喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

云南石林喀斯特露石径流输出及其影响因素探究

喀斯特露石具有重要的生态功能,但关于露石承接降水后的石面径流及其影响因子研究仍然很少.本实验选择云南石林的石漠化、人工林、原生林生态系统,布设露石径流收集装置,收集并测量不同降雨事件后的露石石面径流,测定露石承接降水面积和粗糙度.结果表明:(1)在3.92 mm到72.31 mm的降雨范围内,露石承接降雨量与露石径流量间存在极显著的正相关关系.(2)降雨量,林冠覆盖,露石粗糙度均影响露石径流输出.降雨量与露石径流深成显著正相关关系;石漠化生态系统的露石承接降雨量和露石径流输出显著高于两类林地;露石径流输出随露石粗糙度的增加而减小,两者间存在显著的负相关关系.(3)石漠化生态系统的降雨-露石径流转换系数为0.483,显著高于人工林生态系统的0.434和原生林生态系统的0.413,但两类林地的差异性仅在降雨量为小雨时显著.多因素影响下的喀斯特露石径流具有高度异质性,其将对土壤水分、养分异质性与生物多样性的形成产生重要影响.     

基于稳定同位素的喀斯特植物水分利用策略

喀斯特植物水分利用策略研究是喀斯特退化生态系统植被恢复必需明确的科学问题.作为地球化学重要研究手段的稳定同位素技术,为探寻喀斯特植物的生理生态机制,尤其是水分利用策略提供了契机.最近几年,基于稳定同位素技术,笔者以喀斯特高原区和峡谷区常见植物种为研究对象,从地貌、土壤、石漠化等级、小生境等角度结合各项环境和植物结构、生理指标,探讨了植物的水分利用效率和来源,取得了以下认识:     

干旱区根土界面水分再分配及其生态水文效应研究进展与展望

水分限制环境下,植物对生境的适应直接或间接地与植物对水分资源的利用有关。目前已知,根系—土壤系统（又称根土界面）水分再分配是陆地表层系统地下生态过程的一个重要环节,它在植物对土壤水分的利用和生态系统水分循环过程中起着关键调节作用,而且对生态系统的碳氮磷循环与养分平衡等关键过程亦具有重要影响。因此,深入开展水分限制环境下根土界面水分再分配过程及其生态水文效应的研究有重要的科学意义。围绕“水分限制环境下根土界面水分再分配过程及其效应”这一核心问题,重点从根系生态学、根土界面水分再分配发生机理及其生态水文效应及影响根土界面水分再分配发生的主要因子等3个方面对国内外的研究动态及最新研究进展作比较系统的评述;在此基础上,提出了根土界面水分再分配过程及其生态水文效应研究中应重点关注和研究的几个前沿科学问题。     

喀斯特露石生境下构树和桑树的光合特征

以喀斯特适生植物构树（Broussonetia papyrifera）为研究对象,非喀斯特适生植物桑树（Morus alba）为对照,比较了不同的植物光合作用对露石生境的响应。与无露石生境相比,多露石生境土壤具有较高的水分含量和较多的有机质。分析植物光合作用的光响应曲线和二氧化碳响应曲线、叶绿素荧光参数以及叶片水势（LWP）和碳稳定同位素值（δ13C）的结果表明:不同生境下,两种植物的LWP及δ13C无显著变化;除了初始荧光参数外,同种植物的叶绿素荧光参数差异不显著;不同生境下,构树的呼吸速率和羧化效率无显著变化,而多露石生境土壤生长的桑树的呼吸速率和羧化效率明显要大于无露石生境土壤生长的;在水分亏缺下,构树以牺牲体内碳的方式来维持稳定的羧化效率,进而保持稳定的光合能力;构树比桑树对喀斯特环境有着较强的适应性。      

根圈化学

根圈是指植物根系周围的那部分土壤,由于受到根系活动及其分泌物的影响,其物理、化学、生物学性质不同于原土体,由植物根表面—粘液层—根圈土壤—根圈微生物及其它物质组成,是一个既依赖于农田生态系统又相对独立的微生态系统。同时,它也是各种养分、水分和有益、有害物质进入根系参与生态循环的门户,其中有着非常活跃的化学和生物化学过程。     

根系分泌的有机酸及其对喀斯特植物、土壤碳汇的影响

根系分泌的有机酸是土壤有机酸的重要动态来源,来源于光合作用固定的碳,是土壤碳流动的最活跃形式。根系分泌的有机酸是一种具有调节作用的植物和土壤碳汇。一方面,在喀斯特土壤环境中,植物根系分泌有机酸的含量增加,影响碳汇的产生和流动,直接调节植物与土壤的固碳增汇能力;另一方面,根系分泌的有机酸通过影响土壤中一系列的动态化学和生物学过程,对土壤养分有效性和养分循环以及微生物的活性产生深刻影响,直接影响土壤的固碳增汇能力,从而间接影响植物的固碳增汇能力。因此,根系分泌的有机酸在喀斯特生态系统的固碳增汇中起着重要作用。      

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。     

喀斯特与非喀斯特区土壤含水量与植物叶片δ13C关系的对比研究—— 以贵州清镇市王家寨小流域为例

通过测定贵州省清镇市王家寨小流域内不同背景区(喀斯特与非喀斯特)土壤的含水量以及16种植物叶片的δ13 C值,比较了不同背景区从退化生态到非退化生态过程中各样地之间,以及石漠化和土山样地不同坡位之间土壤含水量与植物叶片δ13 C值的相关关系。研究结果表明,不管是喀斯特背景区还是非喀斯特背景区从退化到非退化的过程中,随着土壤含水量的逐渐增大,植物叶片的δ13 C值与土壤含水量呈现显著的负相关关系,即土壤含水量越大,植物的水分利用效率就越低;而从不同坡位土壤含水量与植物叶片δ13 C值的相关关系分析表明,石漠化样地植物叶片δ13 C值并不随坡位土壤含水量的不同呈现出规律性的变化,而坡位自上而下土山样地植物叶片的δ13 C值则表现出随土壤含水量的增大而逐渐趋负。这些研究结果均反映了植物叶片的δ13 C值对不同生境土壤水分条件的适应机制,其中石漠化样地上的植物对土壤含水量变化的响应最迅速和最敏感。      

喀斯特生态系统服务研究进展与展望

喀斯特生态系统是全球典型的脆弱生态系统之一,它为人类提供了重要的服务功能和价值。回顾国内外喀斯特生态系统服务研究的文献可发现,当前研究多遵循“土地利用变化—生态系统服务价值响应”的研究范式,仅重视中小尺度喀斯特生态系统服务价值的空间异质性,强调土地利用变化和生态工程对生态系统服务价值的影响。而今后应加强基于“生态系统结构、过程—功能—服务”级联框架的喀斯特生态系统服务研究,构建喀斯特生态系统服务分类体系,突出大尺度喀斯特生态系统服务评估,拓展喀斯特生态系统服务之间权衡与协同及喀斯特生态系统服务对人类福祉的影响,定量分析自然和人为因素对喀斯特生态系统服务的影响。      

丛枝菌根影响土壤-植物系统中重金属迁移转化和累积过程的机制及其生态应用

丛枝菌根真菌(AMF)是在自然和农业生态系统中广泛存在的一类专性共生土壤微生物,能够与80%左右的陆地植物建立共生关系。AMF从宿主植物获取碳水化合物以维系自身生长;作为回报,AMF能够帮助植物从土壤中吸收矿质养分和水分。很多研究表明,AM共生体系对于植物适应各种逆境胁迫(如贫瘠、干旱、环境污染等)具有重要作用。在土壤重金属污染情况下,AMF能够通过多种途径影响植物对重金属的吸收、累积和解毒过程,并对植物产生保护效应。本文围绕AM对土壤-植物系统中重金属迁移、转化和累积过程的影响机制,系统评述了金属元素种类及污染程度、宿主植物和AMF种类,以及土壤理化性质等因素对AM植物吸收累积重金属的影响,并从AMF对土壤-植物系统中重金属行为的直接作用(包括菌丝吸收和固持,以及改变根际重金属形态等),及AMF改善植物矿质营养促进植物生长从而间接增强植物重金属耐性两方面讨论了AM增强植物重金属耐性的机理,系统总结了相关研究领域的前沿动态。最后,对菌根技术在农田和矿区重金属污染土壤生物修复中的应用前景进行了展望。     

黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究

通过对黑河源区降水、 黑河下游河岸林生态系统、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统土壤水和浅层地下水稳定氢氧同位素组成(δD、 δ¹⁸O)的测定, 对黑河下游典型生态系统土壤水和浅层地下水的补给源进行了研究. 同时通过对比分析河岸林生态系统胡杨和柽柳、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统红砂等优势植物根系水及其对应的土壤水及浅层地下水的δ¹⁸O, 对黑河下游典型荒漠植物水分来源进行了研究, 并对不同潜在水源对植物水分来源的贡献率进行了计算. 结果表明: 河岸林生态系统和人工梭梭林生态系统的土壤水和浅层地下水来自黑河源区的降水, 源区降水通过黑河河道输水补给河岸林进而形成土壤水和浅层地下水, 但人工梭梭林的土壤水蒸发作用强烈. 戈壁红砂生态系统由于远离黑河, 土壤水不受黑河源区中上游输水的补给. 就植物水分来源而言, 在河岸林生态系统中, 乔木胡杨主要利用40~60 cm的土壤水和地下水, 灌木柽柳主要利用40~80 cm的土壤水; 人工梭梭主要利用200 cm至饱和层土壤水和地下水; 戈壁红砂主要利用175~200 cm的土壤水. 因此, 在黑河下游极端干旱区, 土壤水和地下水是维持荒漠植物生存、 生长及发育的主要来源.     

关键带土壤演化及其控制机制研究北大核心CSCD

地球关键带(简称关键带,Critical Zone)对维系地球生态系统功能和人类生存起着决定性作用。日益严重的水土流失和喀斯特石漠化等生态环境问题主要与人类活动引起的关键带土壤物质迁移和能量交换平衡破坏有关。当前关键带土壤演化研究主要集中在关键带土壤形成机制、成土速率及其控制因素、土壤地表和地下侵蚀速率及其控制因素,以及土壤演化的控制机制等方面。然而,针对不同地质、气候和人类活动区域的关键带土壤演化及其模型预测方面的对比研究还比较少。喀斯特地区是我国生态较为脆弱的地区之一,未来还需要重点针对喀斯特和非喀斯特关键带开展土壤演化及其模型预测的对比研究,为关键带形成、演化与维持机制研究提供理论基础,并为水土流失防治和生态恢复提供决策参考。     

关键带土壤演化及其控制机制研究

地球关键带(简称关键带,Critical Zone)对维系地球生态系统功能和人类生存起着决定性作用。日益严重的水土流失和喀斯特石漠化等生态环境问题主要与人类活动引起的关键带土壤物质迁移和能量交换平衡破坏有关。当前关键带土壤演化研究主要集中在关键带土壤形成机制、成土速率及其控制因素、土壤地表和地下侵蚀速率及其控制因素,以及土壤演化的控制机制等方面。然而,针对不同地质、气候和人类活动区域的关键带土壤演化及其模型预测方面的对比研究还比较少。喀斯特地区是我国生态较为脆弱的地区之一,未来还需要重点针对喀斯特和非喀斯特关键带开展土壤演化及其模型预测的对比研究,为关键带形成、演化与维持机制研究提供理论基础,并为水土流失防治和生态恢复提供决策参考。     

断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理的研究途径

针对2016年度国家重点研发计划项目"喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范"之课题一"断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理",旨在揭示喀斯特断陷盆地碳、氮、钙、水在生态系统中的迁移规律,阐明生态系统演替和石漠化演变过程及驱动机制。为此,选择蒙自盆地南洞地下河流域和泸西小江喀斯特盆地流域石漠化治理示范区,在对岩性、地形、地貌、生态水文、植被、社会经济、气象、土壤等因子分异特征研究的基础上,利用径流小区定位观测、同位素技术、生态化学计量学和模型模拟预测等技术手段,定量刻画典型流域植被与水文过程的交互作用,确立流域生态需水关键期及需水量,明确植被生态水文耦合过程对碳、氮、钙、水等物质传输的影响,评价生态系统碳固持能力,获取影响生态系统演替和石漠化演变过程的关键控制因素,预测生态系统演替和石漠化演变趋势,进而为喀斯特断陷盆地石漠化区面向生态的水资源合理配置和生态功能恢复提供理论依据。     

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。     

喀斯特系统生物地球化学循环及对全球变化的响应

生物地球化学循环是地球系统物质循环的核心,是维系地表生态系统稳定和人类社会可持续发展的重要基础。然而,气候变化以及人类的过度干扰可能会显著改变表层地球系统中的生物地球化学循环过程,尤其是脆弱的喀斯特生态系统。特殊的多孔隙关键带结构也加速了喀斯特地区物质循环及其对外界环境变化的响应,影响了不同尺度的物质循环和生物地球化学过程。本研究主要综述了宏观尺度（气候变化）、中尺度（人类活动）和微观尺度（微生物活动）的环境变化对喀斯特地区生物地球化学循环的影响。结果表明多要素变化导致喀斯特地区物质循环受到强烈影响,气候变化、人类活动和微生物活动及其耦合关系对喀斯特地区生物地球化学循环的调控作用具有重要意义。最后,本研究强调了现有研究的局限性并指出未来研究的挑战与方向,即未来应从系统研究（如地球关键带）的视角出发,将多尺度观测－分析与综合模型集成研究并举,从而构建多源多尺度耦合的过程和系统模型,进而为阐明喀斯特系统的演变规律和动力学机制、实现喀斯特地区的生态保护和高质量发展提供理论基础。      

不同土地利用型态下潜在蒸散发量比较——以二次林生态系统与茶园生态系统为例

于栖兰山庄二次林与宜兰县大同乡之玉兰茶园内,以蒸发皿法量测与估算此二试验区之日潜在蒸散发量,了解在不同土地利用型态下,其日潜在蒸散发量的表现差异情况。研究结果发现,茶园生态系统之日潜在蒸散发量明显高于二次林生态系统之日潜在蒸散发量。究其原因为,茶园生态系统的经营型态属开放式经营型态,故整体茶园生态系统均匀曝晒于阳光下,因此接收足量之太阳辐射能,导致其日潜在蒸散发量较高。而栖兰山庄二次林生态系之表现情形则不尽相同,由于二次林生态系统内,其高、矮茎植物丛生,此差异性结构将产生互相遮阴现象,使得土壤之蒸发量与矮茎植物之蒸散量减少。此外,二次林生态系统的组成中亦多含深根性植物,其水土保持特性相对于茶园生态系统也有较佳的表现。研究中亦发现,在冬季时期,若将二次林生态系统开辟为茶园生态系统时,二次林生态系统每公顷土地之水分逸失量将增加100~150 t。     

喀斯特石漠化地区土壤地下漏失的机理研究——以贵州普定县陈旗小流域为例

土壤的地下漏失是喀斯特石漠化地区一种特殊的水土流失方式。本文以喀斯特石漠化严重地区——贵州普定县陈旗小流域为例,阐明了土壤地下漏失的过程及其机理。研究结果表明喀斯特地区特殊的地质环境为土壤的地下漏失创造了有利的空间条件;地表降水的大量渗漏为土壤的地下漏失提供了侵蚀的水动力条件;风干的土壤团聚体遇水易崩解,离散出的细粒物质可沿土间孔隙和岩溶裂隙向地下空间迁移;岩溶洞隙内填积的粘土在流水的浸润软化下呈可塑、软塑甚至流塑状,可向其下的溶洞、地下河蠕滑搬运,最终导致地表土壤漏失。      

喀斯特地区城市河流碳、氮同位素特征与人为活动的影响——以贵州省遵义湘江为例

河流是多个生态系统间物质输送的重要纽带,其输送的物质对于环境生态有重大影响.河流物质的地球化学组成反映了流域的水文、降水、岩石、土壤、植被及物理、化学风化和流域的环境变化,通过对河水的地球化学组成研究可以获得有关流域盆地化学风化、生态环境变化和人为活动输入等重要信息[1].