中亚热带山区土地利用变化 对土壤有机碳储量和质量的影响

通过对中亚热带山区天然林、人工林(用材林和经济林)、次生林、果园和坡耕地等7 种典型土地利用方式的土壤有机碳储量及质量的研究, 结果表明: 中亚热带山区天然林转变 为其他土地利用类型后, 土壤有机碳储量下降了25.6%~51.2%, 而表层0~20 cm 土壤有机碳 储量下降了45.1%~74.8%, 比底层土壤有机碳对土地利用变化的响应更为敏感。土壤轻组有机碳储量(0~60 cm) 下降了52.2%~84.2%, 轻组有机碳占总有机碳比例从13.3%降到3.0% ~10.7%, 比土壤总有机碳对土地利用变化更为敏感。天然林转变为其他土地利用类型后土壤 有机碳损失巨大的原因主要与凋落物归还数量及质量, 水土流失和经营措施对土壤(特别是表层土壤) 的扰动引起土壤有机质加速分解等因素有关。坡耕地人为干扰最严重, 土壤有机 碳下降幅度最大。中亚热带山区土地利用变化引起土壤有机碳储量下降幅度高于全球平均水平, 主要与区域降水和地貌条件有关。因此, 保护山区脆弱生态环境, 加强天然林保护和植 被恢复, 合理营造人工林, 减少耕作, 对山区土壤碳吸存、减缓大气CO₂ 浓度升高和气候变化以及促进山区可持续开发的生态服务功能发展都具有重要意义。     

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。     

盐土和碱土土壤无机CO2通量的分离

干旱区盐碱土无机CO₂通量是一个崭新、独特的科学现象,打破了土壤CO₂通量完全来自于有机源的假设;然而,盐碱土无机CO₂通量在土壤CO₂通量和全球碳循环中的重要性还缺乏分离和量化的依据,因而存在很大的不确定性。通过采用高压灭菌的方法,将盐土和碱土的土壤无机CO₂通量从土壤CO₂通量中分离。结果表明：高压灭菌方法并不改变土壤的理化性质,并通过土壤有机CO₂通量与温度的关系验证了分离方法的有效性,从而为盐碱土无机CO₂通量的分离、量化和评估提供了一个可靠有效的方法。盐碱土的土壤无机CO₂通量是土壤CO₂通量的重要组分,土壤无机CO₂通量的分离对精确解析干旱区盐碱土生态系统的碳循环是必要的;对盐碱土土壤无机CO₂通量的研究,将促进对干旱区盐碱土土壤CO₂通量和全球碳循环的理解。     

土地利用变化对花岗岩红壤颗粒有机碳及其组分的影响

选取湘东丘陵区花岗岩红壤4种典型土地利用方式(天然林以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地),挖掘土壤剖面深至1 m,研究土壤颗粒有机碳(POC)及其组分(粗颗粒有机碳:CPOC和细颗粒有机碳:FPOC)的储量,分析POC及其组分与土壤有机碳(SOC)的关系。结果表明,4种土地利用方式土壤POC储量介于5.46~7.17 t·hm~(-2),以浅层表土最高。天然林改为其他土地利用方式后,POC储量仅仅在0~40 cm表土层显著降低。土壤CPOC和FPOC储量分别介于0.23~1.39 t·hm-2和0.24~1.57 t·hm~(-2)。天然林转变为其他利用方式后,CPOC储量未有显著变化,但天然林改为板栗园和坡耕地后,FPOC储量大幅降低(29%~38%)。表土FPOC敏感地反映SOC储量的变化,可用作土地利用过程中土壤C库缓慢变化的"指示器"。POC占SOC的比例(POC/SOC)介于6%~8%,天然林和杉木人工林POC/SOC在40 cm以下底土中迅速降低,但板栗园和坡耕地土壤剖面上的POC/SOC差别不大。天然林和杉木人工林土壤POC中以FPOC为主,而板栗园和坡耕地皆以CPOC为主。本研究表明,有必要区别看待POC及其组分对土地利用变化响应的敏感度。     

土壤非生物CO2通量对土壤温度的响应

干旱、半干旱区土壤CO₂通量是土壤-大气碳循环的关键过程。尽管近期研究发现,该过程中存在非生物CO₂通量部分,但对该通量及其对土壤温度的响应仍不清楚。为此,本研究于2012年5月至2013年4月,在毛乌素沙地西南缘长期定位观测灭活土壤的CO₂通量及土壤温度与降雨量。结果显示:土壤非生物CO₂通量在2012年5-10月及2013年3-4月基本表现为白天正值,而夜晚负值;其余月份中,其日尺度上变化不大。在观测期内,非生物CO₂通量与土壤温度变化率呈直线关系,但决定系数不高。另外,无降雨或小降雨发生时,日尺度上土壤非生物CO₂通量与土壤温度存在明显的时间滞后效应,而该效应会被较大的降雨严重干扰。研究结果表明,土壤非生物CO₂通量对土壤温度的响应会较易被其他因子(如降雨)干扰,通过土壤温度单因子对它预测,结果可能不够准确。     

环境污染与经济增长之间关联性的理论分析和计量检验

基于环境-经济的简单理论模型利用跨期消费选择问题最优化求解和稳态方法分析了环境污染与经济增长之间的长期关系和短期关系。这将为环境污染与经济增长之间长期和短期关系的经验研究提供理论依据和技术支持。基于EKC假设,我们对中国1960~2000年人均CO₂排放量与人均GDP之间的长期关系和短期关系进行实证研究,结果表明人均CO₂排放量与人均GDP之间存在长期协整关系,呈现倒U型的环境库兹涅茨曲线关系,而在短期上,人均GDP单向正向Granger影响人均CO₂排放量,反过来未发现人均CO₂排放量对人均GDP有明显的影响关系。     

基于EKC框架的旅游发展对区域碳排放的影响分析——基于1995-2015年中国省际面板数据

基于扩展的环境库兹涅茨曲线（EKC）,利用1995-2015年中国省际面板数据探讨旅游发展对区域碳排放的影响,同时分析了经济增长、贸易开放程度、失业率、受教育程度和城市化水平等因素对碳排放的影响作用。研究表明：① 传统经济增长与碳排放之间的倒“U”型EKC假说成立,受教育程度（-0.061）、失业率（-0.062）和贸易开放程度（-0.170）的提升有利于降低人均CO₂排放量,其中,贸易开放程度的减排作用最为明显;城市化水平（2.113）的提高会增加人均CO₂排放量。② 旅游发展对区域碳排放的影响显著,具体表现为：旅游接待人次与人均CO₂排放量拟合曲线呈正“U”型,而人均旅游消费与人均CO₂排放量则呈现典型的倒“U”型曲线良性发展状态。③ 旅游专业化水平的提高会使得EKC向下方移动,经济发展的环境压力得到减轻,且高旅游专业化区域旅游接待人次与人均CO₂排放量之间关系的转折点相对较高,而其人均旅游消费与人均CO₂排放量之间关系的转折点则相对较低。     

城市CO2排放结构与低碳水平测度——以京津沪渝为例

在科学设计城市CO₂排放、城市低碳水平数理模型基础上,结合BP神经网络法,综合考虑各种不确定因素的影响,通过1995~2008年京津沪渝4市CO₂排放结构和低碳水平测度以及BP神经网络模型预测,可以发现:4城市CO₂排放量逐年递增,但存在较大差异;城市CO₂排放量和发展态势取决于4城市CO₂排放结构及变化;低碳水平测度结果表明4城市的经济增长仍然依赖于碳基能源消耗,但产业结构的优化升级对提高低碳水平的作用是显著的;基于BP神经网络法的短期预测比传统预测法更为合理和精确。     

森林转换对不同土层土壤碳氮含量及储量的影响

森林转换是影响森林碳氮储量的重要因素。研究森林转换对土壤碳氮的影响,对明确生态系统碳氮循环动态具有重要意义。对由中亚热带常绿阔叶天然林转换而成的阔叶天然次生林(BL)与杉木人工林(CF)不同土层的有机碳(SOC)、氮(TN)含量以及储量进行研究,探讨森林转换对地下土壤碳氮储量的影响及其影响因素。结果表明:(1)相同土层,阔叶天然次生林的SOC含量、TN含量高于杉木人工林,分别在0～40 cm各土层与0～20 cm各土层之间均具有显著性,相同森林类型下SOC含量与TN含量垂直拟合关系均以幂函数拟合效果最好,R~2均达到0.9以上,可以为当地碳氮含量估算提供依据,土壤碳氮比(C/N)均随土层深度增加而下降。(2)森林转换后0～100 cm碳氮储量(SCM、SNM)阔叶天然次生林高于杉木人工林。土壤碳氮在2种林分的差异主要集中在0～10 cm,且阔叶天然次生林显著高于杉木人工林。(3)相关分析显示土壤SOC、 TN含量与土壤容重呈显著负相关,与C/N之间呈极显著正相关(P0.01)。研究表明:森林土壤碳氮储量主要集中在0～10 cm土层,天然林转换为杉木人工林后,土壤碳氮含量降低,不利于森林碳氮储量的积累,因此要加大对天然林的保护。     

喀斯特关键带水—土—气CO2分压垂直转化特征及影响因素

喀斯特关键带是碳循环在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的主要综合作用区域,各层相互作用形成不同的反应体系,其中,CO₂扮演了十分重要的作用。通过对双河洞洞穴上覆土壤及洞穴水及空气CO₂浓度的监测,采用数理统计分析方法,根据碳酸平衡系统理论对CO₂的垂直向转化特征进行系统分析。结果表明：CO₂的垂直向转化过程受洞穴内外部气温变化、滴水pH及脱气沉积过程的影响,其供给来源、离子饱和状况在雨季和旱季存在明显差异;雨季时,大气降水在土壤中下渗速度较快,构成一个相对稳定的封闭环境,土壤、表层喀斯特带对渗透水CO₂补充作用较弱,渗透水中CO₂分压（即PCO₂）变化范围在0.035~0.126 vol%,洞内水—气CO₂分压（△lg PCO₂ > 0）,洞穴水具有溶蚀性,此时表层喀斯特带下部中的CO₂应为洞穴水CO₂的主要来源;旱季时,由于降水量较小,渗透水有充分时间接受土壤与表层喀斯特带CO₂补充,构成开放系统,渗透水变化范围为0.038 vol%~0.095 vol%,更有利于发生先期沉积过程（PCP）,此时洞内空气PCO₂小于洞穴水（△lg PCO₂ < 0）,促使滴水在洞内再次发生沉积、形成沉积物,此时土壤和表层喀斯特带均为洞穴水CO₂的主要来源。     

The impact of land use/cover change on storage and quality of soil organic carbon in midsubtropical mountainous area of southern China

Land use/cover change (LUCC) is widely recognized as one of the most important driving forces of global carbon cycles. The influence of converting native forest into plantations, secondary forest, orchard and arable land on stores and quality of soil organic carbon (SOC) was investigated in mid-subtropical mountainous area of southern China. The results showed that LUCC had led to great decreases in SOC stocks and quality. Considerable SOC and light-fraction organic carbon (LFOC) had been stored in the native forest (142.2 t hm?2 and 14.8 t hm?2 respectively). When the native forest was converted to plantations, secondary forest, orchard and arable land, the SOC stocks decreased by 25.6%, 28.7%, 38.0%, 31.8% and 51.2%, respectively. The LFOC stocks decreased by 52.2% to 57.2% when the native forest was converted to woodland plantations and secondary forest, and by 82.1% to 84.2% when converted to economic plantation, orchard and arable land. After the conversion, the ratios of LFOC to SOC (0–60 cm) decreased from 13.3% to about 3.0% to 10.7%. The SOC and LFOC stored at the upper 20 cm were more sensitive to LUCC when compared to the subsurface soil layer. Also, the decline in carbon storage induced by LUCC was greater than the global average level, it could be explained by the vulnerable natural environment and special human management practices. Thus, it is wise to enhance soil carbon sequestration, mitigate elevated atmospheric co2 and develop ecological services by protecting vulnerable environment, restoring vegetation coverage, and afforesting in mountainous area in mid-subtropics.     

中亚热带山区土地利用变化对土壤有机碳储量和质量的影响

Land use/cover change (LUCC) is widely recognized as one of the most important driving forces of global carbon cycles. The influence of converting native forest into plantations, secondary forest, orchard and arable land on stores and quality of soil organic carbon (SOC) was investigated in mid-subtropical mountainous area of southern China. The results showed that LUCC had led to great decreases in SOC stocks and quality. Considerable SOC and light-fraction organic carbon (LFOC) had been stored in the native forest (142.2 t hm⁻² and 14.8 t hm⁻² respectively). When the native forest was converted to plantations, secondary forest, orchard and arable land, the SOC stocks decreased by 25.6%, 28.7%, 38.0%, 31.8% and 51.2%, respectively. The LFOC stocks decreased by 52.2% to 57.2% when the native forest was converted to woodland plantations and secondary forest, and by 82.1% to 84.2% when converted to economic plantation, orchard and arable land. After the conversion, the ratios of LFOC to SOC (0–60 cm) decreased from 13.3% to about 3.0% to 10.7%. The SOC and LFOC stored at the upper 20 cm were more sensitive to LUCC when compared to the subsurface soil layer. Also, the decline in carbon storage induced by LUCC was greater than the global average level, it could be explained by the vulnerable natural environment and special human management practices. Thus, it is wise to enhance soil carbon sequestration, mitigate elevated atmospheric CO₂ and develop ecological services by protecting vulnerable environment, restoring vegetation coverage, and afforesting in mountainous area in mid-subtropics. Foundation: Supported by the Key Project of Ministry of Education of China, No.JA04166 Author: Yang Yusheng (1964–), Professor, specialized in carbon and nitrogen cycles of forest.     

中亚热带山区土地利用变化对土壤性质的影响

土地利用变化是全球环境变化的重要组成部分,其可以直接影响到土壤性质的变化。本研究通过中亚热带山区天然林、人工林(用材林和经济林)、次生林、农业用地(橘园和坡耕地)等7种典型土地利用方式土壤性质的研究,结果表明:土地利用变化后土壤有机质和全氮含量下降幅度分别达到52.2%~81.8%和57.9%~172.6%;同时土壤容重增加,pH值升高。而土地利用变化对土壤全磷、全钾的影响的规律较为不明显。综合比较中国区域土地利用变化对土壤性质变化的影响,其中20~25°N纬度带土壤物理化学性质变化幅度最大。     

固沙植被区两类结皮斑块土壤呼吸对降雨脉冲的响应

与降水事件密切相关的土壤水分有效性是荒漠生态系统土壤呼吸的重要驱动因子。研究了固沙植被区以藓类和藻类为主的生物土壤结皮斑块土壤呼吸对模拟降雨(5、10、20 mm)的响应。结果表明:3种降雨量对不同结皮斑块土壤呼吸均有显著的激发作用, 但2种土壤的响应特征不同。藓类结皮斑块土壤呼吸速率在降雨后0.5 h达到最大值, 而藻类结皮斑块土壤在降雨后2 h达到最大值, 其呼吸速率分别是降雨前土壤呼吸速率的43~58、21~25倍,随后, 两类结皮斑块土壤呼吸速率逐渐下降并恢复到降雨前水平。随着降雨量的增加, 藓类结皮斑块土壤最大呼吸速率和平均呼吸速率显著增大, 而藻类结皮斑块土壤则无明显变化; 2种土壤碳释放量均随着降雨量的增大而增加。在相同降雨条件下, 藓类结皮斑块土壤呼吸速率峰值和平均值及碳释放量均显著大于藻类结皮斑块土壤。表明生物土壤结皮和降雨量均对荒漠生态系统土壤呼吸起着重要的调控作用。     

大兴安岭多年冻土区森林土壤温室气体通量

多年冻土温室气体排放对全球气候变化有重要影响。采用静态暗箱—气相色谱法,于2016—2017年生长季（5—9月）,对大兴安岭多年冻土区兴安落叶松林、樟子松林和白桦林土壤二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）通量进行野外原位观测,对比分析温室气体通量的动态变化特征及其关键影响因子。结果表明：3种林型土壤CO₂通量范围为65.88~883.59 mg·m^-2·h^-1;CH₄通量范围为-93.29~-2.82 μg·m^-2·h^-1;N₂O通量范围为-5.31~45.22 μg·m^-2·h^-1。整个生长季兴安落叶松林、樟子松林和白桦林土壤均表现为CO₂、N₂O的排放源、CH₄的吸收汇,土壤CO₂和CH₄通量在不同林型和年际间差异显著。3种林型土壤CO₂通量与5 cm、10 cm和15 cm土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01）;CH₄通量受土壤含水量和10 cm、15 cm土壤温度的影响较大（P < 0.05）;兴安落叶松林和樟子松林土壤N₂O通量与气温呈显著正相关（P < 0.05）,而白桦林土壤N₂O则与15 cm土壤温度呈显著负相关（P < 0.05）。基于100 a时间尺度计算温室气体全球综合增温潜势,3种林型土壤温室气体的排放对气候变暖具有正反馈作用。     

区域土地利用影响地表CO2浓度异质性特征的动力学机制

本文综合应用高斯方程和拉姆齐模型,针对京津冀地区2000年以来10 km×10 km栅格尺度的地表CO₂浓度开展研究,分析了区域土地利用影响地表CO₂浓度异质性特征的动力学机制。研究发现：① 地表CO₂浓度与土地利用类型密切相关。2000—2018年京津冀地区CO₂浓度的高值区主要集中于经济较发达的快速城镇化地区;② 土地利用强度及土地利用效率上的时空分异为地表CO₂扩散提供了潜在的势能。京津冀地区地表CO₂排放及扩散存在明显的空间异质性,距离CO₂排放高值区越近,其相应的CO₂浓度越高并随时间推移及空间拓展呈逐步减小的态势;③ 京津冀地区在土地利用结构调整、格局优化及效率提升后,CO₂排放强度增幅明显减弱,其区域间的增幅差异也逐渐缩小。产业转型发展、土地利用格局优化、土地利用效率提高有效地抑制了京津冀地区地表CO₂排放强度的提升并促进了该区域的内涵式增长与高质量发展。     

湿地土壤气体排放对水位变化响应的持续性动态特征

为探索湿地水位变化与土壤气体排放之间的关系,对黄河中游芦苇湿地进行了半注水和满注水样地处理后的动态监测,对比了7 d水位变化过程中土壤气体排放差异。结果表明：注水造成了土壤CO₂排放速率的显著差异;随土壤温度上升,H₂O、CO₂、H₂S排放速率都有上升趋势（满注水样地的H₂O除外）;半注水和满注水造成的影响,H₂O排放速率表现为趋同-异步-消失的特征,在注水前期（63.73 h）半注水和满注水差异基本一致,后期差异较大,直至125.64 h后注水的影响才消失,总体分别造成H₂O排放总量76.3%和31.3%的增加;CO₂排放速率表现为异步-趋同的特征,注水初期环境的改变造成CO₂排放的一致减少,37.69~68.66 h二者出现明显差异,68.66~125.64 h水位虽然恢复,但差异仍然存在,注水分别造成CO₂排放总量50.1%和43.2%的减少;H₂S排放速率表现为无变化-异步-无变化的特征,总体造成H₂S排放总量42.3%和32.3%的增加。研究追踪了水位上升后土壤H₂O、CO₂和H₂S排放速率变化的动态过程,其影响具有异步性和持续性的特点,CO₂排放速率表现出较长的响应周期。研究结果对于河流湿地生态功能研究具有重要意义,湿地土壤气体排放对水位变化的响应滞后意味着对湿地生态功能的重要影响,其波动过程需要更长时段的精准研究。     

全球主要河流流域碳酸盐岩风化碳汇评估

碳酸盐岩风化吸收的大气CO₂主要以HCO₃ ^-形式连续地经由河流从大陆输送到海洋,成为陆地生态系统的重要碳汇。目前主要河流流域的碳酸盐岩风化碳汇估算存在不确定性,分布格局尚不清晰。基于GEMS-GLORI全球河流数据库提供的全球10万km ²以上主要河流流域多年平均监测数据,利用水化学径流法估算出全球主要河流流域碳酸盐岩对CO₂的吸收速率为0.43±0.15 Pg CO₂ yr ^-1,平均CO₂吸收通量为7.93±2.8 t km ^-2 yr ^-1。CO₂吸收通量在不同气候带下差异显著,热带和暖温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域年吸收速率的62.95%。冷温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域的33.05%,仅次于热带地区。本文划分出全球CO₂吸收通量的9个关键带,关键带的交汇处CO₂吸收通量较高。喀斯特出露流域碳酸盐岩对CO₂吸收通量的均值为8.50 t km ^-2 yr ^-1,约为非喀斯特流域的3倍。全球喀斯特出露流域碳酸盐岩风化碳汇在全球碳循环、水循环及碳收支平衡估算研究方面占据重要地位。