植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

植硅体在形成过程中能够包裹植物有机碳,是已被证明的一种非常有潜力的大气CO₂封存方式,对于增加陆地生态系统碳汇和延缓温室气体效应带来的全球变暖具有重要意义,因此受到了学术界的广泛关注。简要回顾了植硅体碳的研究历史和现状,并着重从植硅体碳长期变化入手,探讨了植硅体碳与陆地生态系统碳汇存在的问题与挑战,以及近来有关植硅体碳存在被严重高估的论点。同时指出为了更加准确地估算植硅体碳汇,应充分考虑植硅体包裹碳能力的差异、植硅体碳来源、植硅体稳定性、土壤中植硅体碳含量衰减速率以及植硅体提取方法等在植硅体碳的长期变化中的作用,进一步提高植硅体碳在陆地碳汇研究中的地位与重要性。     

草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响:以北方农牧交错带草地为例

草地生态系统中,硅(Si)不仅在植物生长过程中扮演着重要的角色,而且通过形成植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)的方式参与陆地生态系统碳循环。近几十年来,由于人为干扰等因素导致的草地退化引起了广泛的关注。本研究中,我们选取了我国北方农牧交错带中30个不同退化程度的样地,分析了8种常见植物(共71个样品)地上部分Si含量和分布特征,并估算了植硅体碳产生通量。结果发现,随着草地退化的加剧,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部分Si含量呈下降趋势,而羊草(Leymus chinensis)表现为先上升后下降的倒"V"型。不同退化程度样地植物地上部分Si平均含量分别为12.25±1.02 g/kg(轻度)、10.56±1.15 g/kg(中度)和8.06±0.93 g/kg(重度),而植硅体碳产生通量显著下降,分别为0.320±0.038 kg/(ha·a)、0.190±0.021 kg/(ha·a)和0.068±0.006 kg/(ha·a)(P<0.05)。研究表明,草地退化对不同种类植物的Si含量和产生通量的影响不同,这可能是由于植物的功能类型不同造成的。草地退化可以导致种群结构的变化和地上净初级生产力(ANPP)的降低,从而影响草地植物地上部分Si的分布和植硅体的固碳能力。当退化严重时,初步估算北方农牧交错带内草地植物地上部分植硅体固碳速率将下降5倍以上。     

植硅体圈闭碳地球化学研究进展

植硅体是一种地球化学稳定性非常高的植源性非晶质二氧化硅颗粒物,在其形成过程中会圈闭一定量的有机碳。目前,植硅体圈闭碳(简称植硅体碳)被认为是一种稳定的碳汇机制,对调节全球气候变化具有重要意义,同时,植硅体碳同位素的研究对于古环境、古气候重建等研究领域具有重要的价值,因此,植硅体圈闭碳的地球化学研究受到许多学者的关注。基于国内外学者对植硅体、植硅体圈闭碳及其相关领域的研究成果,综述了植硅体的形成过程、化学元素组成、地球化学稳定性、植硅体碳汇以及植硅体碳同位素在古环境研究中的应用5个方面的研究进展,同时总结了当前植硅体及其圈闭碳在地球化学过程研究中所面临的主要问题,对于未来继续开展植硅体地球化学研究工作具有重要意义。     

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及^14C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及^14C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

植硅体形态测量学研究与应用概述

植硅体形态测量学是植硅体研究的重要方向之一,随着学科交叉研究的深入,植硅体形态测量学在植物分类与生态学、环境考古学、全球变化与生态响应等领域得到快速发展。综合已有研究成果表明,长鞍型植硅体形态测量学在日本、中国的竹亚科属一级竹类生态学具有独特的指示作用,而扇型和长鞍型形态测量学在中国西南西双版纳竹亚科木本竹子属一级分类中具有重要的参考价值;稻亚科扇型形态测量学可以有效区分籼稻与粳稻,且扇型鱼鳞状纹饰与颖壳双峰植硅体形态测量学结合可以准确判别亚洲栽培稻与普通野生稻;黍亚科树状表皮长细胞形态测量学被成功运用到区分中国西北黍和粟及其亲缘物种的关系,葫芦科南瓜属刻面球型植硅体形态测量学揭示了野生种、半驯化种和驯化种之间植硅体形态大小及其关系,证实南美洲低地地区早全新世出现的南瓜驯化历史;中国东北不同环境条件下的禾本科羊草、芦苇植硅体形态测量学研究反映了陆生植物对全球变化的生理生态响应,为研究陆地生态系统对全球变化的响应及古环境重建提供了重要参考。     

青藏高原陆地生态系统碳汇估算:进展、挑战与展望

陆地生态系统碳汇是实现碳中和的重要支撑。作为我国乃至亚洲的生态安全屏障,青藏高原具有良好的生态资源、固碳增汇潜力大。本文系统梳理了青藏高原陆地生态系统碳汇现状与未来潜力估算。主要结果如下：通过整合自下而上(清查法和生态系统模型)和自上而下(大气反演模型)不同方法的研究,当前碳汇大小为每年26.5～33.7 Tg C,占全国陆地生态系统碳汇的9.9%～19.6%;未来气候暖湿化以及生态恢复与管理措施加强情景下,到2060年碳汇有望实现倍增,达到每年53.0～63.7 Tg C。但高原碳汇估算仍存在很大不确定性,未来研究应聚焦在减少土壤碳汇不确定性、极端气候事件对碳汇功能影响、冻土碳库脆弱性、退化生态系统增汇潜力与途径、水体碳源汇功能和其他温室气体源汇功能等方面;通过补齐高原关键区域观测短板、研发自然与人文耦合的生物地球化学模型、构建模型-多源观测数据融合系统,以准确揭示青藏高原碳汇现状与未来趋势,为青藏高原碳中和贡献先行示范区和生态文明高地建设提供参考与支撑。     

中国陆地生态系统碳减排增汇优先区研究

科学确定陆地生态系统碳减排增汇优先区,优化全国陆地生态系统碳汇管理格局,将对有效发挥我国陆地生态系统的碳汇功能,减少向大气的碳排放,推进实现我国2020年碳减排目标具有重要实践价值。本研究分析了中国陆地生态系统碳源汇分布格局及其影响因素的空间差异,结合中国陆地生态系统碳库潜力及其变化的空间分异规律,建立了中国陆地生态系统碳减排增汇优先区的确定方法,得出了19个中国陆地生态系统碳减排增汇优先区,并提出了优先区管理的政策建议。     

闽江河口湿地典型植物群落及交错带植硅体碳分布特征研究

湿地既是"碳汇"也是"碳源",研究发现,碳可以被长久稳定地封存在植硅体内,不同植物的植硅体封存碳的能力有明显差异。选取闽江河口鳝鱼滩湿地芦苇群落、短叶茳芏群落、互花米草群落及交错带为研究对象,研究这3种植物植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)含量和储量的空间变化特征和影响因素,探讨PhytOC含量在纯群落和交错带的差异,为研究植物竞争和碳循环过程提供依据。结果表明:受水文条件、植物生长和空间扩展等影响,闽江河口湿地植物PhytOC含量整体表现为近岸区高于近海区,PhytOC储量表现为纯群落高于交错带。PhytOC含量依次表现为芦苇纯群落(4.14 mg/g) > 交错带芦苇(3.67 mg/g) > 与芦苇交错的短叶茳芏(3.08 mg/g) > 互花米草纯群落(2.70 mg/g) > 与互花米草交错的短叶茳芏(1.96 mg/g) > 交错带互花米草(1.86 mg/g) > 短叶茳芏纯群落(1.75 mg/g)。短叶茳芏与芦苇相互扩展中短叶茳芏植物整体及各器官PhytOC含量均升高,而与互花米草相互扩展时短叶茳芏除了根系、茎以外各器官PhytOC含量均下降。3种植物各器官在交错带中PhytOC储量分配比明显不同于纯群落,根系PhytOC储量的分配比上升,提高了根系竞争力。芦苇、短叶茳芏、互花米草通过植硅体封存的碳储量分别占植物碳储量的0.27%、0.15%和0.07%,但植物间的扩展过程影响了植物的PhytOC储量,其中短叶茳芏与互花米草形成的交错带中短叶茳芏下降幅度最高(56.29%),互花米草下降幅度最低(26.15%)。由此可见,植物的空间扩展对植物PhytOC含量、储量以及在不同器官的分配比都有一定的影响,短叶茳芏在与芦苇和互花米草竞争时分别采取不同的PhytOC分配机制。     

浙江余姚田螺山遗址土壤植硅体AMS~(14)C测年初步研究

植硅体(phytolith)是植物体细胞中非晶体二氧化硅脱水后的产物。非晶体二氧化硅的一个聚合基有活性,能够结合植物细胞中的有机碳。植物体死亡后,非晶体二氧化硅脱水,形成坚硬的硅质物,具有抗风化、抗腐蚀、耐酸的特点。植物原生的有机碳被封闭在植硅体内,与外界隔绝,被很好地保存了下来。利用植硅体进行~(14)C年代测定,可以得到植物体死亡的年龄。本研究采集浙江田螺山新石器时代遗址水稻田土壤样本,提取其中的植硅体,通过元素分析、红外光谱进行鉴定,并利用加速器质谱对植硅体样品进行~(14)C年代测定,以期得到水稻田的使用年代;对同层位炭化植物种子也利用加速器质谱进行了~(14)C年代测定。对比结果显示,植硅体年代数据与炭化植物种子的年代在3σ误差范围内一致,植硅体年代数据的中值比炭化植物种子的年代数据中值略有偏老。可以认为植硅体的年代基本上代表了水稻田被使用的年代,植硅体测年可以作为植物年代测定的有效手段。同时,本文尝试针对本研究植硅体年代数据偏老的部分原因做了一点讨论。     

EFFECTS OF LAND USE CHANGES ON THE CARBON STORAGE OF TERRESTRIAL ECOSYSTEM——A CASE STUDY OF HULUN LAKE AND TAIHU LAKE BASINS

土地利用和覆被变化对陆地生态系统碳循环有着显著的影响,研究土地利用变化对陆地生态系统碳储量的影响,有利于揭示人类活动和气候变化对陆地生态系统碳循环的驱动机制,同时为制定合理的区域碳排放政策提供参考.本研究采用1980年、1995年、2000年和2005年4期遥感影像解译的土地利用数据,借助IPCC第四次报告推荐的计算方法和对应参数,选择我国东部亚热带和温带的两个典型大湖——太湖流域和呼伦湖流域1980～2005年碳收支情况进行估算,结果表明:1)1980～2005年太湖流域的土地利用结构变化主要表现为农田的逐年减少和聚居地的持续增长,而呼伦湖流域则主要表现为由于林地向草地的转化和草地向其他土地的转化所导致的林地面积的减少和其他土地面积的增加.2)在碳源/汇方面,太湖流域和呼伦湖流域均表现为碳汇,对于太湖流域来说,林地和农田是主要的碳汇,聚居地是碳支出的主要贡献者,2000年以来呼伦湖流域固碳能力出现比较明显的下降,林地和草地的变化是导致碳储量变化的主导因素.3)通过两个流域碳储量变化情况的比较,发现人类活动对陆地生态系统碳储量的影响较为显著;此外,植被类型差异以及成林时间也是影响固碳能力的主要原因.     

碳汇效应及其影响因素研究进展

碳中和现已成为全球共识。为实现碳中和目标,除了发展新能源降低碳排放外,提升固碳增汇能力是其重要途径。碳汇可分为海洋碳汇和陆地碳汇两大类。海洋碳汇包括沿海生态碳汇、海水生态碳汇和人工海洋碳汇。其中,沿海生态碳汇主要由海岸植被固碳效应和沿海沉积物负载形成,海水生态碳汇主要由海洋碳泵效应形成,这两种碳汇与季风洋流条件、陆源有机物输入、海岸地理条件和人为活动直接相关,人工海洋碳汇的可行性需要综合考虑对海洋生态的影响。陆地碳汇包括陆地植被碳汇、自然地质碳汇和人工地质碳汇。其中,陆地植被碳汇是通过森林植被、草地植被以及湿地植被等植物的光合作用实现,受气温与降水、大气成分、土地利用变化以及自然干扰等因素的影响。自然地质碳汇主要由土壤碳汇和岩石风化碳汇组成,土壤碳汇受区域植被条件、气候条件和土壤利用等因素影响,而碳酸盐岩和硅酸盐岩风化作用吸收大气CO₂的岩石风化碳汇主要受气温、降水、岩石类型、水文条件以及人类活动的影响。人工地质碳汇是将捕集后的CO₂注入地下指定区域进行长期封存形成,其封存能力受地质构造、储盖条件、地热、地层水动力、油气潜力和盆地勘探开发程度...     

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。     

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程关系的研究进展

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程紧密相关。首先就机械和化学风化两种不同的陆地侵蚀机制在提供河流碳源方面所发挥的不同作用作了详细论述,并比较了季风流域和非季风流域间河流碳输移在通量及性质上的差异。之后对陆地碳沉积机制进行了归纳,指出了包括大坝截留,河漫滩、河口-近岸带沉积及陆地碳沉降等几种可能的陆源碳踪迹。陆地环境的截留效应相对于侵蚀尚不太清楚,今后应加强对陆地碳沉积的研究,进一步明确各种碳沉积的作用机制及其对全球陆地碳汇的贡献量。此外,人类活动对陆地侵蚀-沉积过程及河流碳循环所产生的直接或间接的影响也有待于今后继续深入探索。     

不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的对比分析

由于未来全球变暖的情况仍可能持续,了解陆地生态系统对温度升高的响应对研究全球变化具有重要的参考价值.本文利用开顶式气室(Open Top Chamber,简称OTC)和红外线辐射器(Infrared Radiator,简称IR)对位于松嫩草原西南部吉林省长岭县腰井子村种马场境内的芦苇(Phragmites communis)群落进行模拟温度升高处理,研究增温对芦苇植硅体数量的影响.OTC增温方式设置两种不同的规格,分别用OTC-Ⅰ和OTC-Ⅱ表示,即本文利用OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ和IR这3种不同的增温方式来模拟温度升高,每种增温方式均设置了3个不同温度梯度的增温处理和1个对照处理,以期更详细的研究芦苇中植硅体数量与温度因子之间的动态关系.实验发现,3种不同增温方式对芦苇鞍型植硅体和芦苇硅化气孔的影响一致,即增温后芦苇鞍型植硅体的数量增加、芦苇硅化气孔的数量有所减少;在3种不同增温方式的影响下,芦苇尖型植硅体对增温的响应存在差异,在OTC(OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ)增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量减少,但在IR增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量增加.通过对比不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的异同,有利于得出比较全面和令人信服的结论,同时为今后广大学者根据实际情况选择适宜的增温装置提供参考.     

兰州—白银地区1987年与2014年表层土壤有机碳储量和碳密度变化趋势及影响因素探讨

土壤碳库研究及碳汇问题是近年来土壤碳循环与全球变化研究的热点领域,土壤是陆地生态系统的核心,研究土壤有机碳储量和碳密度的影响因素对正确评价本区碳循环有重要意义,本文利用土壤类型、土地利用类型、地貌类型、生态系统等影响因素对研究区表层土壤有机碳密度和碳储量进行了评价,分析了兰州—白银地区1987年和2014年土壤有机碳储量、碳密度的变化,其中2014年土壤有机碳储量增加了3.58×106 t,说明这些年土壤固碳效果明显,土地利用方式更合理。认为研究区有机碳碳密度、碳储量在空间上的分布极不均匀,与成土母质、土壤自身理化特性、土地利用方式及自然景观条件、人类活动等因素密切相关,是多因素综合影响的结果。     

特约主编致读者

近年来,全球变化与碳循环问题越来越得到各国政府、科学界和公众的关注。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其碳储量占整个陆地生态系统的3／4,约是大气碳库的2倍。土壤碳库的微小变化能引起大气CO2等温室气体浓度的明显改变。研究土壤碳库转化机理,从而抑制土壤碳源,增加土壤碳汇,是应对全球变化的重要措施之一。此外,提高...     

陆地生态系统碳汇在实现“双碳”目标中的作用和建议

2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和(简称"双碳")是我国对国际社会的庄严承诺,已被纳入生态文明建设的总体布局。生态系统碳汇是实现"双碳"目标的重要手段,也是林业和草原实现高质量发展的必然要求。国际有关机构对全球森林、草地和湿地生态系统的碳储量和碳循环进行了评估。自1990年以来,附件一国家(指《联合国气候变化框架公约》附件一列出的经济合作发展组织中所有发达国家和经济转型国家)对本国的碳排放和碳汇进行估算,编制了年度温室气体清单;我国也编制了5次国家温室气体清单。这些工作对我国开展应对气候变化的研究提供了基础。提出了如下建议:在编制"双碳"路线图和时间表时,既要考虑我国生态系统碳汇与能源和工业领域碳排放在区域空间分布和时间维度上的差异性,也要考虑生态系统同时所具有的碳汇和碳排放的特殊性;生态系统碳汇是碳达峰的非选项,是碳中和的必选项;生态系统碳汇要遵循国家实现"双碳"目标的基本原则,要将生态系统碳汇作为国家生态建设和保护工程的主要目标,提高碳汇计量和监测能力,完善市场和融资机制。     

石漠化土地固碳潜力分析——以贵州为例

以中国南方石漠化最为严重的贵州省为主要研究对象,选取其中五个有典型代表性的石漠化综合治理小流域为研究区,以70个典型样地实地监测数据为基础,测算了目前贵州石漠化土地的碳储量并分别预测了短期(20年)和长期(50年)内的固碳潜力。数据表明:2006年全省石漠化土地总碳储量达12627～20418万t碳,其中潜在和轻度石漠化的碳储量最高,占总碳储量的80%以上,是石漠化生态系统中主要的碳库;通过石漠化综合治理,预计20年后会有22655万t二氧化碳得到固定,而50年后固碳量将翻一番,达到42708万t;贵州全省石漠化土地年均固碳量达8.55～11.34×106t,可消除全区42%的工业二氧化碳排放量,有助于贵州工业二氧化碳“零排放”目标的实现。尽管石漠化生态系统有巨大的固碳潜力,但在石漠化综合治理规划中对碳汇功能缺乏充分的重视,有必要在“十二五”石漠化综合治理规划中在更高的水平上重新考量石漠化的碳汇功能。      

全新世渭河流域植被演替对陆地生态系统碳储量的影响

陆地生态系统古碳储量演化历史既是理解过去区域碳循环过程的基础,也是预测未来陆地碳库变化趋势的重要参照。以往由于实测记录的缺乏和现代碳循环模型应用的局限,难于实现过去陆地碳库的准确重建。本研究通过地质时期86个点位的孢粉记录与古碳循环模型模拟的结合,在定量化重建全新世渭河流域古气候参数空间格局的基础上,模拟了自然植被时空演化过程及其陆地生态系统碳储量变化。结果表明,全新世早期到中期,流域森林面积覆盖度由34%增至63%,导致陆地生态系统碳储量从2.48 Pg C增至3.40 Pg C;全新世中期到晚期,流域森林面积覆盖度降至20%,陆地生态系统碳库储量随之减少了1.03 Pg C。空间上,流域碳密度变化主要受控于植被类型的分布,后者又与地貌条件密切相关。全新世中期全球增温情形下渭河流域森林植被大面积扩张和碳储量显著增加的结果,预示着未来全球变暖背景下该流域陆地生态系统具有较强的碳汇潜力。