草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响:以北方农牧交错带草地为例

草地生态系统中,硅(Si)不仅在植物生长过程中扮演着重要的角色,而且通过形成植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)的方式参与陆地生态系统碳循环。近几十年来,由于人为干扰等因素导致的草地退化引起了广泛的关注。本研究中,我们选取了我国北方农牧交错带中30个不同退化程度的样地,分析了8种常见植物(共71个样品)地上部分Si含量和分布特征,并估算了植硅体碳产生通量。结果发现,随着草地退化的加剧,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部分Si含量呈下降趋势,而羊草(Leymus chinensis)表现为先上升后下降的倒"V"型。不同退化程度样地植物地上部分Si平均含量分别为12.25±1.02 g/kg(轻度)、10.56±1.15 g/kg(中度)和8.06±0.93 g/kg(重度),而植硅体碳产生通量显著下降,分别为0.320±0.038 kg/(ha·a)、0.190±0.021 kg/(ha·a)和0.068±0.006 kg/(ha·a)(P<0.05)。研究表明,草地退化对不同种类植物的Si含量和产生通量的影响不同,这可能是由于植物的功能类型不同造成的。草地退化可以导致种群结构的变化和地上净初级生产力(ANPP)的降低,从而影响草地植物地上部分Si的分布和植硅体的固碳能力。当退化严重时,初步估算北方农牧交错带内草地植物地上部分植硅体固碳速率将下降5倍以上。     

植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

植硅体在形成过程中能够包裹植物有机碳,是已被证明的一种非常有潜力的大气CO₂封存方式,对于增加陆地生态系统碳汇和延缓温室气体效应带来的全球变暖具有重要意义,因此受到了学术界的广泛关注。简要回顾了植硅体碳的研究历史和现状,并着重从植硅体碳长期变化入手,探讨了植硅体碳与陆地生态系统碳汇存在的问题与挑战,以及近来有关植硅体碳存在被严重高估的论点。同时指出为了更加准确地估算植硅体碳汇,应充分考虑植硅体包裹碳能力的差异、植硅体碳来源、植硅体稳定性、土壤中植硅体碳含量衰减速率以及植硅体提取方法等在植硅体碳的长期变化中的作用,进一步提高植硅体碳在陆地碳汇研究中的地位与重要性。     

中国陆地生态系统植硅体碳汇研究进展

植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,Phyt OC)是一种相对稳定的碳组分,在生物地球化学碳循环和减缓全球变暖中扮演着重要角色。在总结前人研究的基础上,论述了植硅体碳的形成机制和其碳汇能力的影响因素,综述了当前中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究成果,探讨了中国陆地生态系统植硅体碳汇的调控机制,最后对未来中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究方向进行了展望。气候、地表植被类型、土壤环境及植硅体自身化学组份等诸多因素都将直接或间接影响植硅体的碳汇能力。中国草地、农田、森林、湿地和灌丛生态系统植硅体碳产生速率分别为(0.6±0.1)×106,(4.9±1.7)×106,(1.9±0.4)×106,(0.6±0.5)×106和(1.3±0.3)×106t CO2/a。含硅材料施加、高硅植物栽培和传统的提高植物地上净初级生产力等措施均可显著提高中国陆地生态系统植硅体碳汇潜力。今后应进一步研究不同植物产生植硅体碳的机理,加强不同陆地生态系统中植物地下部分植硅体碳汇能力的研究,对不同陆地生态系统土壤植硅体碳汇量进行量化,并提出更加全面、经济、合理的管理措施以提高植硅体碳汇量。     

增温、施氮、CO2浓度升高对羊草(C3)、芦苇(C4)植硅体组合的影响

研究未来全球变暖和氮沉降下C3、C4植物植硅体的变化规律,对松嫩草原优势群落演替方向的预判、古植被及古气候的重建和全球环境变化的预测等工作具有重要意义.本文选取松嫩草原的优势物种羊草(Leymus chinensis,C3)和芦苇(Phragmites communis,C4),对其进行模拟增温、施氮、CO2浓度升高处理,研究叶片部位植硅体的组合规律及形态变化特征,试图寻找在改变某一单一环境要素条件下,C3、C4植物所含各类型植硅体百分含量及形态的变化规律,以探究C3、C4植物植硅体对不同环境因素响应的异同.结果显示:CO2浓度升高、增温对羊草植硅体发育具有促进作用,对芦苇植硅体发育起抑制作用;氮素过高对羊草和芦苇植硅体的发育都不利,但增温能减轻施氮对羊草植硅体的负面效应.棒型、板型、方型、块状、蜂窝状植硅体对模拟增温、施氮、CO2浓度升高反应敏感,可作为指示环境变化的新指标.     

长江河口盐沼湿地酸挥发性硫化物的时空分布特征及影响因素

以长江河口典型潮间带(崇明东滩湿地)不同地貌单元植被根际柱样沉积物(0~33 cm)为研究对象,探讨了长江河口潮间带表层沉积环境中酸挥发性硫化物(AVS)的时空间变化特征及其与环境因子的关系.结果表明,不同植被根际沉积物中 AVS 含量存在显著季节变化,表现为:互花米草大于海三棱藨草和芦苇.各采样点根际沉积物中 AVS 含量垂向变化为:高潮滩芦苇,随深度的增加而降低;中潮滩互花米草与海三棱藨草,随深度的增加先增大后减小,且在地面下约20 cm 处显著增大. Pearson 相关分析表明,沉积物中 AVS含量与<16μm 的颗粒物、有机碳含量及含水率之间不存在简单的正相关关系.根际沉积物中 AVS 含量的时空变化可能受潮汐、植被生长等因素的综合影响,其时空变化特征反映了长江河口潮滩复杂多变的氧化还原条件.与芦苇和海三棱藨草相比,入侵物种互花米草对沉积物中硫酸盐异化还原有显著影响,其可能改变了潮滩湿地生态系统原有的氧化-还原生物地球化学循环过程     

苏北潮滩湿地不同生态带碳、氮、磷分布特征*

通过对比苏北潮滩湿地不同生态带的表层以及柱状沉积物中总有机碳、总氮、总磷和有机磷含量,并结合不同植被不同植株部位中碳、氮、磷的含量变化,分析了潮滩沉积物中碳、氮、磷的垂向和水平分布特征与规律,探讨了不同生态带以及潮滩植被对碳、氮、磷等生源要素的富集作用。对比分析结果表明:苏北潮滩湿地各生态带对不同的测量指标有着不同的富集作用,互花米草滩的总有机碳、总氮和有机磷含量要远大于其他几个生态带,光滩沉积物中总磷的含量最高; 粒度效应是控制互花米草前缘地带以及互花米草滩沉积物中有机碳和氮分布的一个重要因素,盐蒿和芦苇滩中有机碳和氮的分布更多的是受粒度之外的其他因素影响; 不同生态带表层沉积物中的C/N比值分布,大致可反映其有机物来源的差异,而不同生态带中柱状沉积物中的C/N比值相对接近,很难根据C/N比值大小来对不同生态带中的有机物来源进行判断,这可能是埋藏在柱状沉积物中的有机物更多的受到了早期成岩作用造成的。植被对潮滩湿地中碳、氮、磷的分布有着重要影响,3种物质在互花米草、盐蒿和芦苇中的含量差别不是很大,因此潮滩植被对沉积物中上述3种物质的贡献差别主要是由不同植被的生物量和其所处环境的沉积动力差异造成的。     

成都经济区不同地貌景观区土壤有机碳分布特征及储量估算

利用四川省成都经济区多目标区域地球化学调查获得的土壤有机碳含量数据,探讨了成都经济区不同地貌景观区土壤有机碳的分布特征。山区表层土壤有机碳含量(SOC)最高(22 g/kg左右),较平原区、丘陵区高一倍以上,丘陵区最低(9.49 g/kg)。成都平原区和东部丘陵区深层土壤碳含量相差不大,且均低于研究区深层土壤碳含量均值(6.99 g/kg)。利用指数模型对单位土壤平均碳量(USCATOC)、有机碳储量(USCATOC,h)、有机碳丰度指数(R)进行了估算。结果表明:各地貌单元土壤碳含量、单位土壤平均碳量、有机碳储量、有机碳丰度指数(R)分布具有山区高于平原区、丘陵区最低的一致性特征。龙门山区、西南山区面积约占全区的42%,土壤有机碳储量约占全区的59%;成都平原区、丘陵区面积占58%,土壤有机碳储量约占全区的41%。单位土壤平均碳量、有机碳储量在不同地貌单元中分布的差异主要与不同地貌单元的土壤有机碳含量有关,此外还可能与成土母质、植被发育情况、土地利用方式有关。     

浙江余姚田螺山遗址土壤植硅体AMS~(14)C测年初步研究

植硅体(phytolith)是植物体细胞中非晶体二氧化硅脱水后的产物。非晶体二氧化硅的一个聚合基有活性,能够结合植物细胞中的有机碳。植物体死亡后,非晶体二氧化硅脱水,形成坚硬的硅质物,具有抗风化、抗腐蚀、耐酸的特点。植物原生的有机碳被封闭在植硅体内,与外界隔绝,被很好地保存了下来。利用植硅体进行~(14)C年代测定,可以得到植物体死亡的年龄。本研究采集浙江田螺山新石器时代遗址水稻田土壤样本,提取其中的植硅体,通过元素分析、红外光谱进行鉴定,并利用加速器质谱对植硅体样品进行~(14)C年代测定,以期得到水稻田的使用年代;对同层位炭化植物种子也利用加速器质谱进行了~(14)C年代测定。对比结果显示,植硅体年代数据与炭化植物种子的年代在3σ误差范围内一致,植硅体年代数据的中值比炭化植物种子的年代数据中值略有偏老。可以认为植硅体的年代基本上代表了水稻田被使用的年代,植硅体测年可以作为植物年代测定的有效手段。同时,本文尝试针对本研究植硅体年代数据偏老的部分原因做了一点讨论。     

不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的对比分析

由于未来全球变暖的情况仍可能持续,了解陆地生态系统对温度升高的响应对研究全球变化具有重要的参考价值.本文利用开顶式气室(Open Top Chamber,简称OTC)和红外线辐射器(Infrared Radiator,简称IR)对位于松嫩草原西南部吉林省长岭县腰井子村种马场境内的芦苇(Phragmites communis)群落进行模拟温度升高处理,研究增温对芦苇植硅体数量的影响.OTC增温方式设置两种不同的规格,分别用OTC-Ⅰ和OTC-Ⅱ表示,即本文利用OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ和IR这3种不同的增温方式来模拟温度升高,每种增温方式均设置了3个不同温度梯度的增温处理和1个对照处理,以期更详细的研究芦苇中植硅体数量与温度因子之间的动态关系.实验发现,3种不同增温方式对芦苇鞍型植硅体和芦苇硅化气孔的影响一致,即增温后芦苇鞍型植硅体的数量增加、芦苇硅化气孔的数量有所减少;在3种不同增温方式的影响下,芦苇尖型植硅体对增温的响应存在差异,在OTC(OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ)增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量减少,但在IR增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量增加.通过对比不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的异同,有利于得出比较全面和令人信服的结论,同时为今后广大学者根据实际情况选择适宜的增温装置提供参考.     

植物微体化石分析揭示阿敦乔鲁遗址古人生存策略

新疆地区是史前游牧文化与农业文化交融的重要区域,而地处新疆西天山地区的阿敦乔鲁青铜时代遗址,是古代人类活动、文化发展与演化过程的重要时空节点。但是目前对该遗址古人生存策略,尤其是对于当时人们的饮食结构和遗址的季节性使用的认识,存在不同观点。本研究通过对阿敦乔鲁遗址中房址内堆积物、羊粪化石以及遗址周边现代羊粪、自然地层进行植硅体、孢粉分析,发现了农作物植硅体以黍(Panicum miliaceum)和麦类作物的稃片为主,遗址使用后期出现少量的粟(Setaria italica),揭示了该遗址农作物组成以黍、大/小麦(Hordeum spp./Triticum spp.)为主,兼有粟的混合结构。在秋季(9月份)采集的现代羊粪中,孢粉种类(24个科/属)和浓度(平均65533粒/g)显著高于羊粪化石的孢粉种类(9个科/属)和浓度(平均27189粒/g),且现代羊粪以蒿属(Artemisia)植物(7~10月开花结籽)花粉为主(平均54.95%),羊粪化石中蒿属植物花粉仅有19.20%。来自早熟禾亚科(Pooideae)种子稃片的植硅体,在现代羊粪中的含量(平均3.62%)显著低于在羊粪化石中的含量(平均13.84%),羊粪孢粉和植硅体分析结果,揭示了阿敦乔鲁遗址羊类放牧时间应该处于花期结束后,植物已结籽的秋-冬季节,为阿敦乔鲁遗址冬季牧场的性质提供了植物学证据。同时房址内火塘、活动面和储藏间的堆积中植硅体组合与羊粪化石植硅体组合接近,暗示了羊粪可能被大量收集储藏,作为主要的铺垫物和冬季燃料使用。研究结果对于深化青铜时代以来新疆西天山地区古人生存策略、食物结构等的认识具有重要的推动作用。     

全新世中期郑州地区古代农业的时空演变及其影响因素

郑州地区地处中原腹地,是我国旱作农业起源和稻作农业早期传播的重要区域之一,在华夏文明形成与发展过程中具有非常重要的地位。然而,由于区域性系统植物考古研究较少,目前全新世中期郑州地区古代农业的时空演变过程及其影响因素仍不清晰。文章在郑州地区选择位于不同地貌部位、不同等级规模的13处裴李岗-仰韶文化遗址进行系统采样,通过植硅体分析和AMS 14C测年,揭示出郑州地区在裴李岗文化和仰韶文化中晚期均属于以黍为主的稻-旱混作的农业模式,其形成得益于全新世适宜期暖湿气候下的稻作北传。裴李岗时期,黍粟旱作分布在浅山丘陵区的黄土台塬沟谷地带,稻-旱混作仅存在于冲积平原,农业模式的选择主要受地形和水文因素影响;仰韶中晚期,粟和稻的比例显著提高,稻作不再局限于冲积平原和大型聚落,在台塬沟谷和中小聚落也有分布,标志着农耕技术的进步和作物结构的优化,这意味着农业生产开始打破自然条件限制,为郑州地区农业社会的建立和文明化进程奠定了基础。     

Advances in Study of Phytolith Carbon Sequestration in Terrestrial Ecosystems of China

Phytolith-Occluded Carbon (PhytOC), a relatively stable carbon fraction, plays an important role in biogeochemical carbon cycle and mitigation of global warming. The formation mechanisms of PhytOC, the influence factors of phytolith carbon sequestration, the advances in study of phytolith carbon sequestration, and the management for enhancing the potential of phytolith carbon sequestration in terrestrial ecosystems of China were summarized in this review. Finally, future researches on phytolith carbon sequestration in terrestrial ecosystems of China were prospected. Climates, vegetation types, soil circumstances, the chemical compositions of the phytoliths and other factors will directly or indirectly affect the potential of phytolith carbon sequestration. In China, the PhytOC production quantity in grassland, cropland, forest, wetland and shrub ecosystems is (0.6±0.1)×10⁶,(4.9±1.7)×10⁶,(1.9±0.4)×10⁶,(0.6±0.5)×10⁶ and (1.3±0.3)×10⁶ t CO₂/a, respectively. Application of silicon-containing fertilizer, cultivation of high-silicon plant, and traditional enhancement of the plant net primary productivity can significantly improve the potential of phytolith carbon sequestration in terrestrial ecosystems of China. Future studies should focus more on ①the mechanisms of phytolith formation in different plants, ②the phytolith carbon sequestration in underground parts of plants from different terrestrial ecosystems, ③the quantification of soil PhytOC in different terrestrial ecosystems. Furthermore, more comprehensive, economical and reasonable management practices of improving the potential of phytolith carbon sequestration should also be further studied in different terrestrial ecosystems.     

闽江下游白头山遗址稻旱混作农业的植硅体证据

稻作和旱作农业的起源与传播一直是植物考古和农业考古研究中的热点,闽江下游地区农业开始的时间及其发展过程对农业向南及向台湾传播的路径和时间研究至关重要,然而由于缺少详细的植物考古学工作,迄今为止关于该地区稻作和旱作农业开始的时间仍然是不清楚的。文章对闽江下游新发掘的闽侯县荆溪镇白头山遗址进行了系统的采样,通过考古学研究和14C测定确立了年代框架,对遗址进行了详细的植硅体分析。研究结果表明,白头山遗址主要包含闽江下游地区新石器时代晚期到末期的遗存(约5000~3000 cal.a B.P.),该遗址中植硅体类型丰富,自昙石山下层文化时期至黄瓜山文化时期,均发现有水稻特征型植硅体,黍子稃壳植硅体首次出现于昙石山文化层,说明在距今5000年左右稻作农业已经传播到了闽江下游,距今4700年左右的昙石山文化时期地层中黍子的出现则说明旱作农业的传入,形成了稻旱混作的原始农业格局。结合闽江流域及台湾地区其他的植物考古学工作,认为闽江是稻旱农业向台湾及东南亚地区传播的重要通道,研究结果为深入了解闽江流域新石器时代农业的发生、发展及其结构特征提供新的认识,为稻旱混作农业南传的时间及路径提供了新的证据。     

Coastal Reclamation and Saltmarsh Carbon Budget: Advances and Prospects

As an important carbon pool and fragile eco-system of earth system, more and more coastal saltmarshes have been reclaimed for releasing population pressure and promoting food safety and economic development, especially in developing countries. During reclamation, original soil carbon cycling pattern and pathway in saltmarshs would be changed, which furthermore could change global carbon budget. In this study, a great amounts of literature and data were summerized to generalize the changes of soil organic carbon, carbon sequestration rate and carbon flux in three main kinds of saltmarshes (Mangrove saltmarsh, Estuary saltmarsh and coastal saltmarsh) during reclamation. The results are as shown: ①The conclusions collected from Europe and America are not suitable to eastern Asia’s coast and more attention should be paid to eastern Asia’s coastal reclamation; ②Mangrove saltmarshes have higher Soil Organic Carbon (SOC) and carbon sequestration rate, followed by estuary saltmarshes and coastal saltmarshes. Soil clay, aggregate, burial rate usually have positive effect on SOC sequestration in coastal areas. Flood frequency, salinity and underground water level generally have negative effect on it. After reclamation, coastal SOC first shows a decrease followed by an increase. Nearly 30 years of reclamation is the turning point where paddy fields can significantly promote SOC; ③CH₄ and CO₂ are the main ways of carbon emission in coastal areas of which CO₂ flux usually is the largest. Mangrove saltmarshes’ carbon emissions are the highest. In natural sites, the carbon emissions in Spartina alterniflora Loisel. and Phragmites australis are higher than those in bare flat areas. Carbon fluxes in flood tide usually are lower than those in other periods. Otherwise, carbon fluxes in natural saltmarshes are far lower than those in reclamation zones, especially upland tillage zones. The results acquired from field monitoring, saltmarshes are the carbon sinks and become the carbon sources when reclamation activities happen. Finally, three main aspects of coastal study were given as follows: much more attention should be paid to carbon budget inventory in saltmarshes; the effect of reclamation activity (i.e., anthropogenic activity, tillage practice, land use, etc.) on carbon cycling in ocean-inland system; the study of land use and reclamation process simulation and its impact on carbon cycling in coastal zone should be strengthened.     

江苏中部潮滩长期演变规律及其受米草生长影响

在江苏盐城川东港南侧潮滩设置了一系列水准桩,使用滩面高程观测仪对滩面高程进行7 a（2012年10月—2018年11月）的逐月现场观测,结合遥感资料获取米草前缘位置变化,探究淤泥质潮滩中长期演变规律及米草生长在潮滩地貌演变中的作用。结果表明:高滩区域地下过程（土体膨胀、压缩等）对滩面变化起控制作用;盐沼区米草生长促进滩面沉积,随米草前缘向海生长,盐沼中部区域年增长率降低,靠近米草前缘区域滩面年淤积量增加,但米草向海推进对光滩区域演变影响小;潮滩剖面自陆向海依次可分为基本稳定带、快速淤积带、基本稳定带、快速冲刷带,潮间带中部坡度逐步增大;滩涂面积保有量在2012—2018年观测时段内逐年降低。     

长江口盐沼硫酸盐还原菌的分布特征与环境机制

选择长江口崇明东滩两类植被区（互花米草、土著植被）纵向剖面,根据不同高程部位柱样土壤和植被根际硫酸盐还原菌（SRB）与异养菌的数量,颗粒有机碳（POC）含量与δ13C值,孔隙水Cl-/SO2-   ４摩尔比等,研究盐沼SRB的空间分布特征与机制。自高潮滩向光滩,柱样氧含量降低,SO2-   ４含量增加,导致SRB含量增加,SRB在有机质矿化中的作用增强。高潮滩柱样不同深度层位的异养菌数量明显大于中潮滩和光滩柱样的相应层位,这与由陆向海柱样氧含量及POC含量降低有关。SRB对植被根际环境的变化较敏感,芦苇根际最有利于SRB生长,藨草根际次之;互花米草根际不利于SRB生长,根系分泌物可能对SRB有抑制作用。土壤有机质含量是导致不同纵向剖面相同高程部位柱样之间微生物数量差异的主要因素。同一纵向剖面不同高程部位柱样之间在土壤氧含量与SO2-   ４含量方面的不同,导致这些柱样微生物数量存在差异。盐沼柱样孔隙水Cl-/SO2-４摩尔比总体偏低,多小于19.33,指示有非海源SO2- ４加入。非海源SO2-４的加入掩盖了硫酸盐还原作用对SO2-４的消耗,增加了利用孔隙水Cl-/SO2-４摩尔比定量研究盐沼硫酸盐还原作用强度的难度。柱样中SRB越多,Cl-/SO2-４摩尔比就越大,硫酸盐还原作用就越明显。