不同封育年限高寒草甸植被/土壤碳密度及净生态系统CO2交换量的比较

封育是推广范围最广的草地恢复措施之一. 为研究不同封育年限高寒草甸植被、土壤碳密度变化, 对1 a、6 a和16 a不同封育年限样地监测结果进行分析.结果表明: 不同封育年限高寒草甸植被现存碳密度表现出封育16 a>封育1 a>封育6 a, 分别为1 522.57 gC·m^-2、1 323.12 gC·m^-2和1 148.17 gC·m^-2, 但不同封育年限之间植被现存碳密度差异不显著(P>0.05). 土壤碳密度垂直分布明显, 0~5 cm和5~10 cm土层有机碳密度较高, 随土层深度增加土壤有机碳密度明显下降, 土壤容重上升;不同封育年限之间0~40 cm层次土壤碳密度和土壤容重差异性均不显著, 但仍可表现出土壤碳密度封育1 a>封育6 a>封育16 a, 分别为28 636.32 gC·m^-2、26 570.92 gC·m^-2和26 060.71 gC·m^-2;同时, 土壤容重随封育时间延长而下降. 对7月下旬到10月上旬净生态系统CO₂交换率(NEE)监测来看, 封育1 a植被土壤碳吸收速率显著高于封育16 a(P<0.05);而排放率与封育16 a样地接近, 差异不显著(P>0.05).     

高寒湿地生态系统土壤有机物质补给及地-气CO2交换特征

海北高寒湿地植物地上、地下生物现存量较高,2004年海北高寒湿地植物净初级生产力为1799.7 gC·m^-2.由于家畜对湿地植物采食量低,每年将有大量的枯黄植物残留于地表,表现出地上、地下生物量以及苔鲜均成为土壤有机物质的补给源.由于区域温度低,积水严重,对植物残体分解缓慢,导致湿地土壤有机质含量很高,形成了厚达2 m左右的泥炭层.观测结果表明,海北高寒湿地净生态系统CO₂交换量具有明显的季节变化,年内4月和10月存在两个CO₂释放高峰期,夏季的7~8月为一个强吸收期,全年来看为一个巨大的碳源.2004年净生态系统年碳交换量为76.7 gC·m^-2.计算结果表明,植被的呼吸消耗量每年为1199.8 gC·m^-2,其植物总固碳量为2999.5 gC·m^-2,而土壤呼吸为1876.4 gC·m^-2.     

祁连山黑河上游多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征,且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品,测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2）,高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2）,高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性,高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显,高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小,存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异,其中土壤含水率贡献了81.53%,pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异,山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。     

青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义

定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.     

1971—2000年中国陆地植被净初级生产力的模拟

利用植被与大气相互作用模式(AVIM),基于气象台站的观测资料模拟了1971—2000年中国陆地生态系统NPP的变化特征.结果表明:1971—2000年我国陆地植被年均NPP变化范围在0~987.67 gC·m^-2·a^-1,全国平均值为349.74 gC·m^-2·a^-1,30 a呈现出递增的变化趋势.对各类植被NPP的模拟显示,最近30 a我国热带雨林、落叶阔叶林以及有地被层的阔叶林的年均NPP减小,而混交林、常绿针叶林、落叶针叶林、有裸土的灌丛、草地以及作物的年均NPP均为增加趋势.由于采用了先进的农业技术,与自然条件下我国作物的年均NPP变化相比,我国实际的粮食单产在上述时期呈显著的增长,表明了人类活动对于我国陆地植被净初级生产力有着深刻的影响.     

冬春季青藏高原北麓河多年冻土活动层中气体CO2浓度分布特征

2005年1~5月在青藏高原北麓河附近的高寒干草原、高寒草甸和高寒草原3种典型草地上进行了不同深度土壤气体采样和CO₂浓度分析.结果表明:土壤剖面的土壤气体CO₂浓度呈现出上低下高的分布特征.在动态变化上,土壤中CO₂浓度在多年冻土活动层春季升温过程中出现一个峰值,经过短暂的降低后随夏季融化过程开始而升高.土壤剖面CO₂浓度与土壤有机碳、重组有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳、植物残体有机碳、微生物碳贮量和土壤温度呈明显的相关关系,在100 cm以上深度与土壤水分呈负相关关系.在整个观测期间,高寒干草原、高寒草原和高寒草甸植被下3种土壤剖面土壤气体CO₂浓度变化范围分别为1 052~3 050 mL·m^-3、3 425~39 144 mL·m^-3和984~12250 mL·m^-3,高于我国塿土CO₂浓度变化范围,也远远高于青藏高原五道梁地区高寒草原土壤气体CO₂浓度变化范围.石灰简育寒冻雏形土和石灰寒冻砂质新成土CO₂浓度变化范围低于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围;石灰草毡寒冻雏形土CO₂浓度变化范围明显高于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围.活动层冻结期,土壤CO₂的闭蓄作蓄作用比较明显.由于微地形导致土壤水分条件的差异,夏季融化过程各观测点土壤CO₂浓度开始升高时间存在差异.     

青南退化高寒草甸植被土壤固碳潜力

青南与青北高寒草甸植被、 土壤、 气候类型相似, 地植被、 土壤碳密度可比性强. 研究表明, 青南高寒草甸植被退化严重, 植被和土壤碳密度随退化程度的加剧而降低, 轻度、 中度、 重度和极度退化植被碳密度分别为921.281、 809.998、 237.974 gC·m^-2和75.972 gC·m^-2, 0~40 cm土壤碳密度分别为16.760、 16.145、 14.360 gC·m^-2和12.945 kgC·m^-2. 在青北未退化草甸植被和0~40 cm层次土壤碳密度分别为1 149.327 gC·m^-2和20.305 kgC·m^-2. 相对青北高寒草甸植被类型而言, 青南高寒草甸轻度、 中度、 重度、 极度退化的植被固碳密度分别增加228.046、 339.329、 911.354 gC·m^-2和1073.355 gC·m^-2, 而对应0~40 cm层次土壤固碳密度可分别增加3.545、 4.160、 5.946 gC·m^-2和7.359 kgC·m^-2. 以青南当地未退化草地而言, 轻度、 中度、 重度和极度退化的高寒草甸0~20 cm层次土壤固碳密度可达1.694、 2.087、 3.537 kgC·m^-2和4.282 kgC·m^-2, 表现出较大的固碳潜力.     

青藏高原多年冻土区不同草地类型生态系统呼吸季节差异性

研究多年冻土区不同草地类型及季节生态系统呼吸,对理解青藏高原碳源汇关系及其对气候变化响应具有重要意义。在青藏高原风火山选取高寒草甸和沼泽草甸对生长季和非生长季生态系统呼吸进行观测。结果表明：生态系统呼吸呈明显的日变化和季节变化,高寒草甸日变异系数（0.30~0.92）高于沼泽草甸（0.12~0.29）,高寒草甸非生长季生态系统呼吸白天/晚上比高于生长季,而沼泽草甸季节变化较小;季节变化与5 cm地温变化一致。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸平均速率分别为0.31和0.36 μmol·m^-2·s^-1,生长季分别为1.99和2.85 μmol·m^-2·s^-1。沼泽草甸生态系统呼吸年排放总量为1 419.01 gCO₂·m^-2,显著高于高寒草甸（1 042.99 gCO₂·m^-2）,其中非生长季高27%,生长季高39%。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸总量分别为268.13和340.40 gCO₂·m^-2,分别占全年的25.71%和23.99%。两种草地类型生态系统呼吸与气温、5 cm和20 cm地温均显著相关,可解释37%~73%的季节变异,除生长季沼泽草甸外,生态系统呼吸与5 cm地温相关性最高。非生长季5 cm地温对应Q₁₀为4.34~5.02,高于生长季（2.35~2.75）,且沼泽草甸高于高寒草甸。生长季生态系统呼吸与土壤水分无显著关系,而非生长季生态系统呼吸受土壤水分显著影响（R²：0.21~0.40）,随土壤水分增加而增加。     

普定岩溶水-碳循环模拟试验场水体双碳同位素特征(δ13C-Δ14C)与碳足迹

河流输送到海洋的溶解无机碳(DIC)和有机碳(OC)受自然和人为双重因素的影响。了解DIC和OC的年龄、来源和转化,有助于掌握全球碳收支和提高现在以及未来自然和人类对河流碳循环影响的估算精度。本研究以普定岩溶水-碳循环试验场泉(地下水)-池(地表水)耦联系统为研究对象,利用双碳同位素(¹³C- ¹⁴C)方法,结合水生植物生长和传统水文地球化学特征,揭示了地下水-地表水系统中DIC和颗粒有机碳(POC)的来源及其转化机制。研究发现:(1)泉-池系统中DIC和POC的Δ¹⁴C具有相同的变化趋势,泉水中Δ¹⁴C值低于池水中Δ¹⁴C值,反映后者可能有“较年轻”的CO₂的加入;(2)池水水化学和碳同位素变化由土地利用类型和池中水生植物共同控制;(3)池水中颗粒有机碳(POC)浓度明显高于泉水,且其Δ¹⁴C值表现出与沉水植物和DIC的一致性(表观年龄均为3 200900 a),说明池水POC主要源于池中水生植物光合作用利用了碳酸盐风化产生的老碳(DIC),使新形成的有机质在表观年龄上“偏老”;(4)池水水体内源有机碳对水体POC的贡献在75%以上,内源有机碳通量(以C计)在250 t·km^-2·a^-1至660 t·km^-2·a^-1之间,相对于其他土地利用类型,草地对应的地表水系统具有最大的内源有机碳占比和通量,指示了沉水植物控制型浅水水体初级生产对有机碳循环的重要作用。综上,我们认为在岩溶区通过土地利用调整来调控水生植物群落对于增加碳汇具有重要潜力。     

2000-2013年浑善达克沙地植被净初级生产力变化研究

利用卫星遥感资料和地面气象观测资料,基于CASA模型及其他数理方法估算了浑善达克沙地2000-2013年生长季（4-10月）植被净初级生产力（NPP）,并对其时空变化特征进行了分析,讨论了气候因子和人类活动对植被净初级生产力的影响。结果表明： 14年间,研究区生长季的植被净初级生产力呈波动中增加趋势,多年平均NPP为239.8 gC·m^-2·a^-1。整个研究区表现为高NPP值（大于150 gC·m^-2·a^-1）的植被面积在增加,低NPP值（小于150 gC·m^-2·a^-1）的植被面积在减少。在空间分布上,研究区的北部、中部和南部边缘区域的植被NPP增加趋势较明显,而东部和西部部分区域未发生明显的趋势性变化。总体而言,研究区植被净初级生产力变化趋势与降水量的关系更密切,其相关系数达到0.86,是驱动植被NPP年际波动的最直接因素。而与温度呈负相关,相关系数为-0.42。综合考虑气候因素和人类活动对沙地NPP的影响发现,温度降低、种饲料面积、年末牲畜存栏头数和羊的数量的减少是NPP值提高的关键因素。     

土壤碳动力学同位素示踪研究进展

土壤是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳动力学旨在研究土壤有机碳库的大小及更新速率。土壤有机碳库可分为 3个亚碳库："活动"、"缓慢"和"稳定"碳库。碳同位素特别是 14 C可作为研究土壤碳动力学的理想示踪剂;δ 13 C值是定量研究C3和C4植被更替历史的有效手段; 14 C示踪及年代测定与 13 C信号联合使用,可以估算土壤碳库的大小和驻留时间。碳同位素示踪应用于土壤碳动力学研究取得了较大进展,但是由于缺乏可靠的全球数据库和标准方法来量化土壤有机碳库,导致对土壤各亚碳库的大小和更新速率以及土壤CO2的估算仍存在较大的不确定性,从而难以估计土壤碳库大小的变化对大气CO 2浓度和全球气候变化的潜在贡献。     

青藏高原北部植物叶片碳同位素组成的空间特征

测定了青藏高原北部13个地点101份草本植物叶片碳同位素组成(δ¹³C值), 结果发现, 植物叶片δ¹³C值的分布范围在-29.2‰～-23.8‰之间, 平均值约为-26.89‰, 明显低于全球高海拔植物叶片δ¹³C值(-2.6‰) ; 而植物叶片δ¹³C值随海拔和经、纬度的变化趋势与其它同类报道相似:随着海拔的升高和经、纬度的降低, 植物叶片δ¹³C值呈现升高趋势. 叶片δ¹³C值也随土壤含水量和土壤温度的变化而变化:土壤含水量越高, 土壤温度越低, 植物叶片δ¹³C值越小, 但它们之间的相关关系不具统计学意义. 初步分析表明, 大气压力 (CO₂分压)和温度的协同变化导致了叶片δ¹³C值随着海拔变化的分布格局, 而温度和相对湿度的变化是引起叶片δ¹³C值的经、纬度效应的主要因子.     

冰芯和台站记录的近50 a来东南极冰盖边缘地区气候变化格局

对取自东南极冰盖Lambert冰流东、西两侧共支雪芯,恢复了过去50 a来稳定同位素温度序列和积累率序列.对比发现,位于Lambert冰流东侧,即位于Wilks地和Princess Elizabeth 地的5支雪芯(GC₃0, GD03, GD15, DT001和DT085),过去50 a来积累率总体为上升趋势,δ¹⁸O上升速率介于0.34～2.6 kg·m^-2·a^-1; 稳定同位素显示其气温亦呈整体上升趋势, 上升速率介于0‰～0.02‰·a^-1. 但对位于Lamb ert冰流西侧, 即位于Dronning Maud地、Mizuho高原和Kamp地的5支雪芯(Core E,DML 05,W2 00, LGB16和MGA),过去50 a来积累率总体为下降趋势,下降速率介于-0.01～-2.3 6 kg·m^-2·a^-1; 稳定同位素温度变化则十分复杂:Dronning Maud 地西侧为上升, Mizuho高原和Kamp地为下降或变化不明显. 分布于LGB两侧沿岸气象站记录也印证了上述格局. 这种格局可能是南大洋独特的环流形式-环南极波(ACW)-在特殊地形( 如大的冰盆)影响下, 在南极冰盖边缘的表现形式.     

青藏高原不同生境中祁连圆柏叶片δ13C变化及其与环境和树高的关系

以分布于青藏高原东北缘的优势乔木祁连圆柏为研究对象,分析了叶片δ¹³C值变化及其与树高、土壤含水量、降雨量和叶片碳氮含量的关系.研究结果表明:研究区祁连圆柏叶片δ¹³C值的变化范围为-28.58‰~-23.95‰,平均值为-25.66‰,变化幅度为4.63‰,而同一生境不同个体之间的变化幅度为2.69‰和2.93‰,说明祁连圆柏叶片δ¹³C值的变化是植物自身遗传特性与环境因子共同作用的结果.叶片δ¹³C值与树高呈明显的负相关关系(p<0.01),并且这种关系不随采样位点的不同而改变;与叶片C和N含量不相关,而与土壤含水量和年平均降水量显著负相关(p<0.001).