碳同位素在草地生态系统碳循环中的应用与展望

草地生态系统在全球碳循环研究中占有重要地位,目前,碳同位素技术已经被广泛地应用于草地生态系统碳循环研究中。本文阐述了碳同位素在草地土壤有机碳的来源、光合作用产物碳在草地生态系统中的分配、草地土壤有机质的周转及草地土壤呼吸研究方面的应用,重点论述了碳同位素在土壤呼吸方面的应用。应用碳同位素对土壤呼吸进行区分的方法主要包括13C自然丰度法、脉冲标记法、同位素稀释法、模拟根际沉积物法、14CO2动态模型法、根系分泌物洗涤法等。碳同位素技术对草地土壤和根干扰很小,方法相对成熟,为深入研究草地生态系统碳循环提供了巨大潜力。在我国,应用碳同位素方法研究草地生态系统碳循环在土壤有机碳的来源、分配及周转和土壤呼吸区分等方面有进一步研究的必要,也有进一步研究的发展空间。     

土壤垂直剖面的CO_2通量研究

土壤CO2释放通量是全球碳循环的重要流通途径之一,其动态变化直接影响全球C平衡.土壤CO2释放通量在时空上具有很大的变异性.传统研究只关注年、季之间以及水平空间上的土壤通量,对于垂直剖面的CO2通量变化关注较少.土壤释放到大气中的CO2是垂直方向上各个土壤层次共同产生的,因此对其垂直剖面CO2通量研究十分必要.根据近年来国内外最新的研究资料,综合介绍了土壤垂直剖面CO2通量变化以及其影响因素的变化规律,并分析研究中存在的问题.由于土壤垂直剖面的复杂性,对于研究其CO2通量的变化还存在着方法上的困难;使用气体扩散理论计算各层间的通量是否能真正反应自然状态下CO2在土壤中的传输,以及土壤温度、含水量和微生物等因素对通量的影响机理尚不明确.     

利用稳定性同位素区分河岸C4草地生态系统夜晚碳通量

河岸生态系统在全球碳循环过程中起着重要作用。涡度相关技术虽然能够被用来测量整个生态系统的净碳通量,但是,把净碳通量区分为组分通量的贡献将显著提高人们对生态系统碳循环的理解。稳定性同位素技术能够把净碳通量区分为具有不同同位素特征的组分通量。实验结果表明,因为考虑了同位素及CO2在取样和分析过程中的不确定性,与传统的Ordinary Least Square法相比,Bayesian法所获得的生态系统夜间呼吸释放CO2的同位素值（δ^13CR）显著减小了标准误差。δ^13CR具有明显的季节变化,并且受土壤含水量和大气水汽压亏缺（VPD）的影响。δ^13CR与土壤含水量之间存在着正相关关系,而与VPD之间存在着负相关关系。2006年和2007年生长季,以及2005年旱季,土壤呼吸对夜晚河岸C4草地生态系统呼吸的贡献约为80％。2005年雨季,土壤呼吸只占河岸C4草地生态系统呼吸的40％左右。年际间土壤呼吸的贡献率的变化很有可能是2006年的水淹造成的。因为,通过沉降作用,水淹可以为C4草地生态系统提供额外的可供微生物分解的有机质。     

陆地表层碳循环与温度反馈机制研究

在考虑人类活动及陆地表层碳循环各要素反馈关系的基础上 ,建立了陆地表层碳循环零维模型 ,对陆地表层碳循环与温度反馈机制进行了研究。零维模型研究碳在陆地表层生物、残落物、土壤有机质、大气中的流动 ,把人类活动及海洋对碳循环的影响作为一种外在强迫加以考虑。它较好地反映了 186 0年至 1997年人类活动对碳循环的影响及温度对碳循环的反馈关系 ,它模拟的大气CO2 含量的变化与实际观测值相近 ;模拟的地表年平均温度的变化趋势与实际观测值及同行的研究结果一致     

湿地生态系统碳通量研究进展

湿地碳循环在全球气候变化中起着重要作用,而湿地碳通量研究是湿地碳循环研究的关键问题。由于湿地独特的土壤、植被以及水文过程,使得湿地碳通量有别于其他类型的生态系统。湿地温室气体特别是CO2和CH2的释放水平具有明显的时空变化特征,其通量变化与许多外部因素相关,包括土壤状况、水文条件、植被类型、外源氮等。对近年来湿地生态系统碳汇功能变化以及影响碳通量相关因子的研究成果进行了系统的分析和综述。现有的研究表明,土壤状况对湿地碳通量影响较复杂,在一定范围内,表层土壤温度与气体排放密切相关,甚至呈正相关关系;土地利用／覆盖也影响湿地碳通量变化,导致湿地温室气体排放增加;水文条件特别是水位高度对湿地CO2和CH2排放的影响不同,高水位不利于CO2排出,CH2则与之相反;植被对湿地碳排放也起到正、负两方面作用,并且物种各异。还讨论了湿地碳通量研究进展的瓶颈问题,特别对植被演替较快的潮滩湿地碳通量研究做了展望。     

我国草地生态系统碳循环研究进展

文中首先分析了草地生态系统在碳循环研究中的地位和重要性,进而对我国草地生态系统碳循环的研究现状作了较为详尽的阐述,包括植物、凋落物、土壤三大碳库以及主要含碳温室气体通量等,对其主要研究结论进行了深入的剖析。同时提出了今后我国草地生态系统碳循环的重点研究方向和研究领域。     

基于稳定同位素技术的土壤碳循环研究进展

植物和土壤是陆地生态系统的重要碳库,而碳同位素技术对各碳库中碳元素的迁移具有很好的指示作用,能够为碳转化研究提供有力证据。以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用,但干旱区土壤无机碳在区域碳循环过程中的贡献日益显著,因此干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。基于碳稳定同位素技术的土壤有机碳循环研究和土壤无机碳动态及其碳同位素研究进展,探讨土壤无机碳与有机碳的转化关系,并对干旱区土壤碳循环研究进行展望,期望从稳定同位素生态学的角度探讨干旱区土壤有机碳和无机碳的转化关系,以推动干旱区土壤碳循环研究,揭示干旱区碳循环过程及其在全球碳循环中的作用。     

中国北方干旱半干旱区表土的有机质碳同位素、磁化率与年降水量的关系

古土壤和湖泊中的有机质碳同位素与磁化率指标被广泛应用于古气候的重建。但由于各地自然条件的差异,其气候意义具有一定的区域性。通过对中国秦岭到内蒙古北部的中蒙边境(34°N～43°N)连续剖面上的102个采样点的表层土壤样品的有机质碳同位素和磁化率进行测定,并搜集了该区域部分站点的降水资料。研究表明有机质碳同位素波动在-22‰～-30‰之间,其碳同位素值与降水量存在显著的线性负相关关系。磁化率与年均降水量也存在显著的函数关系,总体上磁化率随着年降水量的增加而增加。研究进一步证明,在中国干旱和半干旱区,表土中的有机质碳同位素δ13C和磁化率对年降水量具有显著的指示作用,因此可以用古土壤中的有机质碳同位素和磁化率作为代用指标,来反映古降水的变化。     

影响草地土壤呼吸的主要自然因子研究现状

草地生态系统作为陆地生态系统的主体生态类型之一,脆弱的生态环境与频繁的人类活动使之较其他生态系统对全球气候与环境变化的响应更为迅速。草地土壤通过土壤呼吸作用向大气释放CO2是草地生态系统碳循环中最主要的一个环节,土壤呼吸量直接决定了土壤中碳素周转的速度。综合介绍了国内外草地土壤呼吸的研究现状,特别分析了一些自然因素对草地土壤呼吸的影响,对未来测定土壤呼吸的方法提出建议。     

短期乔木林灌木林和草地演替的土壤剖面13C分布特征

以短期的植被更替如何影响土壤剖面的13C富集以及这些富集现象揭示的土壤碳循环机理为目的,采集云南省曲靖地区发生植被演替的山地土壤剖面5组,分别测定了稳定碳同位素比值(δ13C)、总有机碳含量(TOC)和碳密度,并比较了它们之间的差异。研究发现:短期植被改变(约10年)对土壤剖面中0~30 cm层的δ13C值具有显著影响,其中对0~10 cm层土壤影响最大。灌木更替为森林和草地后土壤有机质的δ13C变化分别达2.28‰和5.08‰。30~50 cm层土壤δ13C值对植被改变不敏感,该层可以作为土壤剖面的基准剖面层。大气δ13C值变化不是森林土壤0~50 cm剖面层中13C随深度减小而富集的主要原因。10年间,植被从灌木演替为人工种植的麻栎乔木或从灌木植被退化为草本植被,0~30 cm层土壤剖面的有机碳密度改变量分别为2.30 kg/m2和-1.00 kg/m2。而植被从灌木到人工种植麻栎的碳密度改变率为0.230 kg/m2/a,这对改变山地土壤的碳密度、短期增加碳储量具有重要意义。δ13C在C3植被的短期演替过程中具有很好的辨识力,可以作为土壤碳库更替和碳循环的研究工具。     

长江口盐沼土壤有机质更新特征的滩面趋势

通过对长江口崇明东滩高潮滩、中潮滩以及光滩柱状样的有机元素(C、N)含量与碳稳定同位素组成(δ13C)、粒度组成等的测定,研究盐沼土壤有机质更新特征及其滩面趋势.结果表明,长江口盐沼土壤POC-δ13C相关特征与山地土壤剖面上部土层的基本类似,盐沼土壤有机质主要源于长江流域表层土壤,有机质年龄不足100年.不同高程柱样TN-C/N、POC-TIC与POC-δ13C关系特征表明盐沼土壤有机质更新程度普遍较低,有机质更新特征呈明显的滩面变化趋势.光滩有机质基本反映沉积母质特征,更新程度极低;中、高潮滩有机质更新作用已经发生,随着滩面演变,处于不同更新阶段的有机质组分混杂程度提高.盐沼滩面过程塑造垂向沉积层序,层序中独特的沙、泥纹层构造导致物质上下运移困难,有机质更新作用受到抑制.盐沼滩面过程直接影响有机质的累积与更新,对于有机质更新的时空特征具有显著制约.     

长江口盐沼土壤有机质更新特征的滩面趋势

Characteristics and tidal flat trends of soil organic matter （SOM） turnover were studied for the Chongmingdongtan Salt Marsh in the Yangtze River estuary, based on analyses of stable carbon isotope composition （δ^13C）, grain sizes and contents of particulate organic carbon （POC）, total nitrogen （TN） and inorganic carbon （TIC） for three cores excavated from high tidal flat, middle tidal flat and bare flat. Results demonstrate that correlations between soil POC contents and δ^13C values of the salt marsh cores were similar to those between soil organic carbon （SOC） contents and δ^13C values of the upper soil layers of mountainous soil profiles with different altitudes. SOM of salt marsh was generally younger than 100 years, and originated mainly from topsoil erosions in catchments of the Yangtze River. Correlations of TN content with C/N ratio, POC content with TIC content and POC content with δ^13C values for the cores suggest that turnover degrees of SOM from the salt marsh are overall low, and trends of SOM turnover are clear from the bare flat to the high tidal flat. Bare flat samples show characteristics of original sediments, with minor SOM turnover. Turnover processes of SOM have occurred and are discernable in the high and middle tidal flats, and the mixing degrees of SOM compartments with different turnover rates increase with evolution of the muddy tidal flat. The exclusive strata structure of alternate muddy laminae and silty laminae originated from dynamic depositional processes on muddy tidal flat was a great obstacle to vertical migration of dissolved materials, and SOM turnover was then constrained. The muddy tidal flat processes exerted direct influences on sequestration and turnover of SOM in the salt marsh, and had great constraints on the spatial and temporal characteristics of SOM turnover of the Chongmingdongtan Salt Marsh in the Yangtze River estuary.     

Temperature Affects New Carbon Input Utilization by Soil Microbes: Evidence based on a Rapid δ13C Measurement Technology

Strong and rapid responses of soil microbial respiration to pulses, such as those from available soil organic matter (SOM) or water input from precipitation (especially in arid areas), are common. However, how soil microbes utilize new SOM inputs and the effects that temperature may have on their activities are unclear owing to the limitation in the application of traditional isotopic techniques at minute scales. In the present study, we developed a system of measuring ¹²CO₂ and δ¹³C minutely and synchronously under controlled incubation temperatures, i.e., for 48 h at 7, 10, 15, 20, and 25 °C, to explore the carbon utilization strategies of soil microbes. We measured the respiration rates of soil microbes in response to different carbon sources, i.e., added glucose (Rg) and initial SOM (Rs), as well as the total respiration rate (Rt). All responses were rapid and characterized by unimodal curves. Furthermore, the characteristic values of these curves, such as the maximum of rate (R-max), the time required to achieve R-max, and the ratio of the duration of R-max to that of 1/2 R-max, were all dependent on incubation temperature. Interestingly, temperature greatly influenced the strategy that microorganisms employed to utilize different carbon sources. The effects of temperature on the intensity of the microbial respiratory response and the ratio of Rg/Rs are important for evaluating the effect of land-use changes or variations in seasonal temperature on SOM turnover and should be considered in ecological models in future studies.     

区域尺度土壤固碳量估算方法评述

增加陆地生态系统碳汇已成为一项重要的减排手段,被纳入有关国际气候变化协定。区域尺度土壤固碳量估算成为当前研究的热点与难点。本文综述了目前国内外常用的区域土壤固碳量估算方法,并依据估算精度与方法差异将这些方法总结为四类:简易模型、清查法、经验模型和基于GIS的机理模型。同时对这四类方法的特点和适用性进行了评述,建议根据研究地区及目的不同选择合适的方法。此后,通过分析土壤固碳机理、数据收集、尺度推移、情景分析和土壤有机质机理模型发展等与区域土壤固碳量估算密切相关的各方面中存在的不足,提出今后区域尺度土壤固碳量估算方法将向耦合土壤有机质机理模型、土壤可溶性碳模型、土地利用模型和区域水文模型的基于GIS平台的区域综合模型方向发展。     

基于环境相关法的土壤属性空间分布特征研究——以黄土丘陵沟壑区小流域为例

在横山县朱家沟小流域采集111个样点,分析土壤属性与地形因子相互关系,进行空间预测分析。结果表明:土壤密度与复合地形指数CTI显著正相关,土壤有机质与复合地形指数CTI、汇流动力指数SPI、沉积物运移指数STI显著负相关,全磷只与坡度β显著负相关。多元线性逐步回归模型对于土壤密度和有机质拟合较好,而对于全磷,预测结果较差;回归-克里格预测有效地减小了残差,消除了平滑效应,预测极差更宽,对于局部的变异及地形、土地利用的关系体现更为细化,提高了预测精度。     

气候变化、火干扰与生态系统碳循环

 随着全球变暖的日益显著,气候变化及其影响越来越受到广泛关注。火干扰作为森林生态系统碳循环的一个重要组成部分,其干扰过程是对碳的再分配过程,因而对区域乃至全球的碳循环产生重要影响。气候变化、火干扰与生态系统碳循环三者之间存在因果循环关系,正确认识气候变化与火干扰的复杂关系及双向反馈作用,以及火干扰在生态系统碳循环中的作用,这对制定科学合理的火干扰管理策略,提高生态系统管理水平,减少碳排放,促进碳增汇,减缓全球变化速率均有重要意义。从两个方面阐述了气候变化、火干扰与生态系统碳循环之间的交互作用关系：气候变化与火干扰相互影响关系及双向反馈作用,分别从气候变化对火干扰的影响及火干扰对气候变化的影响两个方面阐述了两者之间的相互影响关系;火干扰与森林生态系统碳循环的交互作用,分别从火干扰对森林生态系统碳循环的影响及模型方法在模拟火干扰对森林生态系统碳循环影响中的应用两个方面论述火干扰对森林生态系统碳循环的影响及其定量评价模型方法。目前火干扰直接碳排放的模型方法比较完善,而间接影响碳循环的模型方法并不成熟,许多方法局限于定性描述,因此,应进一步探讨集成实地测量、遥感观测和模型模拟的跨尺度火干扰对碳循环的影响研究,注重尺度的转换问题。最后,提出了气候变暖背景下火干扰管理的路径选择,以及对今后的研究方向进行了展望。     

中国陆地生态系统的碳储量及其空间格局(英文)

地球系统的碳库变化和碳循环过程机制是气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策的科学基础,受到科技界和国际社会的广泛关注。从20世纪80年代中后期开始,中国学者就开展了陆地生态系统碳循环研究工作,并且在许多研究领域都取得了可喜的进展。本文在回顾中国的陆地生态系统碳循环研究发展历程基础上,重点评述陆地生态系统的碳储量及其空间格局方面的研究成果,评价有关研究的不确定性以及亟待解决的重要科学问题。分析表明,中国的陆地生态系统碳循环研究经过了陆地生态系统碳循环的前期研究、区域尺度生态系统碳循环综合研究、生态系统碳循环过程对环境变化适应性实验研究,以及生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理研究4个主要发展阶段。大多的研究表明,中国陆地生态系统碳储量及其空间格局是温度和降水控制的。全国土壤、森林和草地植被储存约为97.95 —118.93 Pg C;自20世纪70年代中期以来,我国的植树造林和林业管理、草地保护、农作制度改革和保护性耕作等措施发挥了重要的固碳功能,但是各种方法评估的结果仍然存在较大不确定性。今后的研究重点工作是建立天地空一体化碳储量和碳汇动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国区域生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

土壤粗有机质的研究进展

土壤粗有机质是土壤中较为活跃的组分, 其密度组分对土壤有机质总矿化量有着重要贡 献, 可以作为评价管理措施转变引起土壤有机质短期变化的敏感性指标。分别介绍了按照不同的 物理分组方法划分的土壤有机质各物理组分的概念、土壤粗有机质及其分离方法, 探讨了影响土 壤粗有机质数量的主要因素( 管理措施、土地利用方式、土壤质地和气候条件) 和当前在研究土壤 粗有机质过程中存在的问题: ( 1) 各影响因素引起的土壤有机质变化的机制还不确定; ( 2) 土壤粗 有机质的分离方法还有待深入研究; ( 3) 粗有机质对土壤有机氮矿化的贡献认识还存在分歧。指 出探求更好的土壤粗有机质的分离方法和粗有机质对各影响因素的响应机制, 揭示土壤粗有机 质对土壤氮矿化的贡献是今后的主要研究方向。     

1980—2015年风蚀影响下中国北方土壤有机质与养分流失时空特征

中国北方干旱/半干旱区是全球主要的沙尘源区之一,风蚀造成的沙尘排放可导致大量的土壤有机质（SOM）与养分流失,并通过传输与沉降过程对其进行空间再分配,对空气质量、气候变化、植被生长及生物地球化学过程等具有重要影响。本文利用WRF/Chem（Weather Research Forecasting with Chemistry）v3.7.1大气化学传输模型,对1980—2015年间中国北方沙尘排放及其引起的SOM、全氮（TN）与全磷（TP）的时空变化过程进行了精细化模拟,探究了中国北方风蚀引起的SOM、TN与TP养分流失的时空变化特征。结果表明：① 1980—2015年来平均每年约有66.59 Tg的沙尘颗粒排放至大气;② 沙尘排放具有较大的时空差异,沙尘排放源区主要集中在新疆东部、内蒙古西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等地区;③ 每年因沙尘排放引起的SOM、TN和TP流失量分别约为0.07 Tg、0.004 Tg和0.005 Tg;④ 1980—2015年间中国北方沙尘排放及其引起的SOM、TN与TP的流失量具有较强的年际波动,未呈现显著的趋势性变化特征。本研究对于认知风蚀在碳循环与养分循环过程中的作用,以及对深入了解中国北方的土地退化机理具有重要意义。