碳同位素在草地生态系统碳循环中的应用与展望

草地生态系统在全球碳循环研究中占有重要地位,目前,碳同位素技术已经被广泛地应用于草地生态系统碳循环研究中。本文阐述了碳同位素在草地土壤有机碳的来源、光合作用产物碳在草地生态系统中的分配、草地土壤有机质的周转及草地土壤呼吸研究方面的应用,重点论述了碳同位素在土壤呼吸方面的应用。应用碳同位素对土壤呼吸进行区分的方法主要包括13C自然丰度法、脉冲标记法、同位素稀释法、模拟根际沉积物法、14CO2动态模型法、根系分泌物洗涤法等。碳同位素技术对草地土壤和根干扰很小,方法相对成熟,为深入研究草地生态系统碳循环提供了巨大潜力。在我国,应用碳同位素方法研究草地生态系统碳循环在土壤有机碳的来源、分配及周转和土壤呼吸区分等方面有进一步研究的必要,也有进一步研究的发展空间。     

内蒙古羊草草原呼吸的影响因素分析和区分

利用静态暗箱-气相色谱法在植物生长旺季测算了内蒙古锡林河流域羊草草原的土壤微生物呼吸、土壤呼吸和生态系统呼吸。地温和水分是植物生长旺季呼吸最重要的影响因素。地温在水分条件适宜的情况下可以解释CO₂通量的部分变化(R² = 0.376~0.655)。土壤水分含量也可以解释土壤呼吸和生态系统呼吸的部分变化(R² = 0.314~0.583),但基本不能解释土壤微生物呼吸的变化(R² = 0.063)。即使在较高温度下,较低的土壤水分含量(≤ 5%) 也会显著的抑制CO₂排放。长期干旱后降雨使CO₂通量在高温下迅速增大。基于5 cm地温和0~10 cm土壤水分含量的双变量模型可以解释CO₂通量约70%的变化。观测期间,土壤呼吸占生态系统呼吸的比例介于47.3%~72.4%之间,平均为59.4%;根呼吸占土壤呼吸的比例介于11.7%~51.7%之间,平均为20.5%。由于植物体去除引起的土壤水分含量上升可能使我们对土壤呼吸占生态系统呼吸比例的估计略微偏高,根呼吸占土壤呼吸的比例略微偏低。     

川中丘陵区人工桤柏混交林根呼吸对土壤总呼吸的贡献

采用挖壕沟法和根系生物量外推法对桤柏混交林地根呼吸在土壤总呼吸的贡献进行了为期1 a的对比研究。研究表明,两种方法测得的根呼吸平均速率分别为0.64μmol CO2/（m^2.s）和0.54μmol CO2/（m^2.s）,挖壕沟法高于根系生物量外推法的测定结果。两种方法计算的根呼吸占土壤呼吸的比例具有明显的季节变化,均表现为夏季（5～6月）较高而冬季（1～2月）较低,变化范围分别为13%～51%、11%～56%,平均分别为34%和31%;林木生长季节根呼吸比例均高于非生长季,两种方法测定的林木生长季根呼吸比例分别为41%和38%。方差分析表明两种方法测定根呼吸比例之间差异不显著（p〉0.05）。     

章古台固沙林主要树种根际土壤性质研究

研究了章古台固沙林樟子松、油松、赤松和杨树4个树种的根际土壤, 结果表明: 不同树种根际土壤pH值低于非根际土壤, 有机质含量均高于非根际土壤; 除杨树外, 根际土壤CEC(阳离子代换量)均低于非根际土壤; 而交换性酸度、水解性酸度和全盐量均高于非根际土壤, 盐基饱和度均低于非根际土壤; 根际土壤中全N、碱解N、速效K表现为富集, 速效P表现为亏缺, 其中樟子松亏缺最为严重; 不同树种根际土壤微生物数量和酶活性均高于非根际土壤。     

草地生态系统土壤呼吸研究进展

土壤呼吸是草地生态系统碳循环过程中的关键环节,也是草地生态系统中碳素向大气输出的主要途径。土壤中碳素的释放能够显著增加大气中CO₂的浓度,增强温室效应,从而对全球气候和环境变化产生重要影响。文章综合介绍了国内外有关土壤呼吸的各种测定方法,特别是分析了影响草地土壤呼吸的主要环境因素,并就草地土壤呼吸与根系呼吸的区分方法等进行了详细的讨论。     

高频观测的土壤异养呼吸昼夜变化

正森林土壤是陆地生态系统土壤中最大的碳库,约占全球土壤碳库的3/4,在全球C循环中起至关重要作用[1]。土壤异养呼吸(Heterotrophic respiration,Rh)是森林生态系统土壤碳库损失的主要途径。土壤异养呼吸是指土壤在微生物参与下的矿化过程,主要包括根际微生物呼吸、矿质土壤呼吸(无根土壤)和枯枝落叶层呼吸,由于土壤动物呼吸量不大,因此森林生态系统的异养呼吸主要表现为矿质土壤呼吸[2-4]。土壤异养呼吸具有高度的空间变异性,在全球范围内,异养呼吸所占总呼吸的比例为7%~83%,其中在热带和温带(30%~83%)森林生态系统中所占比例高于寒带地区(7%~     

3种耐盐植物的根际微环境比较

研究了兰州市永登县秦王川灌区中型狼尾草（Pennisetum longissimum var. intermedium）、新疆大叶苜蓿（Medicago sativa）和皮燕麦（Avena sativa）对盐渍土的适应特点及其改盐效应。通过对3种植物不同生育期（播后90 d、120 d、150 d）根际土壤pH值、导电率（EC）、盐分离子及有机质含量的测定,探讨盐渍化土壤影响下耐盐植物根际微环境的变化。结果显示：在盐渍化逆境下,3种植物对于根际土壤微环境均有一定调节作用,生育期内土壤pH值、EC值、Na⁺、SO₄^2-、Cl^-和Ca²⁺含量逐渐降低,土壤有机质含量逐渐增加。新疆大叶苜蓿根际土壤pH值变化较为突出,其次是中型狼尾草和皮燕麦,播后150 d较播前降幅分别为2.18%、2.06%、1.21%;中型狼尾草根际土壤EC值降幅最大,其次为新疆大叶苜蓿和皮燕麦,播后150 d较播前降幅分别为42.69%、33.29%、28.33%;在3个取样期,中型狼尾草根际土壤Na⁺、SO₄^2-、Cl^-含量变化幅度最大,新疆大叶苜蓿对Ca²⁺的吸收能力强于中型狼尾草和皮燕麦;中型狼尾草在生长期内根际土壤有机质含量持续增加,新疆大叶苜蓿在生长前期有机质增量较显著,生长中后期增量减缓,根际微环境变化趋于稳定。综合而言,中型狼尾草对盐渍土的适应及改良效应较突出,其次是新疆大叶苜蓿,再次是皮燕麦。     

利用稳定性同位素区分河岸C4草地生态系统夜晚碳通量

河岸生态系统在全球碳循环过程中起着重要作用。涡度相关技术虽然能够被用来测量整个生态系统的净碳通量,但是,把净碳通量区分为组分通量的贡献将显著提高人们对生态系统碳循环的理解。稳定性同位素技术能够把净碳通量区分为具有不同同位素特征的组分通量。实验结果表明,因为考虑了同位素及CO2在取样和分析过程中的不确定性,与传统的Ordinary Least Square法相比,Bayesian法所获得的生态系统夜间呼吸释放CO2的同位素值（δ^13CR）显著减小了标准误差。δ^13CR具有明显的季节变化,并且受土壤含水量和大气水汽压亏缺（VPD）的影响。δ^13CR与土壤含水量之间存在着正相关关系,而与VPD之间存在着负相关关系。2006年和2007年生长季,以及2005年旱季,土壤呼吸对夜晚河岸C4草地生态系统呼吸的贡献约为80％。2005年雨季,土壤呼吸只占河岸C4草地生态系统呼吸的40％左右。年际间土壤呼吸的贡献率的变化很有可能是2006年的水淹造成的。因为,通过沉降作用,水淹可以为C4草地生态系统提供额外的可供微生物分解的有机质。     

森林地下碳分配(TBCA)研究进展

森林地下碳分配(TBCA)是森林碳循环的重要通量,对森林碳吸存有十分重要作用.TBCA是森林生态系统GPP中一个最大的汇,可占GPP的21%～61%,土壤呼吸的2/3来自TBCA.目前国际上常用的TBCA测定方法为碳平衡法,在假定地下碳库处于稳定状态时,TBCA可由土壤呼吸减去凋落物量获得,但该方法存在一系列问题.影响森林TBCA的因素有生产力、森林类型、树龄和森林演替阶段、土壤养分和水分有效性、林分密度和树种组成、气候变化因素等.TBCA中各个组成部分均较难以测定和量化,通常假定TBCA中根系呼吸与根系生产力各约占50%,而TBCA中菌根菌和根系分泌物的贡献则仍不清楚.有关TBCA各组分去向及影响机理的研究亦很少.TBCA未来的研究应致力于揭示TBCA的根本驱动因子和其对全球变化的响应机理,以及TBCA转化为土壤新碳的效率及控制因素;同时应提高TBCA测定方法的确定性,特别是应将碳同位素法、微根管法及碳平衡法三者相结合.     

塔里木沙漠公路防护林土壤环境因子的根际效应

选取塔里木沙漠公路防护林不同定植年限下3种灌木的根际和非根际土,比较研究了土壤物理、化学、生物因子的根际效应。结果表明：（1）除全氮和全磷外,20种土壤因子在3灌木根际土间差异极显著;（2）根际土的容重、全盐含量、有机质含量、全氮含量、速效氮磷钾含量、微生物代谢活性、脂肪酸含量和DNA片段多样性、微生物生物量碳氮磷和6种酶活性在不同年限林地间的差异极显著;（3）全氮含量、速效氮磷钾含量、微生物代谢活性、DNA片段多样性、微生物量碳和磷、纤维素酶和磷酸酶活性在不同树种与年限的交互效应上差异极显著;（4）微生物生物量碳氮磷的根际效应大小为柽柳 > 沙拐枣 > 梭梭,而不同树种各土壤养分因子和酶活性的根际效应大小并不一致。可见,几种荒漠灌木的定植促进了土壤养分转化,加速了沙漠防护林土壤的发育进程。     

Influencing factors and partitioning of respiration in a Leymus chinensis steppe in Xilin River Basin, Inner Mongolia, China

Based on the static opaque chamber method, the respiration rates of soil microbial respiration, soil respiration, and ecosystem respiration were measured through continuous in-situ experiments during rapid growth season in semiarid Leymus chinensis steppe in the Xilin River Basin of Inner Mongolia, China. Soil temperature and moisture were the main factor affecting respiration rates. Soil temperature can explain most CO2 efflux variations (R2=0.376–0.655) excluding data of low soil water conditions. Soil moisture can also effectively explain most of the variations of soil and ecosystem respiration (R2=0.314–0.583), but it can not explain much of the variation of microbial respiration (R2=0.063). Low soil water content (≤5%) inhibited CO2 efflux though the soil temperature was high. Rewetting the soil after a long drought resulted in substantial increases in CO2 flux at high temperature. Bivariable models based on soil temperature at 5 cm depth and soil moisture at 0–10 cm depth can explain about 70% of the variations of CO2 effluxes. The contribution of soil respiration to ecosystem respiration averaged 59.4%, ranging from 47.3% to 72.4%; the contribution of root respiration to soil respiration averaged 20.5%, ranging from 11.7% to 51.7%. The contribution of soil to ecosystem respiration was a little overestimated and root to soil respiration little underestimated because of the increased soil water content that occurred as a result of plant removal.     

土壤呼吸与测定方法研究进展

 土壤呼吸是当前碳循环研究领域中的一个引人关注的热点问题,也是陆地生态系统向大气释放CO2最大的源,具有多方面的生态意义。综合评述了国内外有关土壤呼吸研究成果与测定方法,阐述了影响土壤呼吸的主要因素分别有温度、湿度、植被类型、土壤理化性质和人类活动等,概括了土壤呼吸及其各分量的不同测定方法及特点,并讨论了土壤呼吸今后的努力方向。     

影响草地土壤呼吸的主要自然因子研究现状

草地生态系统作为陆地生态系统的主体生态类型之一,脆弱的生态环境与频繁的人类活动使之较其他生态系统对全球气候与环境变化的响应更为迅速。草地土壤通过土壤呼吸作用向大气释放CO2是草地生态系统碳循环中最主要的一个环节,土壤呼吸量直接决定了土壤中碳素周转的速度。综合介绍了国内外草地土壤呼吸的研究现状,特别分析了一些自然因素对草地土壤呼吸的影响,对未来测定土壤呼吸的方法提出建议。     

中国区域陆地生态系统土壤呼吸碳排放及其空间格局——基于通量观测的地学统计评估

土壤呼吸是陆地生态系统通过根系呼吸和微生物呼吸向大气中释放CO2的过程。研究土壤呼吸的时空格局,将有助于构建区域尺度土壤呼吸定量评价模型,也可提高预测未来气候变化情境下的典型生态系统、区域以及全球尺度碳平衡状况的能力。本文整合了中国区域土壤呼吸的主要研究成果,分析了温度敏感性（Q10）和土壤呼吸（Rs）的统计特征和区域差异,定量评价了中国区域Rs的时空格局及其在中国和全球碳平衡中的作用。通过以上分析本文得出以下主要结论：①不同生态系统类型的土壤呼吸的Q10表现为森林〉农田〉草地,气候越寒冷,土壤呼吸Q10越大,并且中国区域的Q10值相对于其他国家偏低;②Rs具有明显的季节变异,不同生态系统类型的Rs表现为森林〉农田〉草地,并且,中国区域Rs低于全球Rs;③月尺度上Rs随着经纬度发生明显的季节变异,随着经度的增加,Rs的季节变幅也逐渐增加;④1995-2004年中国区域Rs的年总量的平均值为3.84 PgC,占全球土壤CO2排放的比例4.78%。     

陆地生态系统土壤呼吸、氮矿化对气候变暖的响应

土壤呼吸和氮矿化对气候变暖的响应是影响陆地生态系统碳收支的主要因素之一,也是当前全球变化研究的主要内容之一。短期内温度升高能明显提高土壤呼吸速率,随着温度的进一步升高和升温时间的延长,土壤呼吸速率对温度升高的敏感性可能逐渐降低。由于土壤呼吸的温度敏感性与土壤水分含量、气候、植被、凋落物等多种因素有关,并随时间和空间的变化而变化,因此,用一个固定的Q10（土壤呼吸的温度敏感系数）来计算土壤呼吸对温度升高响应的量,会给研究结果带来很大的不确定性。生态系统对气候变暖的响应除了直接的反应外,还具有复杂的适应性。尽管模拟研究表明未来气候变暖将使土壤呼吸增加,但是有关土壤呼吸对气候变化适应性的试验数据比较少,对未来气候变化背景下土壤呼吸的模拟仍有很大的不确定性。气候变暖将促进土壤氮素的矿化速率,其影响程度的强弱不仅与温度有关,而且与土壤基质的质量与数量、土壤水分、升温持续的时间等有关,这使目前有关研究结果出现了很大的不确定性。针对上述研究中存在的问题,今后应统一土壤呼吸的测定方法,区分土壤呼吸各组分对温度升高的响应,在研究土壤呼吸和氮矿化对温度升高的响应时结合考虑其它因素能在一定程度上减少研究结果的不确定性。     

科尔沁沙地土壤呼吸空间分布及其变化特征研究

利用LI-6400便携式光合作用测量系统和LI-6400-09土壤呼吸室,对不同地形和不同植被条件下土壤呼吸速率及其影响因子进行测定。结果表明：科尔沁沙地土壤呼吸速率日变化均表现出上午逐渐增大,下午逐渐减小、凌晨最小的趋势。沙地土壤呼吸变化具有明显的空间异质性,土壤呼吸由大到小变化依次为：背风坡（1.95±0.21 μmolCO2·m-2·s-1）>坡顶（1.05±0.14 μmolCO2·m-2·s-1）>迎风坡（0.74±0.08 μmolCO2·m-2·s-1）>丘间低地（0.62±0.09 μmolCO2·m-2·s-1）。沙地土壤呼吸与植物生长条件具有密切关系,狗尾草（0.86±0.11 μmolCO2·m-2·s-1）>小叶锦鸡儿（0.69±0.06 μmolCO2·m-2·s-1）。土壤呼吸日变化速率与空气温度呈正相关,与空气相对湿度呈负相关关系,并且与土壤温度呈指数相关。沙丘内部不同地形、植被的[WTBX]Q10[WTBZ]差异不大。     

草盛期不同类型高寒草甸CO2释放速率的比较研究

Potentilla fruticosa scrub, Kobresia humilis meadow and Kobresia tibetica meadow are widely distributed on the Qinghai-Tibet Plateau. During the grass exuberance period from 3 July to 4 September, based on close chamber-GC method, a study on CO2 emissions from different treatments was conducted in these meadows at Haibei research station, CAS. Results indicated that mean CO2 emission rates from various treatments were 672.09±152.37 mgm^-2h^-1 for FC (grass treatment); 425.41±191.99 mgm^-2h^-1 for FJ (grass exclusion treatment); 280.36±174.83 mgm^-2h^-1 for FL (grass and roots exclusion treatment); 838.95±237.02 mgm^-2h^-1 for GG (scrub+grass treatment); 528.48±205.67 mgm^-2h^-1 for GC (grass treatment); 268.97±99.72 mgm^-2h^-1 for GL (grass and roots exclusion treatment); and 659.20±94.83 mgm^-2h^-1 for LC (grass treatment), respectively (FC, FJ, FL, GG, GC, GL, LC were the Chinese abbreviation for various treatments). Furthermore, Kobresia humilis meadow, Potentilla fruticosa scrub meadow and Kobresia tibetica meadow differed greatly in average CO2 emission rate of soil-plant system, in the order of GG>FC>LC>GC. Moreover, in Kobresia hurnilis meadow,heterotrophic and autotrophic respiration accounted for 42% and 58% of the total respiration of soil-plant system respectively, whereas, in Potentilla fruticosa scrub meadow, heterotrophic and autotrophic respiration accounted for 32% and 68% of total system respiration from GG; 49% and 51% from GC. In addition, root respiration from Kobresia humilis meadow approximated 145 mgCO2m^-2h^-1,contributed 34% to soil respiration. During the experiment period, Kobresia humilis meadow and Potentilla fruticosa scrub meadow had a net carbon fixation of 111.11 gm^-2 and 243.89 gm^-2 respectively. Results also showed that soil temperature was the main factor which influenced CO2 emission from alpine meadow ecosystem, significant correlations were found between soil temperature at 5 cm depth and CO2 emission from GG, GC, FC and FJ treatments. In addition, soil moisture maybe the inhibitory factor of CO2 emission from Kobresia tibetica meadow, and more detailed analyses should be done in further research