中国植被和土壤碳贮量

应用0.5°经纬网格分辨率的气候、土壤和植被数据驱动的生物地球化学模型估算了当前中国植被和土壤的碳贮量. 结果表明, 中国陆地生态系统植被和土壤总碳贮量分别为13.33和82.65 Gt, 分别为全球植被和土壤碳贮量的3%和4%, 平均植被和土壤碳密度分别为1.47和9.17 kg/m². 它们受气候、植被和土壤类型等影响, 区域差异明显, 其总趋势是暖湿的东南区大于西北干旱区. 最高植被碳密度出现在温暖的东南和西南地区, 而最高土壤碳密度出现在寒冷的东北地区和青藏高原东南缘. 这些空间类型决定于由气候状况所控制的植物生产力和土壤有机质分解速率, 表明植被和土壤碳密度由不同的气候因素所控制.     

高寒草甸土壤组分碳氮含量及草甸退化对组分碳氮的影响

以青海省果洛州达日县原生高寒嵩草（Kobresia）草甸封育系统和重度退化草甸为对象,通过密度分组技术将每个土样分为2个组分：轻组和重组,分别分析每个组分的有机碳和全氮浓度,研究高寒原生嵩草草甸土壤密度组分碳氮数量和性质、检验高寒草甸退化对土壤轻组和重组中碳氮含量的相对影响程度;研究结果如下：（1）高寒嵩草草甸原生植被土壤表层重组和轻组的碳浓度分别为3.84%和28.63%,氮浓度分别为0.362%和1.192%,重组中C：N为10.60而轻组中的碳氮比为23.80;（2）从各组分中有机碳占全土有机碳的比例看,重组中的有机碳占明显优势;随土壤深度的增加,重组碳的比例由78.95%（0～10cm）上升到90.33%而轻组碳的比例由21.05%（0～10cm）下降到9.68%;（3）高寒草甸严重退化导致表层土总有机碳由47.47g·kg-1下降到17.63g·kg-1,其中重组碳含量由37.31g·kg-1下降到16.01g·kg-1,轻组碳含量由10.01g·kg-1下降到1.62g·kg-1,即按照土壤组分碳氮含量计算,重组碳流失了57%,轻组碳流失了84%;同时重组氮流失了43%,轻组氮流失了79%;（4）轻组中碳氮流失的主要原因不是由于草甸退化导致轻组本身碳氮浓度降低,而是由于土壤中轻组绝对数量降低导致的.重组中氮的流失远低于碳的流失,这可能暗示重组在保护氮的方式上与有机碳存在区别.     

预测区域尺度深层土壤有机碳的方法

深层土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)在陆地生态系统碳循环中发挥着重要作用,对其准确估算是科学认识土壤碳汇潜力的基础.然而,如何准确估算区域尺度深层土壤SOC一直是亟需解决的难题.文章建立了基于深度分布函数的预测区域深层土壤SOC的经验方法,利用全球4个不同区域的土壤剖面SOC数据库对该方法的适用性进行评估,并验证了该方法在中国黄土高原地区的应用.结果表明,在本研究所选择的深度分布函数中,负指数函数对土壤剖面SOC的模拟效果最佳,其参数C_e和k分别与0～20cm土层SOC含量和0～40cm土层SOC变化率呈现显著的线性关系.基于这些关系,建立了预测区域尺度负指数函数C_e和k的经验方程.结合负指数函数与经验方程,形成了预测区域尺度深层土壤SOC的经验模型.该模型能准确预测黄土高原样点和区域尺度500cm土层土壤SOC.因此,本研究提出的方法可简单、快速、准确地预测区域尺度深层土壤SOC.     

碳达峰碳中和目标下青藏高原土地利用变化趋势

依据1980～2020年共8期的历史土地利用并对2021～2100年7种共享社会经济路径(SSPs:SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP4-3.4、SSP4-6.0和SSP5-8.5)的土地利用进行预估,开展了青藏高原过去与未来土地利用变化研究,揭示碳达峰(2021～2040年)和碳中和(2051～2070年)时期以及21世纪末期(2081～2100年)的土地利用变化趋势.结果显示:(1)在历史时期(1980～2020年),青藏高原的土地利用类型以面积排序为草地(1475×10³km²,58.2%)、裸地(685×10³km², 27.0%)、林地(243×10³km², 9.6%)、水域(114×10³km², 4.5%)、耕地(18.6×10³km²,0.7%)和城市用地(0.3×10³km^2...     

基于中国大气反演系统的卫星CO2数据同化对全球碳收支的评估

卫星CO₂浓度观测可以对地表碳通量反演提供重要约束,尤其在地面观测覆盖不佳的区域.文章使用自主研发的中国大气反演系统,利用OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)卫星CO₂柱浓度观测估算了2015～2019年全球CO₂源汇分布,并与其他五个先进反演系统的结果进行了对比.通过同化卫星CO₂观测,反演得到的全球净陆地碳汇(净生物群系生产力, net biome productivity, NBP)为(1.03±0.39)PgC a^-1,低于地面观测反演得到的结果(1.46～2.52PgC a^-1).文章估算的北半球陆地碳汇为1.30PgC a^-1,热带陆地为碳源,碳释放量为0.26PgC a^-1,结果与其他独立证据相符.相较之下,其他系统反演出的北半球陆地碳汇较强(1.44～2.78PgC a^-1),而对热带碳通量的估算存在较大分歧,估算范围为0.77～-1.26...     

土壤微生物碳泵储碳机制概论

土壤有机碳储量高于大气和陆地植被碳的总和,是一个巨大的陆地碳库.土壤碳库收支的微小波动势必影响区域碳通量和全球气候变化.土壤有机碳是土壤储碳机制的核心要素,探究土壤有机碳的组成、来源和稳定性机制是深入认识陆地碳汇功能和应对气候变化的关键.近年来提出的土壤微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)概...     

海洋沉积物中深古菌的固碳潜能——基于DNA的稳定性同位素示踪研究

深古菌分布广泛、生境多样,是地球丰度最高的微生物之一,被认为在全球碳循环中扮演着重要角色.由于分离培养困难,深古菌的生理代谢功能尚不清楚.前期研究表明,深古菌具有降解木质素的功能;宏基因组分析也表明深古菌包含完整的无机碳固定途径(Wood-Ljungdahl pathway,WL途径),但尚未有直接的功能验证报道.本研究利用木质素与NaH¹³CO₃对海洋沉积物样品进行长期培养,探究深古菌固定无机碳的能力.结果表明:在添加了木质素的培养体系中深古菌持续增长,10个月后其丰度增幅高达15.3倍,并在古菌中占比由30%上升为80%.为查明培养体系内微生物的固碳功能,监测了总有机碳δ¹³C随时间的变化,发现两种添加了NaH¹³CO₃的体系的总有机碳在最初的一个月均有升高,随后在未添加木质素的体系中基本保持不变,而添加了木质素的体系中δ¹³C缓慢而持续地增长.对培养过程中不同处理和不同阶段的样品进行DNA提取,并通过超高速密度梯度离心获得不同浮力密度DNA后,利用Q...     

青藏高原草地群落植物碳同位素组成与海拔梯度的关系

采用生物量加权法和直接测定法获得群落水平叶片和根系碳同位素组成(δ13C),进而探讨群落水平叶片和根系δ13C特征以及它们的海拔趋势,并调查叶片δ13C对随海拔变化的环境因子的响应,以确定影响叶片δ13C海拔趋势的主要驱动因子.研究发现,高寒草原植物叶片δ13C显著高于高寒草甸和温性草原;高寒草甸植物叶片的δ13C显著低于根系;整体上,叶片δ13C以0.60‰km–1的变化率随海拔升高而增大,这低于在物种水平上得到的变化率,而根系δ13C与海拔无相关关系.大气压强是引起叶片δ13C随海拔变化的主要驱动因素,降水和温度的影响较小.     

怀涿盆地北缘断裂带土壤气体地球化学特征

在河北怀涿盆地的郝家坡和小水峪布设两条测线开展了四期土壤气Rn,CO₂和Hg的浓度测量,并基于此研究该盆地北缘断裂带南西段和北东段土壤气地球化学特征的空间分布差异及其与断裂活动的关系。结果显示：郝家坡剖面土壤气Rn, CO₂和Hg的浓度平均值分别为8 371.16 Bq/m³,0.85%和14.82 ng/m³;小水峪剖面土壤气Rn,CO₂和Hg的浓度平均值分别为2 813.18 Bq/m³,0.42%和13.08 ng/m³,可见郝家坡地区土壤气Rn,CO₂和Hg的浓度平均值均高于小水峪地区,这种浓度空间分布的差异性可能是断裂活动性和断裂破碎程度不同所致。对区域土壤Hg浓度(total mercury,简称为THg)与土壤气测量浓度的对比分析可知,深层THg浓度与土壤气Rn,CO₂和Hg浓度在空间分布上具有一定的一致性,且高值异常点分布于断裂带附近。结合区域定点前兆观测数据及地震活动性分析...     

洞庭湖湿地土壤种子库特征及其与地表植被的相关性

本文研究洞庭湖三种分布于不同水位的主要群落(荻、苔草、虉草)土壤种子库大小组成、垂直分布特征及其地表植被的相关性.结果表明:荻群落土壤种子库密度最高,为44656粒/m2,苔草群落的最低,为15146粒/m2,虉草群落的居中,为31725粒/m2.种子主要分布于土壤表层(0～5 cm),且随土壤剖面深度的增加而迅速递减.三种群落湿地种子库由53种植物组成,分属18科39属,其中多年生物种20种,一或二年生物种33种.在荻、苔草和虉草三种群落中,种子库的多年生物种分别占29.9%、35.2%和38.0%,物种多样性指数分别为0.76、0.70和0.72;地表植被物种多样性指数分别为0.53、0.17和0.45,土壤种子库与相应地表植被相似性系数分别为0.40、0.28和0.52.可见,在洞庭湖这一通江湖泊湿地,多年生地表植被所产生的种子对土壤种子库大小贡献相对有限,种子库可能主要通过其它途径(如水的流动作用)输入.     

青藏高原水体碳源汇过程的重新认知与挑战

陆地-大气和陆地-水体的碳输送与碳交换共同决定了陆地生态系统的碳平衡,但长期以来青藏高原水体由于缺乏有效的观测数据,导致青藏高原水体一直是全球碳循环研究中被忽视的碳汇功能区。本研究聚焦青藏高原水体,重新认知水体碳侵蚀与碳沉积对青藏高原固碳的重要作用,系统分析河湖库-大气间的碳运移与交换时空格局与驱动机制。通过归纳总结发现:(1)青藏高原河流岩石风化速率以及CO₂消耗速率较高,强烈的侵蚀作用对地球系统吸收和平衡CO₂浓度起着重要的调控作用;(2)青藏高原湖泊是内陆生态系统的重要碳库,12 ka以来湖泊沉积物碳储量约为73 kg C/m²;(3)青藏高原湖泊浮游植物和水生植物影响内陆水体C沉积,年均初级生产力达(553±36) mg C/(m²·d)。(4)青藏高原湖泊目前为“碳源”,碳排放量约为2.27 Tg C/a。此外,本文还阐明青藏高原水体碳源汇过程评估的不确定性,以及从方法学角度分析如何加强其水体的碳循环研究,厘清全球变化下青藏高原水体的碳源汇机制,并展望了青藏高原水体碳源汇功能未来研究所面临...     

鄱阳湖洲滩湿地植物演替对土壤微生物量的影响

湿地植物演替对土壤微生物量具有显著影响,但不同土壤理化环境下的植物演替对湿地土壤微生物量影响的具体差异还不清楚。以鄱阳湖土壤理化性质不同的4个碟形子湖(包括相对肥沃的东湖和白沙湖以及相对贫瘠的蚌湖和大湖池)为研究对象,运用空间代替时间的方法,在泥滩带、湿生植被带(苔草)和挺水植被带(南荻或芦苇)采集0～10 cm表层土壤,分析不同土壤理化性质条件下植物群落演替对土壤微生物量的影响。采用土壤微生物量碳(MBC)和微生物熵(qMB)指示土壤微生物量。蚌湖、大湖池、东湖和白沙湖洲滩湿地表层土壤MBC的平均值分别为1077.27、888.29、942.45和1162.46 mg/kg,土壤qMB的平均值分别为6.07%、6.17%、3.60%和3.79%。在泥滩—苔草—南荻植物演替洲滩,土壤MBC先增加后减少;但是在泥滩—苔草—芦苇植物演替洲滩,土壤MBC持续增加。植物演替没有显著改变土壤qMB。尽管植物的生长会增加所有洲滩湿地的土壤MBC,但增加的幅度在相对贫瘠的蚌湖和大湖池明显强于相对肥沃的东湖和白沙湖。蚌湖和大湖池的土壤qMB也显著高于东湖和白沙湖。在植被演替梯度上,洲滩湿地土壤MBC和...     

新保安—沙城断裂带土壤气地球化学特征分析

测量断裂带土壤气浓度变化, 是监测断裂活动性和地震危险性的重要途径之一。 2014年5月, 我们在怀来地区新保安-沙城断裂测量了断层土壤气H₂、 He、 CO₂、 Rn、 Hg浓度以及CO₂、 Rn、 Hg的通量。 测量结果显示: H₂、 He、 CO₂、 Rn、 Hg浓度变化范围分别为, H₂: (0.4～34.2)×10^-6、 He: (2.8～7)×10^-6、 CO₂: (0.051～1.19)%、 Rn: (0.31～18.22) kBq/m³、 Hg: (2～54) ng/m³。 土壤气H₂和Rn是揭示断层位置的有效参数之一, 在断层附近以及有陡坎的地区有明显高值异常。 通过对怀来地区新保安-沙城断裂土壤气浓度及通量地球化学研究初步确定断裂带有较高的脱气强度, 与此区域地震活动性有一定的关系。     

根系水力再分配对陆地碳水循环的影响——以亚马孙流域为例

水力再分配是指在根系-土壤界面水势梯度驱动下,水分经由根系在土壤不同部位之间的被动运输过程,是陆地表层系统地下生态过程的一个重要环节,它影响植被根系与土壤水分相互作用并在生态系统碳水循环过程中起着关键调节作用.利用模式探讨水力再分配对陆地碳水循环的影响,对定量评估水力再分配的作用及促进陆面模式的发展具有重要意义.文章将水力再分配方案应用于通用陆面过程模式CLM4.5,并以亚马孙流域为例进行数值模拟试验,探讨水力再分配对陆地碳水通量的影响.结果表明:在亚马孙塔帕若斯河国家森林(BRSa3)站点,由于湿润季的根区水分充足,根系水力再分配作用较小(小于0.1mm day~(–1));在干旱季水力再分配作用明显,土壤水由下层向上层传输的最大值可达0.3mm day~(–1),使得更多深层土壤水被根系吸收,从而减小干旱季土壤水分对植被的胁迫,改善模式对植被总初级生产力和蒸散发的低估,均方根误差分别减小了14.9g C m~(–2)month~(–1)和7.5mm month~(–1).文章表明,考虑水力再分配作用的陆面过程模式能够更好的再现植被对季节性干旱及严重干旱的响应.     

中国草地碳储量时空动态模拟研究

基于陆地生态系统模型(TerrestrialEcosystemModel,TEM5.0),利用温度、降水和太阳辐射等气象资料,结合草地植被类型、土壤质地、海拔、经纬度以及大气CO_2浓度数据,模拟研究了1961~2013年中国草地碳储量和碳密度的时空特征及其影响因素.结果表明:(1)1961~2013年间,面积394.93×10~4km~2的中国草地碳储量为59.47PgC,其中植被碳3.15PgC(约占全球植被碳储量的1.3~11.3%),土壤碳56.32PgC(约占全球土壤有机碳储量的9.7~22.5%).草地碳储量以19.4TgCa~(-1)年平均增长速率从1961年的59.13PgC增加到2013年的60.16PgC.(2)研究时段内,青藏高原草地碳储量贡献最大,占总碳储量的63.2%,其次是新疆草地(15.8%)和内蒙古草原(11.1%).(3)1961~2013年,植被碳储量呈增加趋势,年平均增长速率为9.62TgCa~(-1),温度是植被碳库变化的主要因素,二者相关系数可达0.85.在空间分布上,植被碳变化以增加为主,减少主要出现在南方草地中部,内蒙古西部和中部以及一部分青藏高原草地区.土壤碳储量以7.96TgCa~(-1)的速率呈极显著增加趋势,其中20世纪80年代和90年代降水较多温度较低,降水是土壤碳增加的主要影响因素.     

戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO₂湍流通量呈逆输送特征,即CO₂白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199 mg·m^-2·s^-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity (MOS)理论;温度和CO₂的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO₂的输送主要受水平方向湍流的影响.     

怀安盆地北缘断裂东段土壤气体地球化学特征

活动断裂带的土壤气体地球化学测量在活动断裂危险性评价方面起着重要作用。 本文讨论了怀安盆地北缘断裂东段的土壤气体地球化学特征及其构造意义。 我们于2012年7月和2013年6月在怀安盆地北缘断裂东段的羊窖沟以及张家窑两地现场测量了土壤气体组分的浓度和通量。 测量结果表明: ① 断裂带土壤气H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度空间分布曲线呈现双峰模式, 且断裂下盘土壤气的Rn、 CO₂和Hg浓度较上盘的高; H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度平均值分别是4.61 ppm、 4.81 k Bqm^-3、 0.38%和9 ngm^-3; 土壤气Rn和CO₂的通量平均值分别是6718 Bqm^-2d^-1和49.83 gm^-2d^-1; ② 土壤气Rn和CO₂在两个测区脱气强烈, 羊窖沟地区土壤气CO₂、 Rn和Hg浓度平均值以及土壤气Rn和CO₂通量值较张家窑地区高。 这些结果可能是两个测区断裂活动性差异引起的。     

热带季节雨林碳通量年变化特征及影响因子初探

为深入分析西双版纳热带季节雨林碳通量年变化特征及其与各种因子的关系,通过西双版纳主要自然生态系统(热带季节雨林)2003～2004年林冠-大气间和近地层的碳通量以及不同覆盖状况下的地表碳通量(土壤呼吸)的长期观测,并结合植物光合作用、叶面积指数、凋落物和凋落物分解速率以及温度、辐射等常规气象的测定,对热带季节雨林碳通量的年变化特征及其影响因子进行了综合的分析与研究.结果表明热带季节雨林的碳通量表现出和其它热带雨林不同的特征,在干季(11～4月)的林冠-大气间碳通量为负值,森林生态系统呈现碳汇效应;而在雨季(5～10月)表现出较弱的碳源效应;森林生态系统碳通量具有明显的日变化特征,在白天呈现碳汇效应,而夜间为碳源效应,并且干季昼间碳通量较大;雨季较小;夜间则呈现相反趋势.林冠植物在昼间具有较强的光合作用,对昼间林冠-大气间碳通量有较大的贡献;林冠和植物林内低矮植物的光合速率均与林冠-大气间碳通量有显著的相关关系,而林内低矮植物的光合速率与林内近地层碳通量仅在于热季存在显著的相关关系.林内不同覆盖状态的地表碳通量具有明显的季节变化;林冠-大气间碳通量与地表碳通量同样具有较好的相关性,地表碳通量是导致热带季节雨林生态系统碳通量呈现特殊分布的主要因子;另外,林冠-大气间碳通量与凋落物量、凋落物分解速率、降水量、土壤含水率和土壤温度均表现出较好的相关性.初步的统计表明,西双版纳热带季节雨林林冠-大气间碳通量在不同季节呈现不同的汇/源效应,在总体上表现为一个较弱的碳汇.     

陇县—宝鸡断裂带CO2气体地球化学特征及成因

陇县—宝鸡断裂带位于青藏块体东北缘,属于鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂束的最南段。为对比分析该断裂带的分段活动性强弱特征,利用断裂带逸出气CO₂的地球化学特征进行反演。布设6条跨断层土壤气CO₂测线,进行2期测量,共计获取150个土壤气CO₂组分浓度,计算了气体的相对活动强度;收集了60件CO₂气体样品,测试了其碳同位素组成。结果表明：岐山—马召断裂的气体活动强度（1.56～2.70）比固关—虢镇断裂的气体活动强度（1.73～1.75）大,且岐山—马召断裂上的CO₂碳同位素组成比固关—虢镇断裂上的CO₂更靠近深部物质端元。位于南段的岐山—马召断裂的地下构造连通性较好,断裂闭锁程度较低,而位于北段的固关—虢镇断裂气体活动性较弱,闭锁程度较高,未来发生地震的危险性较高。     

核磁共振技术在二氧化碳地质封存与利用中的应用研究前景综述

二氧化碳地质封存与利用是推动“碳达峰、碳中和”的关键技术之一,研究CO₂注入-运移-封存全过程储层孔隙率、渗透率、饱和度、孔隙结构及岩石力学参数的变化规律是监测CO₂地质封存状态和泄露风险的核心工作.以分析核磁共振技术在研究孔隙结构、CO₂运移特征及岩石力学参数变化的应用现状和发展趋势为目标,在简要介绍核磁共振仪器设备和应用领域基础上,分析核磁共振技术在CO₂地质封存与利用中的应用现状和发展方向.分析表明：核磁共振技术在致密油、页岩气等非常规油气资源开发中应用广泛,在表征储层物性、饱和度和三维孔隙结构方面优势明显.目前,利用核磁共振技术研究原位CO₂封存条件下岩心动态参数成果较少,无论是CO₂驱油还是CO₂置换CH₄,均通过测量氢核的核磁共振特征或核磁成像特征来反推CO₂分布状态;在CO₂-EOR、CCS先导性实验中,时移测井资料十分有限,制约了原位CO₂