Coupling changes of soil functional gene abundances and extracellular enzyme activities across the diagnostic horizons of agricultural Isohumosols

Soil functional microbial taxa and extracellular enzymes are involved in a variety of biogeochemical cycling processes. Although many studies have revealed the vertical change patterns of microbial communities along soil profile, the general understanding of the coupling changes in the functional gene abundances (FGAs) and extracellular enzyme activities (EEAs) in soil profiles is still limited, which hinders us from revealing soil ecosystem processes. Herein, we comparatively investigated the FGAs and EEAs in the diagnostic A, B, and C horizons of soil profiles obtained from two suborders of Isohumosols (Mollisols), Ustic and Udic Isohumosols, in Northeast China based on quantitative real-time polymerase chain reaction and standard fluorometric techniques, respectively. The distribution patterns of both FGAs and EEAs significantly distinguished by the two soil suborders and were also separated from A to C horizon. Additionally, the variations of EEAs and FGAs were greater in Udic Isohumosols compared to Ustic Isohumosols along soil profiles, and greater changes were observed in C horizon than in A horizon. Both FGAs and EEAs correspondently decreased along the soil profiles. However, when normalized by soil organic carbon, the specific EEAs significantly increased in deep soil horizons, suggesting that microorganisms will input more resources to the production of enzymes to ensure microbial nutrient requirements under resource scarcity. More importantly, we revealed that soil microbial nutrient demands were limited by carbon (C) and phosphorus (P), and the C and P limitations significantly increased along soil profiles with a greater C limitation observed in Ustic Isohumosols than in Udic Isohumosols. Overall, our findings provided solid evidence showing the links between FGAs, EEAs, and microbial nutrient limitations, which would be helpful for a better understanding of the ecosystem processes in soil profiles.     

2000-2015年黄土高原生态系统水源涵养、土壤保持和NPP服务的时空分布与权衡/协同关系

生态系统服务评估决定区域可持续发展,对人类福祉至关重要。以黄土高原为研究区域,基于CASA、InVEST和RUSLE模型,结合土地利用类型、归一化植被指数、气象等数据,分析了2000年、2005年、2010年和2015年的NPP、土壤保持和水源涵养3项关键生态系统服务的时空分布特征,识别了3种生态系统服务的热点区,并基于相关系数法分析了黄土高原地区和不同气候区(干旱气候区、半干旱气候区、高原气候区、半湿润气候区)不同生态系统服务间的权衡/协同关系。结果表明:(1)2000—2015年,黄土高原地区的土地利用类型变化剧烈,其中林地(2.8%)和建设用地(43.1%)显著增加,耕地(-2.7%)明显减少;(2)2000—2015年,净初级生产力(NPP)、产水量和土壤保持均呈现增长趋势,分别增加14.1%,5.3%和101.3%;(3)黄土高原的4类热点区(非热点区、一类热点区、二类热点区、三类热点区)所占面积变化不显著,分布具有明显的地带性,从西北到东南依次为非热点区、一类热点区、二类热点区和三类热点区;(4)在整个黄土高原地区,土壤保持与NPP、水源涵养之间为协同关系,NPP与水源涵养为权衡关系;在4个气候区,NPP与土壤保持之间的权衡/协同关系与黄土高原地区一致,但土壤保持和水源涵养在半干旱气候区和半湿润气候区呈权衡关系,NPP与水源涵养在高原气候区和半湿润气候区为协同关系。为促进区域生态系统可持续管理,应在土地规划过程中考虑生态系统服务之间的相互关系,尽可能减少权衡,增加协同。     

中国耕地空间格局变化及其生态系统服务价值响应

研究耕地空间格局变化对耕地生态系统服务供给能力的影响,能为我国耕地空间格局优化和耕地生态保护提供科学参考,具有重要的理论和实践意义。以往研究缺乏全国耕地生态系统服务供给能力动态变化的综合研究,因此在深入分析耕地空间格局演变的基础上,构建了图斑尺度的耕地生态系统服务价值时空异质评估模型,全面评估2000—2015年我国耕地生态系统服务价值,探究了我国耕地生态系统服务供给能力时空变化规律。结果表明:(1)2000—2015年,中国耕地重心持续向西北方向迁移,水田和旱地重心分别向西北和东北迁移。北方干旱半干旱区旱地持续增加,东北平原区水田持续增加,其他农业区耕地持续减少;(2)2000—2015年我国耕地生态系统服务总价值和单位面积价值均减少,减幅分别为1.35%和0.55%。耕地供给服务总价值和单位面积价值增加,调节服务、支持服务和文化服务总价值与单位面积价值均减少。(3)中国耕地生态系统服务价值变化空间分异明显。北方的北方干旱半干旱区、东北平原区耕地生态系统服务总价值增加,单位价值减少; 青藏高原区耕地生态系统服务总价值和单位价值均减少; 其他农业区耕地生态系统服务总价值减少,而单位价值增加。应通过优化耕地空间格局、精准实施耕地休养生息策略、建立耕地保护生态补偿机制等有效提升耕地生态系统服务供给能力。     

西藏“一江两河”流域生态系统服务变化及权衡与协同关系研究

为使环境资源得到高效配置,明晰生态系统服务间权衡关系是重要前提。以一江两河流域为对象,基于InVEST模型对该区1990—2018年的土壤保持、水源涵养和固碳服务进行动态评估,并采用相关分析法探讨了流域、县域尺度下各服务间的权衡关系。结果表明:(1)1990—2018年,土壤保持量和碳储量呈波动增加趋势,产水量呈减少趋势。单位面积土壤保持量、产水量和碳储量的高值区均分布在流域东部的拉萨河河谷地区。(2)流域尺度下,2010年水源涵养服务与固碳服务间表现出权衡关系,其余年份各服务间均呈现出协同关系; 县域尺度下,各服务间关系也多为协同关系,但具有较强的空间异质性。(3)热点制图显示,1990—2018年1类区占比最大且呈增加趋势,主要地类为低植被覆盖草地; 0类和2类区占比增加,主要地类分别为沙地和高植被覆盖草地; 3类区占比有所减少,主要地类为高植被覆盖草地和灌木林。由此可得,研究区3种生态系统服务具有较强的时空异质性,各服务间以协同关系为主,且随时空变化而发生着强弱变化。     

山前冲积扇蓄洪入灌坎儿井水源保护方法研究

新疆吐鲁番盆地的坎儿井是我国宝贵的非物质文化遗产,且对吐鲁番绿洲生态的存在与发展具有不可替代的作用。近年来随着大量机电井的使用,区域地下水位持续下降,致使坎儿井出水流量减少甚至干涸。吐鲁番盆地北侧天山山脉的年降雨量可达300~400 mm,该降雨除一部分通过多条河流排出外,在山前冲积扇上也会造成一定规模的洪水,给盆地边沿地区带来一定的威胁。通过分析吐鲁番盆地基本情况、坎儿井现状和山前冲积扇蓄洪入灌的自然条件,提出一种山前冲积扇蓄洪入灌坎儿井水源保护方法,并采用数值模拟对此方法进行了研究。山前冲积扇蓄洪入灌坎儿井水源保护方法,即在冲积扇修筑拦洪坝的方式,拦蓄该部分洪水,一方面起到防洪效果,另一重要方面就是补给地下水,抬升地下水位,从而增加该区域的坎儿井的出水量。研究表明:该方法可以大幅提升地下水位,增加坎儿井的出水量,甚至可使得已经干涸的坎儿井重新出水,是经济可行的一种保护坎儿井的方法。     

广州市土地利用生态服务价值测算研究

定量研究经济发达地区土地利用与生态服务价值的变化情况,可为生态资源的合理定价与有效补偿,促进自然生态系统与社会经济系统的协调发展提供科学依据.利用单一土地利用动态度模型、土地利用程度综合指数和土地利用程度变化率分析了广州市土地利用的变化情况;参考Costanza及谢高地等人的生态服务价值系数,对广州市生态服务价值及其影响机制进行了定量研究;并应用相关性分析和敏感性分析方法探讨了生态服务价值与主要社会经济因子的关系.研究结果表明,广州市土地利用的生态系统服务价值总体呈逐年下降趋势,其中林地、水域和园地等地类的生态服务价值所占比例较大,土地利用结构和各类土地面积的变化直接影响到生态服务价值量的变化,广州市生态服务价值与总人口、GDP及城市化水平间均存在负相关关系,说明该市社会经济的发展是以生态服务价值的损失为代价的,生态系统服务价值的变化对人口、GDP和城市化水平总体上缺乏弹性.相对而言,对于人口的变动较为敏感,其次是城市化水平,对GDP变动的影响敏感性最弱.     

土地利用变化对漓江流域生态服务价值影响

应用Costanza的生态服务价值计算方法,参照中国陆地生态系统单位服务价值系数,分析了土地利用变化对漓江流域生态系统服务功能的影响.漓江流域生态系统服务价值在1991-2006年间减少了14.906 2×10~8元,年平均减少0.993 8×10~8元.生态服务价值系数较高的林地、耕地和水域等转化为生态服务价值系数较低的建设用地和园地,是流域生态服务价值受损的主要原因.流域生态系统9类单项服务价值均呈现下降趋势.尤其是土壤形成与保护、水源涵养、气体调节、生物多样性保护和气候调节等服务价值的损失较大.马尔可夫链模型的预测结果表明:如果保持1991-2006年的土地利用变化趋势,漓江流域生态系统服务价值在未来将呈现不断下降的趋势.敏感性分析表明,生态系统服务价值对价值系数缺乏弹性,研究结果可信.     

南阳烤烟矿质元素及化学成分次适宜因子与土壤生态因子的典型相关分析

为了解南阳烤烟矿质元素及主要化学成分次适宜因子及其与土壤生态因子的关系,选取代表南阳不同生态类型的13个样点的土壤样品和烟叶样品,以及2个津巴布韦、14个巴西的优质烟样,测定烟样矿质元素及化学成分与土壤生态因子.对优质烟与南阳烤烟间矿质元素及主要化学成分指标的比较表明,南阳烤烟矿质元素及主要化学成分次适宜因子为磷、钾、钙、钠、烟碱、总糖、还原糖、淀粉.对次适宜因子与土壤生态因子进行典型相关分析的结果表明,在一定范围内,随着土壤锌含量提高,烟叶还原糖呈显著增加趋势而烟碱呈显著减少趋势:土壤氨化菌数减少、硝化菌数增加,烟叶烟碱显著增加而总糖、淀粉、磷含量显著减少;随土壤放线菌数减少、解钾菌数增加,烟叶还原糖含量增加;随土壤铜含量提高,烟叶钙、钠含量减少;随土壤硝化菌数减少、真菌数增加,烟叶钙含量呈增加趋势而钠含量呈减少趋势.改良土壤特别是改良土壤微生物性状可望改善烟叶质量.     

红壤丘陵双季稻稻田农田生态系统不同施肥下碳汇效应及收益评估

收集江西一个红壤水稻田长期肥料试验中产量、施肥量、土壤有机碳等资料,结合对农田生产中各项生产资料和管理活动的投入进行调查,对不同施肥处理下系统的生产力、碳投入排放与碳收集效应进行分析,并估算系统的碳汇。评价了不同处理下生产力的碳成本与碳汇效益。结果表明,种植双季稻下化肥配施和化肥有机肥配施下的稻田总碳汇分别为-2．2和-3．2t C·hm^-2·a^-1,但在两季生产中并无显著差异;相应地,有机无机肥配施比纯化肥配方施肥产量提高了30％左右,而碳汇量提高了50％左右。证明有机无机配合施肥是一种可以增产增汇的关键农业生产管理途径。     

温度对克氏针茅草原生态系统生长季碳通量的影响

草地生态系统碳通量的驱动机制研究是碳循环研究的重要方面。利用涡度相关技术观测了克氏针茅草原生态系统的净生态系统碳交换（NEE）、生态系统初级生产力（GEP）、生态系统呼吸（Reco）的变化,探讨了2010年生长季内温度对该系统NEE、GEP和Reco的影响。结果表明,2010年生长季内,克氏针茅草原日尺度上NEE和GEP只出现了1个明显的吸收峰,Reco则呈现倒＂U＂型变化规律。克氏针茅草原空气温度与NEE、GEP和Reco呈极显著相关关系,气温日较差对该系统碳通量的影响程度较小;土壤温度与NEE、GEP和Reco之间也呈极显著相关关系,土壤温度的增加会同时提高克氏针茅草原生态系统的固碳能力、初级生产力及呼吸作用。空气温度和土壤温度都是影响克氏针茅草原生态系统碳收支的重要驱动因子。