碳同位素技术在温地甲烷排放中的应用综述

碳同位素技术对碳元素在生态系统中的迁移动态具有示踪作用,有助于研究生态系统中碳元素的源与去问题,在生态系统碳循环研究中发挥着极其重要的作用.重点阐述了碳同位素技术在湿地甲烷的产生、传输过程中的应用,并对将来该方面的研究方向作出展望.     

基于稳定同位素技术的土壤碳循环研究进展

植物和土壤是陆地生态系统的重要碳库,而碳同位素技术对各碳库中碳元素的迁移具有很好的指示作用,能够为碳转化研究提供有力证据。以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用,但干旱区土壤无机碳在区域碳循环过程中的贡献日益显著,因此干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。基于碳稳定同位素技术的土壤有机碳循环研究和土壤无机碳动态及其碳同位素研究进展,探讨土壤无机碳与有机碳的转化关系,并对干旱区土壤碳循环研究进行展望,期望从稳定同位素生态学的角度探讨干旱区土壤有机碳和无机碳的转化关系,以推动干旱区土壤碳循环研究,揭示干旱区碳循环过程及其在全球碳循环中的作用。     

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。     

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。     

氢氧稳定同位素技术在生态系统水分耗散中的应用研究进展

氢氧稳定同位素作为水的"DNA",对于研究水分的传输和转化具有重要的意义,而水分耗散是水循环的重要组成部分。简单介绍氢氧稳定同位素在水分耗散研究中应用的主要原理和比较新的一些技术方法,主要对其在森林、草原生态系统和农田生态系统中蒸散发分离,植物水分来源区分、叶片水同位素富集和水分利用效率等方面做较为详细的归纳总结和探讨,最后指出国内此类研究仍然存在的问题和可能的发展方向,以期对未来氢氧稳定同位素技术在水分循环和水分耗散方面的应用研究有借鉴作用。     

黄土碳酸盐碳同位素环境意义讨论

黄土碳酸盐碳同位素广泛应用于第四纪气候环境变化的研究中,以往的大多数研究中无论是利用钙结核、次生碳酸盐还是成壤碳酸盐,认为其反映了C4植物的丰度。黄土高原碳酸盐碳同位素表现为黄土层高,古土壤层中低,即黄土层中C4植物丰度高于古土壤层。然而,这样的结果和黄土有机碳同位素得到的结果矛盾,有机碳同位素的结果表明温度对C4植物的分布起到了决定性作用。由于有机碳同位素对植物类型的反映更为直接而可靠,因此碳酸盐碳同位素反映C4植物丰度存在疑问。对黄土高原黄土碳酸盐碳同位素的系统概括后认为,第四纪期间黄土碳酸盐碳同位素与C4植物有直接联系,但C4植物丰度不是唯一决定性的因素,碳酸盐碳同位素的指示意义存在复杂性。在黄土高原地区,植被发育程度、与大气CO2交换程度、植被本身的碳同位素值的变化以及原生碳酸盐的影响等因素都会对碳酸盐碳同位素产生影响。由黄土碳酸盐碳同位素的讨论可延伸到不同土壤碳酸盐碳同位素揭示的环境指示意义,不同的土壤环境,其气候条件、植被类型及发育程度、大气CO2的交换情况、微生物的活动及土壤次生碳酸盐受原生碳酸盐溶解的影响等因素都会对碳同位素产生不同程度影响,哪种或哪几种因素产生主要作用,在不同区域土壤环境中是不一样的。具体研究中需确定影响的核心因素,才能确定碳同位素的环境指示意义。     

土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望

土壤碳库动态及其驱动机制是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点问题之一。随着各国对《京都议定书》的重视,农业土壤碳库变化及其源汇效应研究不断加强,但以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用和地位,干旱区土壤无机碳储量巨大,其在区域碳循环过程中的贡献日益显著,这使得干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。国内外关于农业土壤有机碳动态的研究主要围绕农业土壤有机碳储量、固碳潜力等问题展开,研究区多为湿润、半湿润地区;国际上对农业土壤无机碳动态的研究主要集中在干旱区土地管理措施对土壤发生性碳酸盐碳的形成与转化方面,研究方法以稳定同位素技术为主,但目前关于中国干旱区农业土壤无机碳动态的研究还较为薄弱。因此,应加强干旱区绿洲土壤碳循环研究,深入分析干旱区绿洲土壤碳的源/汇效应;探讨土壤无机碳动态变化的机理。     

中国北方干旱半干旱区表土的有机质碳同位素、磁化率与年降水量的关系

古土壤和湖泊中的有机质碳同位素与磁化率指标被广泛应用于古气候的重建。但由于各地自然条件的差异,其气候意义具有一定的区域性。通过对中国秦岭到内蒙古北部的中蒙边境(34°N～43°N)连续剖面上的102个采样点的表层土壤样品的有机质碳同位素和磁化率进行测定,并搜集了该区域部分站点的降水资料。研究表明有机质碳同位素波动在-22‰～-30‰之间,其碳同位素值与降水量存在显著的线性负相关关系。磁化率与年均降水量也存在显著的函数关系,总体上磁化率随着年降水量的增加而增加。研究进一步证明,在中国干旱和半干旱区,表土中的有机质碳同位素δ13C和磁化率对年降水量具有显著的指示作用,因此可以用古土壤中的有机质碳同位素和磁化率作为代用指标,来反映古降水的变化。     

生态水文过程观测与模拟的发展与展望

中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心是管理CERN陆地生态系统台站水环境长期监测的专业分中心,也是从事生态水文学研究的一个学术团队.长期以来,CERN水分分中心致力于先进的生态水文观测方法和技术的引进与研究,先后在大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术应用于生态水文过程的观测方面做了许多卓有成效的工作,对生态水文过程野外观测方法先进技术的应用在国内起到引领作用.CERN水分分中心也开展了以陆面蒸散过程机理与模拟的研究,围绕华北农田作物蒸散过程模拟方法,从早期的经验模型,到具有物理基础的模型,发展到基于水碳耦合机理的蒸散过程模拟方法.未来的发展,需要进一步深入推进新技术新方法在生态水文过程观测中的应用,并构建不同生态系统生态水文过程机理模型,为流域和区域水资源管理及生态系统管理提供科学数据和科学工具.     

中国陆地自然植被碳量空间分布特征探讨

陆地生态系统在全球碳循环动力学中的作用受到越来越多的注意。目前中国森林覆盖率为1392% , 到本世纪末全国森林覆盖率将达到15% , 对全球碳平衡具有重要作用。但是,由于我国碳循环的基础研究比较落后,致使我国陆地生态系统的碳储量和净第一性生产力 （NPP） 碳量还没有被准确确定, 而且陆地生态系统的碳通量估计存在较大差异。     

遥感在土壤碳储量估算中的应用

土壤碳库是陆地生态系统碳库的主体,在全球碳平衡中具有重要作用。从20世纪70年代早期Landsat-MSS数据的使用开始,各种传感器的卫星多光谱测量开始广泛应用于土壤调查中。首先,分析了利用遥感方法估算土壤碳储量的可行性。之后,系统分析总结了国内外在土壤碳储量研究中的常用遥感方法,即遥感影像直接估算法、植被指数法和光谱测定分析法。最后,对遥感在土壤碳储量估算研究中的发展趋势做出展望。     

Effects of Thinning Intensity on Carbon Stocks and Changes in Larch Forests in China Northeast Forest Region

Thinning represents an important and frequently used silvicultural technique that improves forest wood products and has obvious effects on forest carbon stocks and stock changes. Here, we used the carbon budget model CBM-CFS3 to simulate the effects of thinning on carbon storage and changes in larch forest ecosystems under thirteen thinning scenarios. Simulation results demonstrate that strong thinning greatly reduces the biomass carbon density of larch forests compared to non-thinning forests. The minimum and maximum average biomass carbon density, respectively, were 30.3 tC ha^-1 and 47.8 tC ha^-1, a difference of 58% under set scenarios in the simulated time scale. The dead organic matter (including soil) carbon density increased in all thinned larch forests stands, compared with non-thinning stands, and the pattern of variation was opposite to that found for biomass carbon density. However, the total ecosystem carbon density of larch forests declined with thinning because the increase in dead organic matter carbon is insufficient to offset the loss of biomass carbon caused by thinning. Thus, strong thinning can transform larch forest ecosystems from carbon sinks into carbon sources. Future work should consider the carbon sequestered in wood materials acquired via thinning and their use as substitutes for other construction materials with less favorable lifecycle carbon footprints, such as steel, cement, aluminum and PVC.     

Construction and progress of Chinese terrestrial ecosystem carbon,nitrogen and water fluxes coordinated observation

Eddy Covariance technique (EC) achieves the direct measurement on ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes, and it provides scientific data for accurately assessing ecosystem functions in mitigating global climate change. This paper briefly reviewed the construction and development of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX), and systematically introduced the design principle and technology of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation system of ChinaFLUX. In addition, this paper summarized the main progress of ChinaFLUX in the ecosystem carbon, nitrogen and water exchange and environmental controlling mechanisms, the spatial pattern of carbon, nitrogen and water fluxes and biogeographical mechanisms, and the regional terrestrial ecosystem carbon budget assessment. Finally, the prospects and emphases of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation of ChinaFLUX are put forward to provide theoretical references for the development of flux observation and research in China.     

区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性

定量评估区域和不同类型生态系统的碳收支,可以为科学预测气候变化、服务于减缓和适应气候变化的区域碳管理提供科学依据,是生态系统与全球变化科学研究的重要科技问题.虽然区域碳收支的定量评估和认证还很难用当前的各种直接观测和评估方法来精确实现,但是,近年来这方面做了很多研究工作,也取得了一定进展.为此,本文综述了陆地生态系统碳...     

国外湿地生态系统碳循环研究进展

在全球变化背景下,面对湿地生态系统是否能维持其碳汇功能等问题,在以下几方面进行了讨论:当前湿地生态系统碳源与碳汇评估中存在的问题;湿地碳源与碳汇功能时空格局变异最新研究进展;影响湿地甲烷排放的因素;湿地碳循环过程对全球变暖的响应模式;湿地生态系统碳循环模拟。认为当前对湿地生态系统碳循环认识的局限性,是导致碳循环成为全球变暖互馈机制中不确定性的主要原因之一。针对中国当前湿地生态系统碳循环研究的特点,提出了中国未来湿地生态系统碳循环研究的焦点问题,即如何在气候变化及人类活动双重影响下,维持中国湿地生态系统现有碳储存库的功能,以及如何提高已退化湿地的固碳功能及潜力。     

Biophysical Regulation of Carbon Flux in Different Rainfall Regime in a Northern Tibetan Alpine Meadow

Inter-annual variability in total precipitation can lead to significant changes in carbon flux. In this study, we used the eddy covariance (EC) technique to measure the net CO₂ ecosystem exchange (NEE) of an alpine meadow in the northern Tibetan Plateau. In 2005 the meadow had precipitation of 489.9 mm and in 2006 precipitation of 241.1 mm, which, respectively, represent normal and dry years as compared to the mean annual precipitation of 476 mm. The EC measured NEE was 87.70 g C m^-2 yr^-1 in 2006 and -2.35 g C m^-2 yr^-1 in 2005. Therefore, the grassland was carbon neutral to the atmosphere in the normal year, while it was a carbon source in the dry year, indicating this ecosystem will become a CO₂ source if climate warming results in more drought conditions. The drought conditions in the dry year limited gross ecosystem CO₂ exchange (GEE), leaf area index (LAI) and the duration of ecosystem carbon uptake. During the peak of growing season the maximum daily rate of NEE and P_max and α were approximately 30%-50% of those of the normal year. GEE and NEE were strongly related to photosynthetically active radiation (PAR) on half-hourly scale, but this relationship was confounded by air temperature (T_a), soil water content (SWC) and vapor pressure deficit (VPD). The absolute values of NEE declined with higher T_a, higher VPD and lower SWC conditions. Beyond the appropriate range of PAR, high solar radiation exacerbated soil water conditions and thus reduced daytime NEE. Optimal T_a and VPD for maximum daytime NEE were 12.7℃ and 0.42 KPa respectively, and the absolute values of NEE increased with SWC. Variation in LAI explained around 77% of the change in GEE and NEE. Variations in R_e were mainly controlled by soil temperature (T_s), whereas soil water content regulated the responses of Re to T_s.     

中国陆地生态系统碳氮水通量协同观测系统的建设及其科学研究（英文）

Eddy Covariance technique(EC) achieves the direct measurement on ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes, and it provides scientific data for accurately assessing ecosystem functions in mitigating global climate change. This paper briefly reviewed the construction and development of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network(China FLUX), and systematically introduced the design principle and technology of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation system of China FLUX. In addition, this paper summarized the main progress of China FLUX in the ecosystem carbon, nitrogen and water exchange and environmental controlling mechanisms, the spatial pattern of carbon, nitrogen and water fluxes and biogeographical mechanisms, and the regional terrestrial ecosystem carbon budget assessment. Finally, the prospects and emphases of the terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation of China FLUX are put forward to provide theoretical references for the development of flux observation and research in China.     

Comparing the seasonal variation of parameter estimation of ecosystem carbon exchange between alpine meadow and cropland in Heihe River Basin, northwestern China

Grasslands and agro-ecosystems occupy one-third of the global terrestrial area. However, great uncertainty still exists about their contributions to the global carbon cycle. This study used various com...     

我国草地生态系统碳循环研究进展

文中首先分析了草地生态系统在碳循环研究中的地位和重要性,进而对我国草地生态系统碳循环的研究现状作了较为详尽的阐述,包括植物、凋落物、土壤三大碳库以及主要含碳温室气体通量等,对其主要研究结论进行了深入的剖析。同时提出了今后我国草地生态系统碳循环的重点研究方向和研究领域。     

全球碳通量东滩野外观测站的建立

湿地作为地球上一种重要的生态系统类型,其碳循环过程与特征在全球陆地生态系统碳循环研究中具有相当重要的地位。崇明东滩湿地位于长江入海口,是陆地、海洋和淡水三大生态系统的交汇区,是具有国际重要意义的生态区,目前正遭受外来互花米草入侵和人类干扰的双重影响。2004年7月,复旦大学生物多样性与生态工程教育部重点实验室在崇明东滩建立了“全球碳通量东滩野外观测站”,这个野外观测站主要包括3座涡度通量塔和两条长期监测样带,并通过借助涡度协方差技术精确地测定生态系统能量、CO2和水汽通量,同时结合遥感、水文地质学和地面生物物理学调查,研究河口/海滨湿地生态系统结构、生物物理学过程及其他因子对二氧化碳通量的影响。本文的目的是介绍在东滩建站的根据、采用的技术以及将要开展的研究工作。