土壤碳排放组分区分的研究进展

土壤呼吸作为全球碳循环的一个重要组成部分,是理解地下碳排放过程与土壤有机碳稳定性的关键环节。然而,土壤呼吸是由不同组分构成,目前对有关土壤呼吸的许多关键术语尚存在理解片面和使用不当问题,阻碍了相关土壤碳循环的研究进程。本文针对此现状,分别从土壤呼吸各组分所利用的碳源、产生的部位与途径等方面综合分析了国内外土壤碳排放的研究进展及对陆地生态系统地下碳排放过程的认知,并对所涉及的相关术语进行梳理与界定。在此基础上,阐释了土壤呼吸各组分对大气CO_2浓度的贡献及其对全球变暖的响应;结合当前有关土壤碳循环的研究热点,强调了区分陆地生态系统土壤呼吸各组分的必要性与生态重要性,指出深入研究根际激发效应发生机制是破译未来生态系统地下碳循环过程的关键。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。     

草地生态系统土壤呼吸对放牧干扰的响应研究进展

草地占地球陆地总表面积的40%, 是陆地生态系统的主体类型之一。草地生态系统碳贮量大, 土壤呼吸又是陆地生态系统将碳释放到大气的重要环节, 这类生态系统土壤呼吸对全球碳循环的贡献不可忽视。研究草地生态系统环境变化和人类活动干扰对土壤呼吸的影响对于估算未来碳循环前景和气候变化具有重要意义。放牧是人类对草地生态系统最重要的利用和干扰方式, 在全球变化背景下, 近年来草地生态系统土壤呼吸对放牧干扰的响应成为碳循环研究中的一项重要内容。现有研究结果显示, 土壤呼吸对放牧干扰的响应具有一定的不确定性, 其原因同这一过程所涉及的复杂机制有关。这些机制包括: 放牧改变了植物凋落物的产量和质量、植物同化产物的分配和根系生物量、微生物生物量和多样性、与呼吸有关的酶的活性、土壤养分状况、土壤温度和水分状况等。对于土壤呼吸及其组分而言, 上述机制有的具有促进作用, 有的具有抑制作用, 且在不同时间和地点起主导作用的机制各不相同, 从而在放牧干扰的作用下, 土壤呼吸会呈现出升高、降低或无反应等多种结果。由于根据现有这些不一致的结果, 无法精确估算人类的放牧干扰活动对全球碳循环的影响, 因此, 今后要从土壤呼吸各个组分的区分入手, 量化解析放牧干扰对土壤呼吸影响的机制过程及构建机理模型等方面加强该领域的研究。     

干湿交替下草地生态系统土壤呼吸变化的微生物响应机制研究进展

草地是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,对全球碳循环和气候调节有着重要的作用和效应.我国拥有极为丰富的草地资源,是巨大的陆地碳储存库,也是全球碳循环重要组成部分.干湿交替是土壤中普遍发生的自然现象,这种现象的发生可能会加速土壤的碳矿化过程、激增土壤呼吸以及影响微生物的活性和群落结构等.在全球变化日趋显著的背景下,降雨量、降雨强度以及降雨频率的变化将会加速土壤干湿交替进程,进而带来微生物活性、群落结构以及土壤呼吸的变化,并对全球碳循环过程产生重要影响.本文综述了近十年来国内外的相关文献,对干湿交替条件下,土壤释放CO₂消耗碳源、土壤呼吸随时间的动态变化趋势以及土壤呼吸与微生物量、微生物活性和微生物群落结构之间的关系进行了分析和总结,以期为更好地理解干湿交替过程中草地生态系统土壤呼吸的微生物学响应机制,更准确地预测和评估未来的全球陆地生态系统的碳收支与气候变化提供一定的理论基础.     

陆地生态系统碳水循环的相互作用及其模拟

回顾了近年来陆地生态系统碳循环与水循环相互作用及模拟方面的进展,指出了今后该领域研究的重点和发展方向。陆地生态系统碳水循环是两个相互耦合的生态学过程,二者及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响,并对气候系统具有强烈的反馈作用,因而成为当前全球变化研究的热点。近年来,国内外开展了大量观测和模拟研究,分析了碳循环和水循环在不同时空尺度上的相互作用及其对环境因子和土地利用/覆被变化的响应,发现土壤水分条件对陆地生态系统碳循环的主要分量（光合和呼吸）均具有显著作用,但作用的强度在不同的生态系统存在差异。精确模拟土壤水分动态及其对碳循环的影响是陆地生态系统碳收支估算的基础,碳循环和水循环的耦合模拟是生态和水文模型发展的方向。目前,大部分模型在模拟土壤水分动态时,未考虑地形对土壤水分水平移动的影响,土壤水分对土壤异养呼吸影响的模拟也多采用经验性模型,制约了碳收支模拟的精度,需要加以解决。     

陆地生态系统地下碳输入与输出过程研究进展

生态系统地下碳输入与输出过程是陆地生态系统碳分配和转化的核心,并直接影响着全球碳循环。陆地生态系统凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸是地下碳输入与输出过程中的重要组成部分。由于这些组分非常复杂且其研究技术和方法受到限制,目前人们对陆地生态系统地下碳输入与输出过程尚缺乏全面的认识,故在陆地生态系统碳循环研究中存在诸多的不确定性。该文概述了凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸的研究方法,以及它们对气候变化的响应,探讨了陆地生态系统地下碳输入与输出过程中的研究难点,并对未来需要深入探究的一些领域进行了展望。     

土壤呼吸对降雨变化和氮沉降交互作用响应的研究进展

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的关键过程,对大气CO₂浓度变化有直接影响。研究其如何响应降雨变化、氮沉降增加等全球变化因子,成为近年全球变化领域的热点与难点。与土壤呼吸响应降雨变化或氮沉降增加单个因子相比,研究土壤呼吸对这两个因子交互作用的响应更接近真实的自然环境,可更准确地预估未来土壤碳排放的变化趋势。目前,相关研究涉及全球不同的陆地生态系统,从土壤、微生物和植物层面对其响应机理进行揭示。本文从土壤呼吸及其组分、相关的土壤性质、微生物及植物因素方面,较全面地梳理了不同陆地生态系统土壤呼吸响应降雨变化和氮沉降增加交互作用的研究进展,指出了现有研究中的不足及今后需加强的研究方向,以期为进一步揭示土壤呼吸对降雨变化和氮沉降增加交互作用的响应规律及机制提供参考。     

土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用

土壤溶解性有机碳(DOC)是有机碳库的活跃组分,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.本文从碳循环重要性着手,综述了土壤DOC在土壤碳固持与温室气体排放中的作用;结合我国的现实情况(如土壤酸化、气候变暖等),探讨了土壤DOC的相关影响因素如土壤性质、环境因素、人为活动对土壤DOC的影响及作用机制,对进一步理解土壤DOC在陆地生态系统碳循环与温室气体减排中的作用具有重要意义.     

土壤呼吸组分分离技术研究进展

分离土壤呼吸组分是理解陆地生态系统碳循环的重要步骤,研究农田生态系统土壤呼吸组分的呼吸过程和机理对促进农业温室气体减排和碳汇增加、气候变化适应、保障粮食安全以及推动农业可持续发展都具有积极意义。本文综述了近年来土壤呼吸组分分离的理论依据、主要技术及分类,系统比较了现有技术优势、劣势和应用领域,并总结了土壤呼吸组分分离技术在国内外农田生态系统中的应用情况。由于多数分离技术在森林生态系统的相关研究中发展而来,它们在农田生态系统的应用十分有限,目前应用以同位素法、根分离法和回归法为主。由于土壤呼吸理论划分和分离方法的差异,不同研究结果之间往往难以比较。分离技术的发展有赖于土壤呼吸源分离理论的进一步发展,未来土壤呼吸组分分离研究的主要方向在于：（1）利用现有观测技术促进组分集成分析法和根分离法在农田生态系统中的应用,强化土壤呼吸组分和环境因子的同步观测,准确评估农田碳收支;（2）利用定位观测数据开展大尺度模型研究,改进和重构现有全球碳模型的碳氮过程,并在其中考虑重要的土壤呼吸过程;（3）利用FACE试验评估气候变化对土壤呼吸组分的影响和土壤-植物碳循环的适应机制;（4）分析呼吸组分与植物-土壤-养分的交互作用,评估农田管理措施的综合影响。     

三源区分土壤呼吸组分研究

三源区分土壤呼吸组分是指将土壤呼吸区分为纯根呼吸、根际微生物呼吸和土壤有机质呼吸3个部分。土壤有机质呼吸、纯根呼吸和根际微生物呼吸是3种不同的生物学过程,这3种呼吸对环境变化具有不同的响应机制。区分土壤呼吸中由根系引起的自养和异养呼吸组分的研究对定量评价陆地生态系统碳平衡具有重要的意义。论述了三源区分土壤呼吸组分的意义、方法和应用,分析了不同条件下土壤呼吸组分区分的研究结果。实验室纯根和根际微生物呼吸占根源呼吸比重约为45%和55%;野外条件下约为60%和40%。最后对本研究未来的发展方向进行了展望。     

Allometric constraints on,and trade‐offs in,belowground carbon allocation and their control of soil respiration across global forest ecosystems

To fully understand how soil respiration is partitioned among its component fluxes and responds to climate, it is essential to relate it to belowground carbon allocation, the ultimate carbon source for soil respiration. This remains one of the largest gaps in knowledge of terrestrial carbon cycling. Here, we synthesize data on gross and net primary production and their components, and soil respiration and its components, from a global forest database, to determine mechanisms governing belowground carbon allocation and their relationship with soil respiration partitioning and soil respiration responses to climatic factors across global forest ecosystems. Our results revealed that there are three independent mechanisms controlling belowground carbon allocation and which influence soil respiration and its partitioning: an allometric constraint; a fine‐root production vs. root respiration trade‐off; and an above‐ vs. belowground trade‐off in plant carbon. Global patterns in soil respiration and its partitioning are constrained primarily by the allometric allocation, which explains some of the previously ambiguous results reported in the literature. Responses of soil respiration and its components to mean annual temperature, precipitation, and nitrogen deposition can be mediated by changes in belowground carbon allocation. Soil respiration responds to mean annual temperature overwhelmingly through an increasing belowground carbon input as a result of extending total day length of growing season, but not by temperature‐driven acceleration of soil carbon decomposition, which argues against the possibility of a strong positive feedback between global warming and soil carbon loss. Different nitrogen loads can trigger distinct belowground carbon allocation mechanisms, which are responsible for different responses of soil respiration to nitrogen addition that have been observed. These results provide new insights into belowground carbon allocation, partitioning of soil respiration, and its responses to climate in forest ecosystems and are, therefore, valuable for terrestrial carbon simulations and projections.     

增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响

草地生态系统作为世界陆地生态系统的主体类型,其土壤呼吸和生态系统呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,土壤呼吸是未经扰动的土壤由于代谢活动而产生CO2的过程,生态系统呼吸包括地下部分的土壤呼吸和地上部分植被的自养呼吸。研究增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响,可为预测未来气候变化条件下的全球碳收支以及草地的可持续经营与管理提供重要的科学依据。该文扼要综述了关于草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应方面的研究。结果表明:草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应非常复杂,受多种因素的综合影响,无论是增温还是放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响均具有不确定性,因草地类型、增温幅度、增温时间、放牧强度、放牧频度和放牧方式的不同而不同。在此基础上,指出了以后应加强研究的方向,草地的利用离不开放牧,对于未来气候变化条件下的草地,温度升高和放牧这两个因素必然是同时存在的,以前多数实验是单独研究增温或放牧对它们的影响,然而,这两者对草地生态系统的影响并非可加的,因此,需要加强增温与放牧的耦合试验,同时加强关于生态系统呼吸不同组分对两者的响应的研究,以便更好地理解增温和放牧的影响机制。另外,草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应会随着时间的推移而发生变化,因而加强长期连续的试验观测很有必要。     

土壤呼吸对温度升高的适应

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一 ,其对温度升高的敏感程度在相当大的程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。土壤呼吸对温度升高的适应是个比较普遍的现象 ,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长 ,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。产生这一现象的机制包括影响因子主导地位的转移和温度以外其他因子的协同变化。土壤呼吸对温度升高的适应可以视为碳循环对全球变暖的负反馈效应 ,它可能会在一定程度上缓和陆地生态系统对全球气候系统之间的耦合作用 ,并且导致土壤呼吸对全球温度升高响应的时空差异。由于目前生态系统模型多数没有考虑土壤呼吸的对温度升高的适应性 ,而采用统一的 Q1 0 值 ,其对未来土壤呼吸和未来气候变化幅度的预测可能存在偏差     

Warming Reduces Carbon Losses from Grassland Exposed to Elevated Atmospheric Carbon Dioxide

The flux of carbon dioxide (CO₂) between terrestrial ecosystems and the atmosphere may ameliorate or exacerbate climate change, depending on the relative responses of ecosystem photosynthesis and respiration to warming temperatures, rising atmospheric CO₂, and altered precipitation. The combined effect of these global change factors is especially uncertain because of their potential for interactions and indirectly mediated conditions such as soil moisture. Here, we present observations of CO₂ fluxes from a multi-factor experiment in semi-arid grassland that suggests a potentially strong climate – carbon cycle feedback under combined elevated [CO₂] and warming. Elevated [CO₂] alone, and in combination with warming, enhanced ecosystem respiration to a greater extent than photosynthesis, resulting in net C loss over four years. The effect of warming was to reduce respiration especially during years of below-average precipitation, by partially offsetting the effect of elevated [CO₂] on soil moisture and C cycling. Carbon losses were explained partly by stimulated decomposition of soil organic matter with elevated [CO₂]. The climate – carbon cycle feedback observed in this semiarid grassland was mediated by soil water content, which was reduced by warming and increased by elevated [CO₂]. Ecosystem models should incorporate direct and indirect effects of climate change on soil water content in order to accurately predict terrestrial feedbacks and long-term storage of C in soil.     

气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

全球变暖背景下土壤微生物呼吸的热适应性:证据、机理和争议

土壤微生物呼吸的热适应性被认为是决定陆地生态系统对全球变暖反馈作用的潜在重要机制,可能显著改变未来的气候变化趋势,然而学术界对于这一机制是否真实存在尚有分歧。阐述了土壤微生物呼吸的热适应性概念,从证据、机理和争议3方面对已有研究进展进行了综述和分析。土壤微生物呼吸的热适应性是微生物在群落尺度上对温度变化的适应性,具有坚实的生物学与生态学理论基础,研究者们运用各类指标已在许多实验中证实土壤微生物物种及群落的呼吸过程能够在高温环境产生适应性变化。土壤微生物呼吸的热适应性机理涉及生物膜结构变化、酶活性变化、微生物碳分配比例变化和微生物群落结构变化等方面。关于土壤微生物呼吸热适应性的争议可能是由研究方法、微生物物种及环境条件的差异引起的。根据对已有研究的分析,认为土壤微生物呼吸的热适应性是真实存在的,未来的研究可进一步探索土壤微生物呼吸的热适应性机理,深入研究环境和全球变化对土壤微生物呼吸的热适应性影响,定量评估土壤微生物呼吸的热适应性对陆地生态系统反馈过程的影响。     

Decadal warming causes a consistent and persistent shift from heterotrophic to autotrophic respiration in contrasting permafrost ecosystems

Soil carbon in permafrost ecosystems has the potential to become a major positive feedback to climate change if permafrost thaw increases heterotrophic decomposition. However, warming can also stimulate autotrophic production leading to increased ecosystem carbon storage—a negative climate change feedback. Few studies partitioning ecosystem respiration examine decadal warming effects or compare responses among ecosystems. Here, we first examined how 11 years of warming during different seasons affected autotrophic and heterotrophic respiration in a bryophyte‐dominated peatland in Abisko, Sweden. We used natural abundance radiocarbon to partition ecosystem respiration into autotrophic respiration, associated with production, and heterotrophic decomposition. Summertime warming decreased the age of carbon respired by the ecosystem due to increased proportional contributions from autotrophic and young soil respiration and decreased proportional contributions from old soil. Summertime warming's large effect was due to not only warmer air temperatures during the growing season, but also to warmer deep soils year‐round. Second, we compared ecosystem respiration responses between two contrasting ecosystems, the Abisko peatland and a tussock‐dominated tundra in Healy, Alaska. Each ecosystem had two different timescales of warming (<5 years and over a decade). Despite the Abisko peatland having greater ecosystem respiration and larger contributions from heterotrophic respiration than the Healy tundra, both systems responded consistently to short‐ and long‐term warming with increased respiration, increased autotrophic contributions to ecosystem respiration, and increased ratios of autotrophic to heterotrophic respiration. We did not detect an increase in old soil carbon losses with warming at either site. If increased autotrophic respiration is balanced by increased primary production, as is the case in the Healy tundra, warming will not cause these ecosystems to become growing season carbon sources. Warming instead causes a persistent shift from heterotrophic to more autotrophic control of the growing season carbon cycle in these carbon‐rich permafrost ecosystems.     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。