中国区域碳循环研究进展与展望

中国陆地和海洋生态系统的区域碳循环在全球碳循环过程中占有重要地位。目前,中国陆地生态系统在全球碳循环中的地位和作用已有比较深入的研究,而中国边缘海系统碳循环研究相对薄弱。简要回顾中国碳循环（以现代过程的描述为主）的研究动态,重点阐述中国边缘海碳循环研究概况及CO2的海-气交换、有机碳循环、颗粒有机碳的输出、河流的输运等海洋碳循环过程的关键科学问题。在汇总补充及数据更新的基础上勾画了中国区域碳循环框架。我们认为,中国的区域碳循环过程尚有诸多未知量和不确定性,缺乏把陆、海、气作为一个系统的综合研究,海洋生态系统碳循环研究尤其需要加强。中国边缘海的碳循环研究应当围绕CO2的汇源过程这一碳循环的中心问题,深入开展边缘海碳的生物地球化学及其与大气CO2的耦合作用等方面的研究。     

陆架边缘海沉积物有机碳矿化及其对海洋碳循环的影响

边缘海沉积物是海洋重要的碳储库,其内部的碳循环主要是由有机质矿化分解过程来驱动的。有机碳进入边缘海沉积物后,矿化分解为溶解无机碳(DIC)进入沉积物孔隙水并扩散到上层水柱,参与海洋系统碳循环;同时还有部分DIC与钙镁等离子结合形成自生碳酸盐,保存于沉积物碳库。从生物地球化学角度探讨有机质埋藏机制和效率,在此基础上重点综述沉积物硫酸盐还原、产甲烷和甲烷厌氧氧化过程的耦合机制,以及有机质矿化对自生碳酸盐形成的影响等方面的研究进展,以期加深对陆架边缘海沉积物在全球碳循环收支平衡中的作用及其气候环境效应的认识。     

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

喀斯特地区碳酸酐酶与环境的关系及意义

本文综述了喀斯特地区碳酸酐酶及其与环境的关系和地球化学意义。碳循环通过碳酸酐酶影响水生生态系统。碳酸酐酶是水体碳循环的一个重要因子，是生物地球化学作用的一个重要标志。不同环境条件如水、光、pH值、无机和有机离子等可对碳酸酐酶活性造成不同程度的影响。对于不同岩溶生态系统，植被覆盖率低的土壤碳酸酐酶活性低于植被种类丰富的土壤碳酸酐酶活性。同一类型岩溶生态系统不同岩溶地形的土壤碳酸酐酶活性也不同。研究岩溶地区土壤碳酸酐酶的地球化学作用，可以为岩溶生态系统碳循环的研究提供新的途径和方法，并为岩溶地区石漠化的防治提供理论依据。     

微生物介导的热融湖碳循环关键过程研究进展

极地超常的变暖引起多年冻土不断退化并形成热融湖,该过程释放温室气体与气候变暖形成正反馈。微生物在碳循环不同环节均发挥着重要作用,理解热融湖中微生物对碳循环的调控机制,对于应对未来气候变化具有重要意义。综述了热融湖微生物参与的关键碳循环过程：梳理了热融湖形成过程和形成后微生物群落组成与分布;对有机碳分解、产甲烷和甲烷氧化等过程中涉及的主要微生物类群进行了总结;凝练了微生物对碳循环的调控机制及受环境变化的影响机制与要素。基于已有研究,得出如下认识：(1)多年冻土融化形成热融湖主要以陆生有机质为主,一些营养物质如磷酸盐、植物纤维素和亮氨酸残基等生物聚合物从陆地进入水体。(2)在多年冻土融化形成热融湖过程中,随着温度和通气条件的改善,有机质及各种生物聚合物可利用性增加了微生物功能基因多样性,提高了微生物对有机碳的分解潜势。温度、底物、溶解氧等和微生物群落的变化引起微生物代谢途径等的改变,从而影响了甲烷产生、甲烷氧化及固碳等过程,最终影响碳循环。(3)为了加深对热融湖中微生物介导碳循环过程的理解,提出了未来研究的方向：借助宏基因组技术及室内培养实验更加清晰地揭示微生物对碳循环各个过程的调节机制,...     

高寒地区湖泊浮游病毒时空分布特征

湖泊中浮游病毒的丰度在10⁵~10⁸ mL^-1,是浮游微生物中丰度较高的组分,在湖泊水生态系统中扮演着重要角色。病毒对宿主的侵染和裂解可以调节微生物群落的丰度、生产力、组成和种群多样性,同时还可以将宿主细胞的大量物质释放到湖泊中,改变碳循环和营养物质流通,进而影响生物地球化学循环。高寒地区湖泊水生态系统结构简单,主要以微生物为主,浮游病毒对微生物具有重要的调节作用,但目前研究较少。综述了近几年国内外对高寒地区湖泊病毒生态学的相关研究进展,主要包括病毒的时空分布以及与生物和非生物因子的关系、病毒与宿主的相互作用关系以及病毒对湖泊碳循环和微生物食物环的作用,发现高寒湖泊浮游病毒分布较广、多样性较高以及溶原性是病毒重要的生活策略,同时也得出由病毒裂解作用释放的有机碳对微生物活性和微生物食物环具有重要的作用。在此基础上,对今后我国青藏高原湖泊浮游病毒的研究提出了展望。     

持久性卤代有机污染物(PHCs)在食物网中的生物放大研究进展北大核心CSCD

持久性卤代有机污染物(PHCs)具有持久性、生物富集性和毒性,是对生态环境和人类健康有严重威胁的污染物。PHCs浓度会沿食物链在生物中逐营养级放大,对高等生物及人体产生毒性。本文综述了PHCs在食物网中生物放大的特征,总结了国内外对食物网中PHCs的营养级放大因子研究进展,探讨了生态和化学因素对PHCs沿食物链传递过程的影响。目前的研究多集中于水生生态系统中传统PHCs的生物放大,对PHCs的生物差异性代谢缺乏足够的了解,难以说明不同生态系统中复杂的气候、地理、生物种群特征对PHCs生物放大的影响,也给准确评估PHCs的生态风险带来了困难。PHCs的生物放大研究需要引入更多先进地球化学手段和准确构建不同生态系统的野生食物网,阐明PHCs的生物放大机制和影响因素。     

地球关键带视角理解生态系统碳生物地球化学过程与机制

陆地生态系统研究通常未考虑影响整个岩石风化层--土壤剖面的生物地球化学过程,而关键带科学则强调从冠层到基岩重新认识整个生态系统的结构和功能,在流域尺度上应该强调大气和植物之间、植物和土壤之间、小流域土壤和溪流之间物质和元素循环的相互联系等。植物碳固定及分配、从地表到基岩的土壤碳库分解和转化以及小流域碳迁移与平衡是碳生物地球化学循环的起始、周转和迁移过程的关键环节,应该加强流域尺度上从冠层到基岩的生态系统碳循环过程、机制及其生态功能研究。同位素技术具有指示、示踪和整合功能,通过δ13C自然示踪和人工标记技术,可以辅助解析碳生物地球化学过程与机制。     

持久性卤代有机污染物(PHCs)在食物网中的生物放大研究进展

持久性卤代有机污染物(PHCs)具有持久性、生物富集性和毒性,是对生态环境和人类健康有严重威胁的污染物。PHCs浓度会沿食物链在生物中逐营养级放大,对高等生物及人体产生毒性。本文综述了PHCs在食物网中生物放大的特征,总结了国内外对食物网中PHCs的营养级放大因子研究进展,探讨了生态和化学因素对PHCs沿食物链传递过程的影响。目前的研究多集中于水生生态系统中传统PHCs的生物放大,对PHCs的生物差异性代谢缺乏足够的了解,难以说明不同生态系统中复杂的气候、地理、生物种群特征对PHCs生物放大的影响,也给准确评估PHCs的生态风险带来了困难。PHCs的生物放大研究需要引入更多先进地球化学手段和准确构建不同生态系统的野生食物网,阐明PHCs的生物放大机制和影响因素。     

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈是一个系统的科学命题,也是当前国际地球系统科学领域的前沿热点问题,需要通过微观与宏观结合、古今链接、多学科交叉融合进行深入研究。在我国科学家发起的海洋生物地球化学"戈登科学前沿论坛"(Gordon Research Conferences,GRC)首届论坛上,以海洋生物泵(Biological Pump,BP)、微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)以及碳酸盐泵(Carbonate Counter Pump,CCP)等海洋储碳机制为核心,深入研讨了海洋碳汇的过程与效应,起到了引领国际海洋学科发展方向的作用。国内学界也积极行动起来,在第四届地球系统科学大会上组织了海洋碳汇专题,从古海洋碳汇、现代海洋碳循环及海洋碳汇的生物海洋学过程3个方面开展研讨。海洋微型生物生态学过程与海洋碳汇以海洋浮游植物、细菌、古菌、病毒以及不同微型生物间的互作为切入点,探讨了微型生物的储碳和固碳作用的过程及其与全球气候变化的关系。古海洋碳汇方向的报告在时间尺度上跨越了从18~8亿年前的中元古代到距今2.5 Ma的第四纪,涵盖了包括古海洋碳汇形成的古海洋环境、古海洋碳汇的生态环境效应等前沿科学问题;古海洋碳汇的报告为现代海洋碳汇研究提供了有益的借鉴,并有助于本领域科学家对海洋碳汇的历史演化观的认识。现代海洋碳循环过程方面,专题报告结合时间梯度和空间梯度,以南海珊瑚礁碳循环源汇争议为代表,探讨了碳循环中的初级生产力、溶解有机碳的来源与有机碳的降解等过程,对现代海区和全球变化背景下海洋的源汇评估提出了新的想法与研究方向。     

Sources,sinks and distribution of organic carbon in the St. Lawrence Estuary,Canada

Carbon isotope ratio analysis of particulate, planktonic, and sedimentary organic carbon and dissolved inorganic carbon has been used to study the sources and sinks of the organic carbon in the St. Lawrence Estuary and Gulf of St. Lawrence, Canada. Particulate organic carbon (POC) isotope ratios in the upper St. Lawrence Estuary are uniform and indistinguishable from those of POC in the St. Lawrence River and of planktonic organic carbon in both areas. The abundance of freshwater diatoms in the upper Estuary suggests that upper Estuary POC is predominantly “fresh” organic matter of riverborne origin. Upper Estuary POC is isotopically different from POC in the lower St. Lawrence Estuary and Gaspé regions, but is not different from POC from the surface waters of the open Gulf of St. Lawrence. The isotopic composition of planktonic organic carbon mirrors that of the POC, indicating that the POC in the lower Estuary and Gulf is also “fresh” organic matter. Since the lower Estuary POC forms an isotopic barrier between the upper Estuary POC and the Gulf of St. Lawrence POC, there appears to be little mixing of POC between these three reservoirs. Therefore POC in the lower Estuary and Gulf is most likely both produced and deposited (or degraded) in situ.An examination of carbon isotope ratio differences between the planktonic and dissolved inorganic carbon reservoirs shows that this difference varies significantly and somewhat unpredictably between sectors of the study area. Interpretation of environmental carbon isotope data on the basis of an assumed, constant fractionation factor may be subject to large errors. Direct measurement of both reservoirs is obviously preferable.     

区域尺度生态系统水分利用效率的时空变异特征研究进展

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水—碳循环耦合关系的重要指标,揭示区域尺度生态系统WUE的时空变异特征及其控制机制,有助于评价和预测全球变化对生态系统水、碳过程的影响。综述了目前区域尺度生态系统WUE的研究进展,结果表明:①目前关于生态系统WUE影响因素的研究多基于站点尺度,区域尺度的研究相对缺乏;②关于不同生态系统WUE的大小及时间变化特征已有较明确的结论,而基于生态模型方法获取的生态系统WUE的空间分布格局尚需进一步验证;③已有研究表明气候变化和土地利用/覆被变化(LUCC)均会显著改变生态系统生产力或蒸散,然而,较少研究关注两者导致的生态系统WUE的改变。因此,区域尺度生态系统WUE时空变异的控制因子及其对气候变化和LUCC的响应可能是未来全球变化研究的热点问题之一。     

Ecosystem metabolism and carbon fluxes of a tidally-dominated coastal lagoon

The metabolism and carbon flux in the western sector of the highly dynamic coastal lagoon Ria Formosa (south Portugal) were assessed to elucidate the relative importance of the contribution of the main communities, the treated sewage inputs from the adjacent city of Faro, and the exchange with the adjacent coastal waters to the ecosystem metabolism. The results depict the Ria Formosa as being a highly productive ecosystem dominated by the seagrassZostera noltii. The community dominated by the seagrassCymodocea nodosa had half of the gross production ofZ. noltii, followed by bare sediments and phytoplankton. The net contribution of seagrasses to community metabolism was negligible, as bothZ. noltii andC. nodosa showed a production: respiration ratio close to 1. Benthic microalgae emerge as the most important components of the net metabolism. The western sector of Ria Formosa was in metabolic balance during the summer when the study was done. Even though the total net ecosystem production was 7.22 Kmol C d⁻¹, the error associated with this estimate was 8.38 Kmol C d⁻¹, so ecosystem net production was not significantly different from zero. The Ria Formosa ecosystem is shallow and rapidly flushed by the tides, which force an important exchange of dissolved organic carbon (DOC) and particulate organic carbon (POC) with the adjacent coastal waters. The daily net export rate to the adjacent coastal waters, 0.98 Kmol d⁻¹, represented 7.6% of the net ecosystem production, suggesting that the bulk of the net ecosystem production accumulates within the ecosystem. The organic carbon retention in the western sector of the Ria Formosa is higher than net production, because the allochthonous carbon inputs from urban sewage enter the carbon mass balance with about 40% of the autochthonous processes, at about 1.6 Kmol d⁻¹ of DOC and 2.8 Kmol d⁻¹ of POC. The western sector of Ria Formosa has an organic carbon sink of about 46.4 tons per year. Most of this is harvested in the form of molluscs (clams, cuttlefish, etc.) and fish (sea bream, sea bass, etc.). The total carbon harvested every year in the form of bivalves is about 40 tons, rendering the Ria Formosa the most productive seafood area in Portugal.     

干旱半干旱区CO2浓度升高对生态系统的影响及碳氮耦合研究进展

大气CO2浓度升高已成为全球备受关注的环境问题.CO2排放量的增加加剧了地球表层的温室效应,也对生态系统的结构和功能产生了重要影响.生态系统对CO2浓度升高的响应是一个长期的过程.在干旱半干旱区,CO2浓度的升高对生态系统生产力、植物、土壤和微生物等都有影响,尤其改变了生态系统中的碳循环,并加剧了生态系统对氮的需求.碳...     

生态系统碳通量估算中耦合涡度协方差与遥感技术研究进展

陆地生态系统CO^₂和水热通量的长期观测研究一直是国际上关注的热点问题。截止目前,利用微气象学原理的涡度协方差技术是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法,成为国际通量观测网络的主要技术。但是涡度协方差技术的测定仍然是一种小尺度观测方法,其观测结果难于直接外推到更大尺度。同时,缺乏区域、跨尺度生态系统及其时空动态观测数据一直是限制碳循环研究的主要障碍,而遥感技术的发展可望在不远的将来使大尺度、高分辨生态系统变化的长期定量观测成为可能。这些问题在当今集中体现在如何建立通量—遥感的跨尺度观测体系,并有效地将有限的通量站点测量数据与大尺度遥感资料以及生态模型有机地结合。总结过去耦合涡度协方差技术与遥感技术的工作,主要在以下3个层面展开：①涡度协方差技术与遥感技术对碳通量估算的相互验证;②涡度协方差技术为遥感反演提供地面参数;③遥感观测解译辅助分析通量贡献区（footprint）。集中在这3个方面进行探讨,通过总结各方面的研究特点与进展,可望为未来在这个领域开展工作理顺思路。     

氮输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响

碳氮作为陆地生态系统最关键的两大生源要素,它们在自然界的循环过程中不仅各自对全球变暖做出重要贡献,而且两者的循环过程显著耦合,互相影响各自的作用和效果。从氮元素对植物光合作用、呼吸作用以及土壤呼吸作用影响的角度入手,综述了氮输入对陆地生态系统碳固定和碳排放这两个碳循环关键过程的影响特征和机理,分析了陆地生态系统碳源汇对氮素变化响应的不确定性,在此基础上对未来的相关重点研究方向进行了探讨和展望。     

生态系统响应全球变化的陆地样带研究

为从机理上理解、评估和预测陆地生态系统对全球变化的响应,国际地圈生物圈计划在全球共启动了15条全球变化陆地样带,其中2条在中国,即中国东北样带和中国东部南北样带。从植物碳氮代谢、生物多样性、生态系统功能与碳收支及样带生态系统的变化趋势等方面较系统地总结了围绕中国这2条全球变化陆地样带的最新研究进展,加深了全球变化与陆地生态系统相互作用过程与机制的理解,提出未来中国全球变化陆地样带研究应充分利用我国特殊的生态与环境及区域特色,重点针对陆地生态系统对全球变化的适应性、地球系统相互作用的生物—物理—化学—社会过程与管理、土地利用变化的动力学过程与机制、灾害性天气气候的生态效应及其调控机制和全球变化模拟预警系统开展研究,做出一些在国际上既有显示度又服务于我国社会经济可持续发展的研究成果。     

黑潮与毗邻陆架海域的碳交换

作为沟通陆架边缘海与开放大洋的北太平洋西边界流,黑潮对毗邻中国陆架海域碳循环有着不可忽视的影响。分析总结了黑潮与毗邻陆架海域海水中溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)、溶解无机碳(DIC)和颗粒无机碳(PIC)分布与交换的现有研究成果。分析表明,黑潮通过表层水涡旋、入侵以及次表层以下水体上涌等形式携碳进入毗邻陆架海域。在黑潮与毗邻陆架海域,DOC和POC的分布受生物活动、水团混合以及沉积物—水界面相互作用的共同影响,表层与陆架水中含量较高,DIC受海水碳酸盐体系平衡影响,表层含量低于底层,在陆架海域与上升流区有高值,PIC含量较低。在台湾东北海域,DOC,POC和DIC由东海陆架海域向黑潮有净输出,输出量分别为2 431×109,1 051×109和21 733×109mol C/a,PIC通过陆架源悬浮颗粒物向黑潮主流输送,通量为1 852×109mol C/a。DOC,POC和PIC由南海经吕宋海峡向黑潮有净输出,输出量分别为2 652×109,1 009×109和230×109mol C/a,但DIC由黑潮向南海有净输出,通量为13 005×109mol C/a。台湾海峡碳循环受黑潮输运的影响,但影响机制及过程至今并不清楚。因此,黑潮与毗邻陆架海域的碳交换过程研究还有若干重大科学问题亟待解决,尚需深入系统的研究。