CO2浓度梯度对两种岩溶微藻碳酸酐酶活性的影响

以经岩溶水驯化的小球藻（Chlorella vulgaris）和喜钙念珠藻(Nostoc calcicola Breb.)为实验对象,在封闭体系中用Willbur和 Anderson 方法比较研究两种不同微藻在不同CO2浓度下碳酸酐酶活性变化情况。结果表明:在低于3%CO2浓度的环境中岩溶微藻可通过快速调节自身碳酸酐酶活性来应对CO2升高带来的生境影响,在影响最大的2.5%的环境下小球藻与喜钙念珠藻碳酸酐酶活性分别提高了1.46倍和2.12倍;岩溶微藻应对CO2浓度增大带来的pH下降有着重要的恢复作用,随培养时间增长培养环境中的pH得到恢复;随着CO2浓度的增大,岩溶因子对碳酸酐酶有着重要的影响;培养48 h时Ca2+与喜钙念珠藻碳酸酐酶的相关性最高,而电导率（EC）与小球藻碳酸酐酶相关程度最高。      

中国岩溶碳汇潜力研究

为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。     

桂江流域岩溶碳汇特征

为研究岩溶区碳汇动态变化特征,使用德国Merck公司生产的碱度计每月定期对桂江流域14个岩溶大泉和16条地下河出口水中HCO3-含量进行了现场测定。结果表明桂江流域枯水期(11月至次年2月)地下水中HCO3-含量平均为223.62mg/L,平水期(3月、9月)为222.11mg/L,丰水期(4月至8月)为210.19mg/L,枯水期和平水期的HCO3-平均含量比丰水期高13.43mg/L和11.92mg/L。尽管丰水期的HCO3-平均含量不及枯水期和平水期,但其平均流量最大,是平水期的2倍,枯水期的2.8倍,因此其岩溶碳汇量也最大,是平水期的4.7倍,是枯水期的2.7倍。在碳汇构成上,丰水期的岩溶碳汇量占年总碳汇量的63.13%,而平水期和枯水期只分别占年总碳汇量的13.35%和23.51%。      

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

广西弄拉表层岩溶动力系统水循环碳汇效应研究

基于对广西弄拉表层岩溶泉水文动态自动化监测研究,发现在良好的森林植被覆盖条件下,泉域内水资源的排泄方式在不同季节差异较大。丰水期主要以泉口径流排泄为主,而枯水期则以泉域内生态需水消耗为主。4至8月降水量占全年总量的66.24%,泉口水资源输出量却高达全年总量的90.89%。与之相对应,碳输出量占全年总量的90.46%。上述数据说明岩溶碳汇过程主要发生在径流系数较高的丰水季节。在碳汇方式上,碳汇过程明显受到雨水稀释效应、CO2效应及水岩相互作用的控制。在降水初期,受到雨水的混合稀释,HCO3-浓度明显下降。期间受到CO2效应及水岩相互作用的影响,使HCO3-浓度波动较大。但随着流量的衰减,水岩相互作用重新又占主导地位,HCO3-浓度动态变化趋于平稳。根据近十年来的监测结果表明,在次生森林植被覆盖条件恢复下,岩溶动力系统中的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子浓度均明显增高。以HCO3-浓度增长最为明显,2003—2005年平均值为356.55 mg/L,而2012年上升为432.97 mg/L,其差值76.42 mg/L,十年间增幅达21.4%。     

岩溶作用时间尺度与碳汇稳定性

从碳酸盐溶蚀快速动力学过程、岩溶动力系统的开放性、环境敏感性和生物参与性等方面分析了岩溶作用过程的时间尺度及其碳汇稳定性,指出岩溶碳循环是一种兼具不同时间尺度的特殊地质作用过程,因水生植物和土地利用变化的影响,碳汇效应显著且相对稳定,仍对现今大气CO2减排有重要意义。为更好地估算岩溶碳汇潜力,在加强高精度自动化监测的同时,需要考虑外源水、水生植物及土地利用变化等因素。     

硅藻碳酸酐酶对石灰岩岩溶的作用及其生态意义

碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA)是一种广泛存在的金属酶,催化CO2的水合反应。硅藻分泌的碳酸酐酶能促进石灰岩的溶蚀。对硅藻碳酸酐酶在石灰岩岩溶中的作用进行了探讨。结果表明,硅藻碳酸酐酶在生物岩溶中具有重要的作用和地位,同时为深入研究生物对石灰岩的溶蚀作用提供了一定的科学依据。     

岩溶区和非岩溶区玉米光合作用与锌含量和碳酸酐酶关系的对比研究

采用田间试验方法对比研究岩溶区和非岩溶区玉米叶片光合作用与锌含量和碳酸酐酶活性的关系, 结果表明:岩溶区施加有机肥的土壤有效锌和玉米叶片锌含量均高于非岩溶区,岩溶区和非岩溶区的玉米叶片的锌含量分别为47.85 mg/kg 和43.35 mg/kg;岩溶区玉米叶片的碳酸酐酶活性和光合作用也高于非岩溶区,岩溶区的碳酸酐酶活性平均为5.622U,非岩溶区的碳酸酐酶活性平均为3.485U;碳酸酐酶活性随玉米叶片的锌含量增加而提高,而玉米光合作用效率随碳酸酐酶活性增加而提高,反映了土壤锌含量对玉米叶片锌含量、碳酸酐酶活性和光合作用的控制.     

亚热带典型岩溶水系统的碳汇效应对比研究

选择中国南方亚热带地区具有不同地质背景和生态状况的广西柳州市官村地下河(灌木林生态环境、人类活动影响显著)、云南省广南县木美地下河(石漠化严重)和贵州茂兰板寨地下河(原始森林生态)3个岩溶水系统为例,对比研究岩溶水中溶解无机碳浓度和碳汇效应的差异。结果表现,(1)流域管道水的溶解无机碳平均浓度排列顺序为:官村>木美>板寨,表层岩溶带泉水的排列顺序为:木美>官村>板寨。(2)水的PCO2分压计算结果显示:3个流域岩溶水的方解石溶解度基本达到饱和,PCO2的大小顺序为:官村地下河>木美地下河>板寨地下河。(3)根据一个水文年的流量监测计算官村地下河流域的岩溶碳汇强度为12.34tC/(km2?a),板寨地下河流域的为11.8tC/(km2?a),木美地下河流域为34.11tC/(km2?a)。木美地下河流域的石漠化现状相当严重,石漠化面积高达90%,而板寨地下河为原始森林区,但木美地下河流域的岩溶碳汇强度却最大,这与其流域面积大、调蓄功能强,且有外源水补给有关。这也同时表明,单从生态环境的角度去研究岩溶作用碳汇潜力是不够的。      

植物碳酸酐酶对稳定碳同位素分馏作用的影响

碳酸酐酶（CA）能够可逆地催化CO2和HCO2^-之间的快速转化。长久以来人们忽视了生物体中CA对稳定碳同位素分馏的影响。本文以微藻碳酸酐酶胞外酶为例,说明细胞的区室化和偶联反应可引起CA可逆催化HCO2^-和CO2的转化的不平衡,进而造成稳定碳同位素分馏,并给出体外实验和C4植物实验结果作为依据。此外,本文还讨论了CA对碳同位素分馏的影响的理论和实践意义。     

碳酸酐酶及多肽类生物大分子与岩溶动力学理论的思考

岩溶动力系统是一个边界受制于已有地表地下岩溶形态,与地球四圈层有密切联系的开放系统.该系统在生物圈的主导作用下与水圈、大气圈及岩石圈(土圈)相互作用,产生物质循环和能量流动,发生水-岩-气作用,进而在全球碳循环中发挥积极作用.生命物质在水-岩-气过程中的作用机制,尤其碳酸酐酶快速催化水和二氧化碳反应过程,以及多肽类生物大分子提高方解石中镁含量能力的发现,使岩溶动力学理论得到进一步丰富和发展.因此,如何更好的将现代生命科学理论引入到岩溶动力学中,丰富和发展岩溶动力系统模型,并与生产实践相结合,是联合国教科文组织岩溶研究中心落户桂林之后岩溶动力学理论发展过程中面临的新课题.     

不同土地利用类型下土壤碳酸酐酶剖面分异特征研究

利用pH计法来研究西南岩溶区4类土地利用类型11个样地20cm、40cm和60cm土层碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase,CA)的剖面分异特征,并与非岩溶样地进行对比。结果表明:西南岩溶区不同土地利用类型不同土层的CA活性存在较大差异。在林地中,40cm和60cm土层的CA活性明显高于20cm土层;而在乔灌丛、灌丛和耕地中,土壤CA活性表现出60cm土层处最高,20cm土层处最低,并与弃耕地不同土壤层CA活性变化趋势截然相反,这是因为弃耕地受人类活动干扰导致土壤CA活性出现逆转。进一步分析还可以看出林地、乔灌丛、灌丛和耕地4种土地利用类型下土壤CA活性总体呈现出随植物根系深度增加而增加的变化趋势,从而说明土地利用类型是导致土壤碳酸酐酶剖面产生分异的主要因素,并为进一步研究土壤CA在自然界碳酸盐岩风化过程中的作用提供了科学依据。     

微藻无机碳利用在岩石风化及碳循环过程中的作用

岩溶碳汇呈现两种不同观点：（1）岩溶碳汇巨大,其机理在于岩溶区藻类及光合细菌利用碳酸氢根离子（${\rm{HCO}}_3^{-}$）实现光合作用,从动力学上加速了岩溶风化过程,促进大气CO2的溶解。（2）岩溶区碳酸盐岩的风化作用,产生${\rm{HCO}}_3^{-}$,随后产生等量的阳离子在海洋中进行碳酸盐岩的沉积作用,这仅仅体现的是碳酸盐岩的搬运作用,不能体现碳汇,在长期尺度上仅仅有硅酸盐岩风化产生净碳汇。文章抓住岩石风化产生${\rm{HCO}}_3^{-}$与微藻光合作用利用${\rm{HCO}}_3^{-}$的耦合点,分析了典型代表性水生生物——微藻在无机碳利用上对岩石风化及碳汇的影响。从微藻光合无机碳利用机制以及光合作用关键性酶－碳酸酐酶（CA）作用两方面,论证了微藻生长对岩石风化及其碳汇的的促进作用;同时论述高pH、高${\rm{HCO}}_3^{-}$的风化环境对微藻生长影响。获得以下新认识：（1）微藻通过胞外碳酸酐酶（CAex） 利用了大量${\rm{HCO}}_3^{-}$,加速岩石风化,并促使风化朝着形成${\rm{HCO}}_3^{-}$的方向进行;（2）微藻加速钙镁硅酸盐岩风化,风化溶出的Ca2+、Mg2+会促使碳酸盐岩的沉积,因此微藻加速硅酸盐岩风化形成净碳汇;（3）长时间尺度下,单纯的碳酸盐岩化学风化并不能直接产生净碳汇,但微藻对${\rm{HCO}}_3^{-}$利用使得碳酸盐岩风化朝着${\rm{HCO}}_3^{-}$转化方向进行,微藻参与碳酸钙沉积作用的同时转化无机碳为惰性有机碳,产生碳汇。故微藻通过CAex的作用,催化加速${\rm{HCO}}_3^{-}$与CO2之间的转化,形成水体${\rm{HCO}}_3^{-}$消耗的动力基础,微藻无机碳利用对岩石风化具有促进作用,从而调节大气CO2、浓度变化。基于当前研究,提出三点展望：（1）开展岩溶区区域水体系统的岩石风化、水生生物碳汇评估成为解决当前区域碳收支不平衡问题的关键;（2）查明岩石风化作用中生物作用碳转化机理及转化量,解决单纯的水化学径流法计算岩石风化碳汇精度不够问题;（3）构建光合生物参与下的新的评估方法,评估当前岩石风化在水生生物、水循环作用下的碳汇的时间尺度问题,厘清岩石风化碳汇在碳收支中的贡献。     

我国岩溶地区碳汇研究进展与展望

20世纪90年代,我国率先开展了岩溶作用与碳循环研究。文章在系统总结相关研究进展的基础上,阐明岩溶碳汇的原理,提出基于地球系统科学理念的岩溶流域6种碳循环过程模式,揭示了岩溶碳汇的稳定性并回答有关学者对岩溶碳汇的质疑,从四大圈层的碳循环角度提出发掘岩溶地区碳汇潜力的新理念。在综述岩溶地区碳汇人工干预研究进展的基础上,分析了石漠化综合治理、岩溶土壤改良、水生生物固碳、加速岩溶过程等人工干预措施的碳汇潜力及研究应用方面的不足。提出了下一步岩溶流域碳汇调查研究监测和技术创新发展方向,以及固碳增汇试验示范工作思路。     

贵州普定6种喀斯特石生植物及其土壤的碳酸酐酶活性

以贵州普定喀斯特石漠化区域石生银叶真藓（Bryum argenteum Hedw.）、扭口藓（Barbula unguiculata Hedw.）、穗枝赤齿藓（Erythrodontium julaceum(Schwaegr.)Par.）、美灰藓（Eurohypnum leptothollum(C. Muell. )Ando.）、东亚砂藓（Racomitrium japonicum Dozy et Molk.）和雪茶（地衣）（Thamnolia vermicularia(Ach.)Asa-hina）为对象,研究了这些石生植物和其基质土壤碳酸酐酶（CA）的活性,可为石生植物的生物岩溶作用机理和石漠化生态环境的治理提供一定的参考。结果表明,6种植物CA的活性存在一定的差异,以美灰藓的CA活性272.99 U·g-1(FW)最高,东亚砂藓的CA活性33.45 U·g-1(FW)最低;银叶真藓基部土壤CA活性最高,为101.81 U·g-1(干土),美灰藓CA活性15.95 U·g-1(干土)最低。CA活性与土壤全磷、全钾、石砾含量和土壤含水量之间呈极显著的相关性。