现碳汇/源科学调控管理、减缓农业对温室效应贡献、促进农业可持续发展提供科学依据。     

Carbon and Nitrogen Contents in Typical Plants and Soil Profiles in Yanqi Basin of Northwest China

Carbon and nitrogen are the most important elements in the terrestrial ecosystem. Studying carbon and nitrogen distributions in plant and soil is important for our understanding of the ecosystem dynamics and carbon cycle on arid lands. A study was conducted in a typical arid area, the Yanqi Basin, Northwest China. Carbon and nitrogen distributions in plant tissues and soil profiles were determined at 21 sites with typical native plants and crops. Our results indicated that carbon content was similar between crops and native plants, and the average carbon contents in aboveground （42.4%） and belowground （42.8%） tissues were almost the same. Average nitrogen contents in crops were nearly the same （~0.7%） in aboveground and belowground tissues whereas mean nitrogen content was approximately 100% higher in aboveground （2.2%） than in belowground （1.2%） tissues for native species. Soil organic carbon （SOC） and total nitrogen （TN） in cropland （9.4 and 0.9 g kg^-1） were significantly higher than those in native land （6.2 and 0.7 g kg^-1）. Multiple regression analyses indicated that carbon content in belowground tissue and nitrogen content in aboveground tissue were key factors connecting plant and soil in native land. However, there was no significant relationship for carbon or nitrogen between soil and crop, which might reflect human disturbance, such as plowing and applications of various organic materials.     

外加镉处理下秸秆生物质炭对土壤酶活性的影响

选取秸秆生物质炭为原料,通过模拟实验,探究外加镉处理下生物质炭的输入对不同类别的土壤酶活性的影响。结果表明,外加镉处理为5 mg·kg-1时,土壤碳循环相关的酶在不同生物质炭量的施入时,对Cd污染土壤反应较为敏感的有FDA水解酶及蛋白酶;而土壤氧化还原酶中在土壤受Cd污染的状况下,对不同量的生物质炭的施入具有较强敏感性的酶有脲酶和磷酸酶,其中较为显著者是磷酸酶,其在外加Cd处理下及不加Cd时变化量为79.40%;同时,对土壤中的碳循环酶、氧化还原酶及这2类酶的总体活性各求几何平均数作为衡量其综合活性的指标。其中,土壤碳循环酶酶活综合指数介于0.071~0.235之间,在外加Cd处理的情况下,其值最高为生物质炭用量为2.5%时的0.174,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出7.4%及19.5%;氧化还原酶综合指数介于0.093~0.202,在外加Cd处理下,其值最高为生物质炭用量2.5%时的0.131,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出18.50%及28.90%;土壤综合酶指数介于0.077~0.167,在外加Cd处理的情况下,其值最高亦为生物质炭用量2.5%时的0.108,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出16.26%及28.57%。     

森林土壤碳库研究方法进展

森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡,土壤有机碳库研究方法对准确估算土壤碳蓄积,反映土壤肥力,对生物多样性的保护有着重要作用。概述了森林土壤碳储量及其分布,介绍了森林土壤有机碳库的各种估算与测定方法,并就各种方法的特点及优缺点做了进一步的分析,表明各种方法都受条件限制,还有待完善,但用的最多的还是土壤类型法与生命带法,GIS方法近几年才得到应用,模型方法应用较早但还不成熟。针对各种方法估算存在的误差,从提高精度的角度出发,又对估算方法误差做了统计分析。阐述了森林土壤碳释放的测定方法,并对碳释放的一些研究成果做了总结,在此基础上,就目前土壤碳库研究方法上尚存在的一些问题作了概括与分析。参71     

中国草地生态系统碳循环研究进展

草地生态系统碳循环研究在揭示草地碳源/汇功能,提高草地碳管理水平上至关重要。阐述了碳科学的重要意义;对我国草地生态系统碳储量及碳排放量评估结果予以总结比较;探讨工程建设、草原开垦、放牧管理、施肥、草地恢复技术和气候变化及其他自然因素对草地生态系统碳循环的影响;概括并评价目前我国草地生态系统碳评估的研究方法及意义。指出目前我国草地生态系统碳循环研究中存在的主要问题,及未来中国草地生态系统碳循环的研究趋势。