海洋微型生物碳泵储碳机制及气候效应

海洋中存在一个巨大的惰性溶解有机碳(RDOC)库,可与大气CO2碳量相媲美.两个碳库之间的交换势必影响气候变化.RDOC可在海洋中保存数千年,构成了海洋储碳的重要机制.探寻RDOC碳库形成机制是认识海洋如何储碳的关键.新近提出的"海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)"理论指出,海洋微型生物是RDOC碳库的主要贡献者.本文从MCP的主动机制和被动机制及其环境调控出发,论述了海洋RDOC的组成与生物来源,RDOC组分的微型生物代谢途径,病毒的裂解过程以及浮游动物活动对RDOC生产的贡献,不同类群微型生物有机碳代谢特征及其生物标记物与碳氢同位素表征,以及MCP的能量代谢特征与储碳效率,并结合MCP储碳的地史证据展望了MCP在增加海洋储碳能力方面的应用前景.     

海洋微型生物碳泵理论的发展与展望

微生物是驱动海洋元素循环的主体,在调节全球气候变化中起着重要作用.近半个世纪海洋研究的一个谜团就是"为什么有着一个相当于大气CO2碳总量的惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)库在海洋中长期存在?".生物泵(Biological Pump, BP)和微食物环(Microbial Loop, ML)研究加深了我们对生物在海洋碳循环中作用的理解,但直到微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理论的提出,才真正阐释了海洋惰性溶解有机碳来源和存储的生物地球化学机制. MCP是由微型生物介导的溶解有机碳(非沉降)转化和迁移的海洋储碳新机制,提出了RDOC产生的3个重要途径:(1)微型生物特别是异氧细菌和古菌在有机质降解代谢过程中改造并分泌RDOC;(2)病毒颗粒裂解宿主导致细胞的死亡并释放RDOC;(3)原生动物等捕食者摄食微型生物并释放RDOC. MCP揭示了海洋RDOC的惰性机制,定义了两类RDOC组分(RDOCc和RDOCt),为调节气候和改善生态环境提供了可验证的理论.为纪念中国科学家在海洋碳循环领域的突出贡献,文章在回顾海洋微型生物与碳循环相关研究基础上,系统总结并讨论了MCP理论提出以来中国在此领域的国际引领地位和影响力,并展望了未来研究的方向.     

模拟“微型生物碳泵”对南海储碳的贡献

海洋中最重要的两种生物储碳机制,包括生物泵和微型生物碳泵,其中后者在中国海中的定量估算和模拟的相关研究还未见报道.文章以南海为研究区域,构建了一个包含MCP过程的物理-生态系统耦合海洋模型.模型结果显示,南海整体平均的MCP储碳率为1.55mg C m~(-2)d~(-1);如果取1000m深的颗粒物输出通量作为BP的估计,模型估算的MCP:BP比例约为1:6.08.在此基础上,用该模型预测未来南海海表增温2个典型场景下南海生态系统,特别是MCP和BP储碳过程的响应.模拟结果表明,增强的海表层化会造成输入表层的营养盐减少,进而导致硅藻生物量和生产力的降低,最终抑制BP的储碳率.然而,在这些场景下,由于超微型浮游生物的生产力增加,反而有利于细菌活动,部分补偿生产力的降低,造成MCP对于全球变暖的响应具有非线性的特征.总体而言, MCP:BP比例在两个场景下都有所增加,特别是在4℃增暖的场景下增加至1:5.95,表明在全球变暖的大背景下,未来海洋中MCP碳储的重要性将更加突出.     

从海洋碳汇前沿理论到海洋负排放中国方案

海洋是地球上最大的活跃碳库,对调节气候变化发挥着无可替代的作用.文章从全球气候变化的视角,厘清"蓝碳""海洋碳汇""海洋负排放"等概念的科学内涵和实用意义,回顾我国在海洋生物储碳过程机制方面的科学成就及其对该领域国际发展趋势的影响,展望我国领衔海洋负排放国际大科学计划、积极参与全球治理、支撑碳中和战略的前景.     

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.     

土壤有机碳地球化学及其与岩溶作用的关系：以桂林丫吉村岩溶？…

岩溶土壤有机碳地球化学研究表明：岩溶土壤是有机碳的巨大储库;土壤有机碳含量以松结态为主,紧结态次之,稳结态最少;土壤表层,鞍部、坡地土壤有机碳较活跃（较多松结态）,为岩溶作用ＣＯ２的丰富来源。有机碳可氧化性分级分析表明：表层土壤有机碳中易氧化态占６０－８５％,Ａ层土壤较Ｂ层更易被氧化;土壤来源ＣＯ２是岩溶驱动ＣＯ２的潜在动力。从鞍部－坡地－洼地,Ｂ层土壤有机碳可氧化性由弱到强递增。野外监测表明：在     

河库连续体中溶解性无机碳及其同位素的时空分异特征——以澜沧江云南段为例

河流及水库等水生态系统中的溶解性无机碳(DIC)是全球碳循环与大气、陆地和海洋之间碳相互作用的重要组成部分.以澜沧江云南段上游天然河段及下游梯级水库群形成的连续体为研究对象,分析了河库连续体表层水体中水化学特征、溶解性无机碳浓度及其碳同位素时空分布特征.研究结果表明:河库连续体水体中溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13 C DIC)组成特征总体表现为:DIC浓度丰水期较低,枯水期较高,平均值分别为2.59±0.44和3.30±0.37 mmol/L;δ13 C DIC值丰水期偏负、枯水期偏正,平均值分别为-8.52‰±0.38‰和-6.95‰±0.53‰,与自然河流的季节变化特征相似.水体DIC来源主要包括土壤及水体有机质分解生成的CO 2、碳酸盐风化和水气界面CO 2的交换过程.澜沧江河库连续体中DIC浓度及δ13 C DIC组成的时空异质性特征与流域岩性、土壤生物地球化学过程以及微生物活动强度等均有较大关系.当前,澜沧江梯级水库群建库时间短,梯级联合运行下调度复杂,水文条件多变,梯级水库对河流重要生源要素——碳累积影响方面的“水库效应”还不明显.     

近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式

海洋是地球上最大的碳库,发挥着全球气候变化"缓冲器"的作用.蓝色碳汇,简称"蓝碳",即由海洋生态系统捕获的碳(主要是有机碳),是海洋储碳的重要机制之一.蓝碳最初认识的形式是可见的海岸带植物固碳.其实之前没有得到足够重视的、看不见的微型生物(浮游植物、细菌、古菌、病毒、原生动物)占海洋生物量9 0%以上,是蓝碳的主要贡献者.中国陆架边缘海占国土总面积的1/3,碳汇潜力巨大,亟待研发.本文以近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式为主线,论述了近海生态系统结构与碳循环功能特征、碳汇形成过程与机理,并结合近海碳汇在沉积记录中的地史过程演变探讨了自然过程和人类活动对碳汇的可能影响,展望了碳汇工程在增加近海海洋储碳能力方面的应用前景.     

海岸带蓝碳的科学概念、研究方法以及在生态恢复中的应用

海岸带蓝碳广义上指盐沼湿地、红树林和海草床等海岸带高等植物以及浮游植物、藻类和贝类生物等,在自身生长和微生物的共同作用下,将大气中的CO_2吸收、转化并长期保存到海岸带底泥中的这部分碳,以及其中一部分从海岸带向近海及大洋输出的有机碳.海岸带蓝碳单位面积的固碳能力远大于陆地碳库.盐沼湿地、红树林、海草床、渔业碳汇和微型生物碳泵等5类海岸带碳汇需要进一步研究其固碳机理和调控因子.海岸带蓝碳的定量研究方法包括碳收支的监测、模拟实验和模型研究.我们可以通过恢复、保护和增加这些碳汇来获取新增碳汇,从而得到碳积分,进而通过市场机制推动生态保护和恢复.针对全球应对气候变化的迫切需求以及中国固碳减排的承诺,我们应加强海岸带蓝碳的科学和政策研究.利用蓝碳原理,保护和恢复盐沼湿地、红树林、海草床,增进微型生物碳泵的储碳功能,并建设可持续性海洋牧场等重要海岸带生态系统.     

21世纪中国陆地生态系统与大气碳交换的预测研究

利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟研究了中国陆地生态系统碳贮量的变化和与大气的碳交换,即生态系统的净初级生产力（NPP）、植被和土壤碳贮量、土壤呼吸和净生态系统生产力（NEP）对SRES B2气候变化情景和大气CO2浓度变化情景的响应。研究表明,未来100a大气CO2浓度不变而只考虑气候变化情景时,中国陆地生态系统NPP总量随时间变化逐渐下降;与此同时,植被和土壤碳总量以及NEP总量也下降。至2020年,中国陆地生态系统由21世纪初的碳汇变成碳源。在同时考虑未来气候变化和大气二氧化碳浓度增加的情景下,未来100a中国陆地生态系统NPP总量持续增长,由20世纪末的2.94Gt C·a^-1增加到21世纪末的3.99Gt C·a^-1,同时土壤和植被碳贮量也持续增加,到21世纪末总量增大到110.3Gt C.NEP总量在21世纪初期和中期保持上升趋势,大约在2050年达到最大值,之后逐渐下降,到21世纪末接近于零。     

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应是全球变化及应对领域的关键研究主题之一,分析了全球变化过程中海洋储碳需要解决的4大前沿科学问题、需要重点开展的4项海洋储碳研究以及未来可能的突破点.     

蓝藻水华衰亡对沉积物碳库有机碳组分的影响

湖泊沉积物碳库作为湖泊生态系统的重要组成部分,对湖泊碳循环起重要作用,而蓝藻水华衰亡过程对湖泊碳库稳定性影响研究较少本研究采集太湖蓝藻、湖水、沉积物样品,建立蓝藻水沉积物室内模拟实验系统,分析蓝藻水华衰亡过程中沉积物碳库易氧化有机碳(EOC)、惰性有机碳(ROC)、微生物量碳(MBC)、轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)的变化规律,探究蓝藻水华衰亡过程对湖泊碳库稳定性的影响结果表明,蓝藻水华衰亡前期(1～9天),ROC缓慢下降,EOC和LFOC快速下降,MBC有所增加;衰亡中期(10～45天),沉积物TOC和ROC含量升高;衰亡末期(46～63天),HFOC和ROC等稳定有机碳进入一个从缓慢分解逐渐趋于稳定的阶段周期性的蓝藻水华暴发、衰亡和湖泊稳定性有机碳的日渐累积,最终会对沉积物碳库有机碳组分及其稳定造成显著影响.     

海岸带蓝碳研究及其展望

海岸带蓝碳是海洋碳汇的重要组成部分,在应对全球气候变化中具有十分重要的作用.通过系统调研,综述了海岸带蓝碳的组成、碳通量及其影响因素.针对海岸带蓝碳组成,重点阐述了红树林、盐沼和海草床这三种海岸带地区最具固碳效率生态系统的有机碳捕获与埋藏特征.在此基础上,从海岸带地区的水-气、土-气、地下水(孔隙水)向上交换的垂直界面,以及河口-(潮滩)湿地-近海的陆海水平界面两个维度分析了海岸带系统中不同形态碳的交换、输送过程及其通量,探讨了海岸带碳库收支对全球碳循环的影响.同时,结合海岸带人类活动特点以及对气候变化的响应规律,提出当前中国海岸带地区的蓝碳和碳汇功能正在经受着新一轮沿海土地开发、流域筑坝建库、近海富营养化及海平面上升等系列复杂因素的剧烈作用.因此,要充分结合中国海岸带地区的自然与社会属性特点,以陆海统筹为指导,进一步深化海岸带蓝碳研究,提高对不同区域及海岸带类型的固碳效率、碳库总量和生物地球化学循环过程的认识,建立和完善固碳增汇技术体系,构建海岸带蓝碳系统的综合观测网络与管理平台,服务于中国海岸带地区的蓝碳保护和生态文明建设.     

植被类型、湿度和氮素供给对外源碳刺激森林土壤异养呼吸和微生物碳量的影响

采用室内土柱培养的方法,研究了温带成熟阔叶红松混交林和次生白桦林土壤在不同的湿度(55%和80%WFPS,土壤充水孔隙率)和不同的氮素供应(NH4Cl和KNO3,4.5 g N m-2)条件下外源碳添加(葡萄糖,6.4 g C m-2)对森林土壤异养呼吸和微生物碳的激发效应.结果表明:培养期间次生白桦林土壤对照处理CO2累积排放量(5.44~5.82 g CO2-C m-2)显著高于阔叶红松混交林对照处理(2.86~3.36 g CO2-C m-2).随着湿度的增加,次生白桦林土壤对照处理CO2累积排放量显著降低,而阔叶红松混交林土壤对照处理却显著增加(P0.05).单施NH4Cl或KNO3处理培养期内两种林分土壤CO2累积排放量降低9.2%~21.6%(P0.05),低湿度次生白桦林土壤降低最大.单施葡萄糖显著提高两种林分土壤异养呼吸、微生物碳量和微生物代谢熵.培养期间施加葡萄糖所增加的土壤CO2累积排放量(8.7~11.7 g C m-2)和土壤微生物量(7.4~23.9 g C m-2)显著大于施加的葡萄糖含碳量(6.4 g C m-2),这可能是由土壤固有有机碳分解释放引起的.培养期间由葡萄糖引起的土壤CO2排放速率和最大排放速率不仅受到湿度及其与林分交互影响(P0.001),还受到铵态氮与林分交互影响(P0.001)和林分、湿度和铵态氮三者交互影响(P0.05).施加铵态氮显著抑制了次生白桦林土壤由葡萄糖引起的微生物碳,而施加硝态氮却无显著效应.施加两种形态的氮均显著促进高湿度阔叶红松混交林土壤由葡萄糖引起的微生物碳(P0.05).经过量化由葡萄糖引起的土壤活性碳库、微生物碳及CO2排放量,发现葡萄糖对温带森林土壤异养呼吸和微生物碳的刺激效应与植被类型、湿度、外源氮供给及其形态显著相关.     

极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.     

土地利用和气候变化对农牧过渡区生态系统生产力和碳循环的影响

气候和土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响是当前全球变化研究中的中心问题之一. 近20 a来中国的气候和土地利用发生了很大的变化, 对陆地生态系统生产力和碳循环产生重要影响, 尤其是在生态敏感的农牧过渡区. 应用以遥感观测为基础的土地利用数据和高时空分辨率的气候数据驱动生态系统过程模型, 估计土地利用和气候变化对农牧过渡区 NPP(净初级生产力)、植被碳贮量、土壤呼吸和碳贮量以及NEP(净生态系统生产力)的影响. 结果显示, 20世纪80~90年代, 农牧交错带由于气候变暖和降水减少导致NPP减少3.4%, 土壤呼吸增加4.3%, 每年NEP总量减少33.7×10⁹ kg. 尽管植被和土壤碳贮量由于NPP仍然高于HR(土壤异氧呼吸)而有所增加, 但NEP的下降表明气候变化削弱了生态系统的碳吸收能力, 降低了碳贮量的增长速率. 土地利用变化使所发生区域NPP增加3.8%, 植被碳增加2.4%, 每年NEP总量增加0.59×10⁹ kg. 土地利用变化使生态系统碳吸收能力有所加强, 但尚不足扭转由气候变化导致的下降趋势. 土地利用变化对整个区域生产力和碳循环的影响比较小, 但在它所发生地区的影响大于气候变化的影响.     

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.     

土地利用与覆被变化对巢湖湖滨带土壤有机碳组分及酶活性的影响

为了揭示湖滨带土地利用与覆被改变对土壤有机碳库及生态功能的影响,本文选取了巢湖湖滨带（北岸）9个典型样方,分析和比较了表层（0~30 cm）土壤有机碳组分特征以及相关酶的活性.结果表明,巢湖湖滨带不同采样点土壤总有机碳（TOC）含量变化范围为2.88~11.2 g/kg,平均含量为9.12 g/kg,其中原生芦苇（Phragmites australis）湿地土壤TOC含量最高（11.2 g/kg）,而芦苇群落消失后形成的荒滩土壤TOC含量最低,仅为2.88 g/kg.表征湖滨带湿地缓冲性能的土壤阳离子交换量（CEC）也以原生芦苇湿地土壤为最高,并与TOC含量呈现明显正相关.湖滨带表层土壤溶解性有机碳（DOC）和易氧化有机碳（EOC）含量变化范围分别为150~370 mg/kg和1.7~5.2 g/kg,其变化幅度明显高于TOC,其中DOC含量各采样点差异最为显著.除多酚氧化酶外,次生水柳林（Homonoia riparia Lour.）表层土壤几种酶的活性较原生芦苇湿地土壤皆有所上升,特别是蔗糖酶活性增加幅度最为明显.受人类活动干扰较大的湖滨绿地公园和人工草滩土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶酶活性普遍显著低于原生芦苇湿地.除多酚氧化酶外,土壤中几种酶活性与土壤有机碳组分EOC和DOC含量均呈现显著的正相关,其中蔗糖酶活性与DOC含量之间相关系数最高（r=0.907）,其相关性均达到极显著水平.土壤溶解性有机碳和蔗糖酶可以作为表征因土地利用与覆被变化导致湖滨带湿地退化以及生态恢复效果的敏感性指标.     

全球变化背景下的植物物候模型研究进展与展望

植物物候学是研究自然界的植物(包括农作物)和环境条件(气候、水文、土壤等条件)的周期性变化之间相互关系的科学.植物物候不仅通过物种间的物候适应度差异影响生态系统结构和功能,还可以通过改变植被冠层与近地面大气之间的碳、水和能量交换影响局地天气和气候系统.因此,准确模拟植物物候期对于理解生态系统对气候变化的响应,以及模拟陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的意义.全球变化背景下物候学研究取得蓬勃发展,但物候模型研究相对滞后.物候模型模拟结果的不准确,已成为全球陆面模式模拟陆地生态系统碳、水循环准确性的重要限制因素.基于新的实验手段,明确物候响应气候变化机制,构建基于过程的植物物候模型,已成为全球变化生态学领域重要的前沿问题.文章首先综述了不同环境因子对植物物候的影响,回顾了植物模型发展历史,指出了气候变化背景下的植物物候模型所面临的挑战,探讨了结合机器学习和贝叶斯等数学方法的物候模型优化思路,以提高物候模型在全球变化背景下物候模拟和预测的准确性.     

青藏高原草地生态系统土壤有机碳动态特征

青藏高原草地碳动态对区域乃至全球碳循环都有非常重要的影响. 采用生态系统碳循环模型—CENTURY模型4.5版本探讨了青藏高原草地生态系统土壤有机碳(0~20 cm)在1960~2002年间的年际动态变化特征及其区域分异特征. CENTURY模型模拟的地上部分生物量与土壤表层有机碳与实测结果有较好的一致性. 从1960~2002年, 8个典型草地生态系统土壤有机碳含量表现出明显年际的波动, 变化幅度随生态系统土壤有机碳含量增加而增大; 青藏高原草地有机碳总量和主要草地生态系统有机碳总量也呈现出明显的年际变化, 而以1990~2000年期间的年际变化幅度最大, 在这期间主要生态系统有机碳总量都呈现出先上升而后迅速下降的变化. 土壤有机碳含量的区域分布特征表现出从东南向西北降低的地带性分异, 同时在东北和东南表现出非地带性分异特征. 该研究表明: 近40年来青藏高原典型草地生态系统随气候变动有比较敏感的响应, 同时, 在假定生态系统生理特性不变的条件下, 近10年来的气候变动增加了青藏高原草地土壤有机碳的积累和排放速度.