植硅体14C测年研究:过去、现在与未来

文章回顾了植硅体14C测年发展的历史,对当前其研究的现状进行了全面的总结和评述,对近年来其研究的争议进行了梳理。植硅体测年研究中存在的问题(如污染和老碳效应等)在其他材料测年过程同样存在,不能基于少量现代植物植硅体测年的异常数据而完全否定其意义。大量的测年数据显示,并不是所有的植硅体年代都偏老,相反地层中的植硅体年代与同层位其他材料的年代重合或接近。因此,在一些缺少其他有机质测年材料的地层,植硅体14C测年仍然是一种极具潜力的年代学方法,在构建一些重要环境和考古文化时间标尺上将会发挥更重要的作用。     

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及¹⁴C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及¹⁴C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。

     

真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

近年来,全球变暖趋势越来越明显,大气CO2浓度不断升高被认为是引起全球气候变化的主要原因之一.大气CO2来源主要有海洋释放、土壤呼吸、化石燃料燃烧、动植物呼吸和植被破坏等;而大气CO2的归宿被认为主要有海洋吸收和植物光合作用等.全球陆地生态系统中的碳有2126 Pg.其中46%储存在森林中.土壤真菌占地下总微生物量的8...     

陆地生态系统水—碳耦合循环与过程管理研究

陆地生态系统的水循环与碳循环是地球表层系统物质循环与能量交换的核心，也是最基本的耦合的两个生态学过程。区域或全球尺度生态系统的水管理与碳管理是全球变化科学与可持续发展研究的两大主题，是人类维持全球生态系统的物质与能量循环、自然资源循环再生的重要生态学途径。我们在综合评述现代应用生态学研究的发展趋势，陆地生态系统水和碳循环与生态系统管理关系的基础上，提出了陆地生态系统水循环与碳循环过程管理的内容与思路，阐述了生态系统水和碳耦合循环机制与模拟综合研究的新设想。     

植硅体在河流硅输送中的作用

高等植物产生的植硅体是古气候和古环境研究的重要手段,也是陆地硅循环中重要的硅的储库;植硅体通过河流的跨区域输送在全球硅的生物地球化学循环中起着重要作用,是区域硅循环研究的重要载体,然而这方面的关注却很少。河流输送的生物硅大致分为自源和异源两种类别。"自源"生物硅主要包括河流水体本身自生浮游植物(主要是淡水硅藻)产生的硅质颗粒;"异源"生物硅主要由流域土壤的侵蚀输出到河流的植硅体所构成。流域地表过程是使得部分土壤中的植硅体进入河流的主要途径,并成为河流生物硅输送中重要的形式,这对河流-河口水循环体系的硅生物地球化学循环过程产生了重要的影响,但人们对河流输送的植硅体在硅循环中的作用的研究还不够。文章着眼于陆海相互作用研究,以河流中水体携带的植硅体为中心,总结了河流植硅体输送在地表水体硅循环系统中贡献的研究进展,分析了长江与黄河植硅体入海通量与河口行为及对近海海洋环境的影响。最后,对未来河流输送的植硅体参与硅循环研究可能需要加强的科学问题提出了建议。     

闽江河口湿地典型植物群落及交错带植硅体碳分布特征研究

湿地既是"碳汇"也是"碳源",研究发现,碳可以被长久稳定地封存在植硅体内,不同植物的植硅体封存碳的能力有明显差异。选取闽江河口鳝鱼滩湿地芦苇群落、短叶茳芏群落、互花米草群落及交错带为研究对象,研究这3种植物植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)含量和储量的空间变化特征和影响因素,探讨PhytOC含量在纯群落和交错带的差异,为研究植物竞争和碳循环过程提供依据。结果表明:受水文条件、植物生长和空间扩展等影响,闽江河口湿地植物PhytOC含量整体表现为近岸区高于近海区,PhytOC储量表现为纯群落高于交错带。PhytOC含量依次表现为芦苇纯群落(4.14 mg/g) > 交错带芦苇(3.67 mg/g) > 与芦苇交错的短叶茳芏(3.08 mg/g) > 互花米草纯群落(2.70 mg/g) > 与互花米草交错的短叶茳芏(1.96 mg/g) > 交错带互花米草(1.86 mg/g) > 短叶茳芏纯群落(1.75 mg/g)。短叶茳芏与芦苇相互扩展中短叶茳芏植物整体及各器官PhytOC含量均升高,而与互花米草相互扩展时短叶茳芏除了根系、茎以外各器官PhytOC含量均下降。3种植物各器官在交错带中PhytOC储量分配比明显不同于纯群落,根系PhytOC储量的分配比上升,提高了根系竞争力。芦苇、短叶茳芏、互花米草通过植硅体封存的碳储量分别占植物碳储量的0.27%、0.15%和0.07%,但植物间的扩展过程影响了植物的PhytOC储量,其中短叶茳芏与互花米草形成的交错带中短叶茳芏下降幅度最高(56.29%),互花米草下降幅度最低(26.15%)。由此可见,植物的空间扩展对植物PhytOC含量、储量以及在不同器官的分配比都有一定的影响,短叶茳芏在与芦苇和互花米草竞争时分别采取不同的PhytOC分配机制。     

中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science系统构建

全球/区域生态系统碳循环研究具有多台站联网观测、多源异构数据、多模型综合分析、跨领域科学家协同工作等特点。以中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为基础平台,论述建立碳循环科研信息化环境(e-Carbon Science)的迫切性,系统阐述e-Carbon Science的目标、组成、关键技术及研究进展,构建了由"四环境(碳循环数据集成与服务环境、模型模拟环境、可视化分析环境、科研协同工作环境)、三系统(站点、区域、全国尺度陆地生态系统碳收支评估应用系统)"组成的ChinaFLUX e-Carbon Science,形成ChinaFLUX通量数据采集—传输—存储—管理—处理—可视化—共享服务的一体化系统,实现不同尺度的碳收支快速评估与模拟,支撑并促进我国陆地生态系统碳循环研究和生态信息学发展,对我国野外台站网络信息化起到引领和示范作用。     

全球变化与陆地生态系统研究：回顾与展望

全球变化与陆地生态系统相互关系的研究是国际地圈－生物圈计划（IGBP）的核心研究计划之一，也是整个全球变化的研究核心领域之一。该计划自上世纪八十年代启动以来，已经取得了一系列重要的研究成果，对于推动全球变化研究发挥了重要作用。中国学者在全球变化与陆地生态系统研究领域也开展了许多工作并取得了重要成绩。按照我国科学技术和社会经济发展的需求，本文提出了未来我国在该领域的研究重点，包括（1）中国陆地生态系统重要生命元素的代谢及其耦合机制研究；（2）全球变化敏感区域或重要样带上陆地生态系统对全球变化的影响研究；（3）我国的C、N、P、S生物地球化学循环与全球变化的关系研究；（4）发展中国特色的区域植被动态模型。     

氮输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响

碳氮作为陆地生态系统最关键的两大生源要素,它们在自然界的循环过程中不仅各自对全球变暖做出重要贡献,而且两者的循环过程显著耦合,互相影响各自的作用和效果。从氮元素对植物光合作用、呼吸作用以及土壤呼吸作用影响的角度入手,综述了氮输入对陆地生态系统碳固定和碳排放这两个碳循环关键过程的影响特征和机理,分析了陆地生态系统碳源汇对氮素变化响应的不确定性,在此基础上对未来的相关重点研究方向进行了探讨和展望。     

植硅体研究及其应用的讨论

植硅体是填充于高等植物细胞组织中的非晶质含水二氧化硅颗粒，记录了它所起源的植物细胞的特征，可以在土层或沉积物中很好地保存下来。通过植硅体的形态鉴定和确定组合带，可以恢复古植被、讨论植物群落演替，推断第四纪古气候环境及其变迁，指导地层划分对比。结合数学方法可以进一步计算出各种古环境气候的参数值，从而用以研究气候波动和发现气候事件，进行全球对比研究。在考古学、土壤学、农学和医学等领域，植硅体也得到了广泛的应用。     

麻类作物植硅体形态研究

大麻在中国被称为“五谷”之一,可纤用、油用、药用以及用于宗教活动等,在社会生活中发挥着重要的作用。由于早期大麻果实易腐烂灰化、不易保存,因此建立大麻的植硅体鉴定标准,对揭示其起源、驯化和传播过程具有重要意义。本研究对大麻(Cannabis sativa L.)、红麻(大麻槿)(Hibiscus cannabinus L.)、黄麻(Corchorus capsularis L.)、青麻(苘麻)(Abutilon theophrasti Medicus)、亚麻(Linum usitatissimum L.)、苎麻(Boehmeria nivea (L.)Gaudich.)等6种麻类作物的果实或种子进行了系统的植硅体形态研究,探寻具有鉴定意义的特征植硅体类型,为研究其起源、驯化和传播提供新的方法。将每份样品解剖出不同的部位,采用湿式灰化法对每个部位分别进行植硅体提取,并在光学显微镜和扫描电镜下分别进行观察分析。结果表明,发育植硅体的部位有：大麻的苞片和果皮、苎麻的果被和果皮、黄麻种皮以及青麻种皮,未见植硅体的部位有：红麻和亚麻的种子。仅有大麻果皮中存在典型形态特征的植硅体,如不规则多边疣粒板型(单体或聚合形态)、不规则多边平滑板型(单体或聚合形态)、双层嵌套板型。分析表明,大麻的不规则多边板型(包括不规则多边疣粒板型及不规则多边平滑板型)植硅体形态大小稳定,种内差异较小,且与木本植物、草本植物中形态类似的植硅体区别明显。综上,不规则多边板型植硅体为大麻特有的植硅体类型,可用于鉴定大麻的种属。其中,不规则多边疣粒板型植硅体形态特征更明显且产量更丰富,平均1g大麻果实的不规则多边疣粒板型植硅体产量可达10.2±0.4×10⁶粒,可作为鉴定大麻种属的主要特征植硅体,其主要特征为：1)单体为边缘棱角分明、正面具若干小型疣状突起、背面具0~3个大小相近的乳突的多裂片式不规则多边形板状结构,长度为15.4±2.3μm,宽度为10.8±1.7μm,厚度为6.2±1.0μm;2)由若干形态相同、大小相近的单体通过边缘裂片间隙拼合为片状平面拼图结构;3)与不规则多边平滑板型植硅体(长度为27.9±4.5μm,宽度为18.6±3.1μm,厚度为10.0±1.4μm)形成双层嵌套结构。进一步分析表明,大麻不同品种间不规则多边疣粒板型植硅体在形态大小上细微的差异与品种间果实形态大小差异以及气候条件无直接关系,推测其形态的种内差异可能是受局地土壤环境影响所致。

     

长白山区典型禾本科植物植硅体形状系数

运用植物植硅体的形状系数,对不同禾本科植物在亚科和种的水平上进行分类,可为深入理解植硅体的环境指示意义,提高古植被重建精度提供参考。本文选取长白山常见的10种禾本科植物,对其叶片进行植硅体分析,共统计并鉴定植硅体3037粒,对其中哑铃型、棒型、尖型、齿型、鞍型和硅化的气孔等植硅体的7个形状系数进行非参数检验,并在亚科水平和种的水平上分别进行判别分析。结果表明,3个亚科之间的形状系数SF4相差较大,故据SF4的平均值可在亚科水平上对植物进行区分。上述植硅体的形状系数在亚科水平上判别分析的正确率可达88.51%,且检验结果表明文中根据典型亚科植硅体形状系数所建立的判别方程是有效的; 利用哑铃型植硅体的7个形状系数则可以将黍亚科的植物区分到种,其判别分析结果显示总的正确率为73.12%; 根据棒型、尖型和齿型植硅体的7个形状系数也可以将早熟禾亚科的植物区分到种,其判别分析结果显示正确率分别为60.87%,59.21% 和87.07%。因此,通过典型植硅体的形状系数对植物进行分类,不但可以提高禾本科植物在亚科水平上分类的精确度,还可以根据植硅体的形状系数对禾本科进行进一步的分类。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

末次间冰期以来陆地生态系统的碳储量与气候变化

陆地生态系统的碳收支是全球气候变化和碳循环研究的核心内容之一.准确估算陆地生态系统的碳储量及其收支状况,对正确评价陆地生态系统在全球碳循环中的作用有重要意义.本文总结了近10年来各国研究者利用不同方法对陆地碳储量变化的研究进展,并对估算陆地碳储量的不确定性进行评价.同时,对陆地生态系统碳储量变化研究结果的分析表明,末次间冰期以来,全球陆地生态系统碳储量存在较大幅度的变化.在末次间冰期5e阶段、末次盛冰期和全新世中期,陆地生态系统碳储量分别为现在的l30～150%、50～85%和105～130%.并且,陆地生态系统碳储量与气候变化有显著的正相关性,但不同区域的生态系统碳储量随气候变化并非具有相同的变化规律.     

ENSO年代际变化对全球陆地生态系统碳通量的影响

使用动态植被陆面模式AVIM2,以NCEP (National Centers for Environmental Prediction)再分析气象资料作为大气强迫场,模拟了1953-2004年全球陆地生态系统净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP) 的空间分布及时间变化特征。结果得到,1953-2004年陆地生态系统NPP和NEP全球总量52 a的C平均值分别为65 Pg/a和1.2 Pg/a,NPP呈明显的上升趋势,而NEP的上升趋势不明显。虽然NPP和NEP的年代际增长趋势不同,但是在20世纪70年代中期,NPP和NEP的年代际变化都出现了一个明显的突变,突变点后的增长趋势都没有之前的增长趋势高。这是由于太平洋的年代际振荡(PDO)冷暖位相影响了厄尔尼诺与南方涛动（El Nin~o Southern Oscillation,ENSO)的年代际变化,对NPP和NEP的年代际变化也产生了重要的影响。1976年以前PDO处于冷位相年,增加了ENSO冷位相的强度和频率,使热带地区的气候偏凉爽湿润,从而利于NPP和NEP趋势增长,而1976年以后PDO进入暖位相年,El Nin~o发生频繁,赤道地区多为干热的气候异常,会降低NPP和NEP的增长趋势。     

植硅体形态测量学研究与应用概述

植硅体形态测量学是植硅体研究的重要方向之一,随着学科交叉研究的深入,植硅体形态测量学在植物分类与生态学、环境考古学、全球变化与生态响应等领域得到快速发展。综合已有研究成果表明,长鞍型植硅体形态测量学在日本、中国的竹亚科属一级竹类生态学具有独特的指示作用,而扇型和长鞍型形态测量学在中国西南西双版纳竹亚科木本竹子属一级分类中具有重要的参考价值;稻亚科扇型形态测量学可以有效区分籼稻与粳稻,且扇型鱼鳞状纹饰与颖壳双峰植硅体形态测量学结合可以准确判别亚洲栽培稻与普通野生稻;黍亚科树状表皮长细胞形态测量学被成功运用到区分中国西北黍和粟及其亲缘物种的关系,葫芦科南瓜属刻面球型植硅体形态测量学揭示了野生种、半驯化种和驯化种之间植硅体形态大小及其关系,证实南美洲低地地区早全新世出现的南瓜驯化历史;中国东北不同环境条件下的禾本科羊草、芦苇植硅体形态测量学研究反映了陆生植物对全球变化的生理生态响应,为研究陆地生态系统对全球变化的响应及古环境重建提供了重要参考。     

黄土高原平凉地区中全新世以来孢粉-植硅体记录对比研究

对位于甘肃省平凉县大寨村的平凉剖面(0–142 cm)进行年代测试、孢粉及植硅体分析。从孢粉角度反映8.50 Ka BP气候经历了冷干—凉干—偏凉偏湿—凉干—偏凉偏湿—偏凉偏干的变化过程。从植硅体的角度经历了凉湿—暖湿—暖湿(具有变冷的趋势)—凉湿—偏凉偏干的变化过程。选取含量较高且具有典型环境指示意义的四种科属孢粉(云杉属、松属、禾本科、蒿属)与四种类型植硅体(扇型、长方型、棒型、尖型)进行对比,结果表明:孢粉记录的气候与植硅体记录的气候特征总体趋势相同,但存在一定的差异。孢粉含量较为丰富的气候带与植硅体气候带有很好的对应关系,反映的气候类型较为准确;当孢粉带中其他花粉含量很少,仅含有较多传播能力强、不具代表性的花粉(如松属)时,孢粉指示的气候环境准确性较低。而植硅体样品在整个黄土剖面中含量都较高,反应的气候特征较为准确,因而在孢粉含量较少的黄土高原,相较于孢粉而言,植硅体是较为有效的古气候研究手段。     

中国东北森林区和草原区表土植硅体的植物群落代表性研究

文章系统研究了东北地区东部森林区和西部草原区41个样点表土植硅体及相应植物群落植硅体的关系,并据此定量校正了表土植硅体与植被、气候的数量关系。结果表明,不同植物群落下表土植硅体的组合特征与其地上植物群落间存在密切关联,依据表土植硅体可明显区分森林区木本群落和草原区草本群落。但表土中不同植硅体类型对地上植物群落的代表性不同。表土中帽型、哑铃型、尖型、扁平状、块状和扇型的含量高估了其在对应植物群落中的含量,在土壤中保存较好;毛发状、硅质突起型、硅化气孔、表皮植硅体对植物群落的代表性刚好与此相反;鞍型、齿型和棒型能够较准确地反映地上植物群落的信息,在土壤中保存较好。同时,东部森林区和西部草原区不同植物群落下表土中同一植硅体类型对地上植物群落的代表性也有所差别。东部森林区表土中帽型的含量高估了其在对应群落中的含量,棒型、块状和扇型可准确指示地上植物群落的信息,但西部草原区却与此刚好相反。基于此,依据植硅体的R值(表土植硅体含量与地上植物群落植硅体含量之比)校正了表土植硅体的含量,校正后的表土植硅体特征和干旱指数对地上植物群落特征和区域降水的响应更为敏感,表土植硅体组合特征能够更好地指示地上植物...     

青藏高原陆地生态系统碳汇估算: 进展、挑战与展望

陆地生态系统碳汇是实现碳中和的重要支撑。作为我国乃至亚洲的生态安全屏障, 青藏高原具有良好的生态资源、固碳增汇潜力大。本文系统梳理了青藏高原陆地生态系统碳汇现状与未来潜力估算。主要结果如下: 通过整合自下而上(清查法和生态系统模型)和自上而下(大气反演模型)不同方法的研究, 当前碳汇大小为每年26.5~33.7TgC, 占全国陆地生态系统碳汇的9.9 %~19.6 %; 未来气候暖湿化以及生态恢复与管理措施加强情景下, 到2060年碳汇有望实现倍增, 达到每年53.0~63.7TgC。但高原碳汇估算仍存在很大不确定性, 未来研究应聚焦在减少土壤碳汇不确定性、极端气候事件对碳汇功能影响、冻土碳库脆弱性、退化生态系统增汇潜力与途径、水体碳源汇功能和其他温室气体源汇功能等方面; 通过补齐高原关键区域观测短板、研发自然与人文耦合的生物地球化学模型、构建模型-多源观测数据融合系统, 以准确揭示青藏高原碳汇现状与未来趋势, 为青藏高原碳中和贡献先行示范区和生态文明高地建设提供参考与支撑。

     

陆地生态系统模型比较研究进展

陆地生态系统作为地球表层复杂系统中重要一环是全球碳氮循环研究的核心内容之一，在陆地生态系统研究中模型作为一种必不可少的手段备受关注。近年来，国际上发展了多种基于不同原理和目标的模型，其模拟结果也不尽相同。为了对这些模型进行比较研究，国际上开展了多个模型比较研究计划。本在筒述各种模型比较计划的基础上；阐述了目前国际上一些比较成功的模型的研究进展；指出模型的进一步发展必须建立在对生态系统各个组成要素、生态过程及其对气候变化的响应与反馈机制研究的基础之上。耦合大气、岩石圈、生物圈从机理上模拟碳氮动态，同时在进行区域或全球尺度评价时引入遥感、地理信息系统等手段，将是未来模型发展的趋势。