植物群落向土壤有机碳输入及其对气候变暖的响应研究进展

植物群落作为陆地生态系统土壤有机碳的主要来源,可通过地表凋落物分解、细根周转和根系分泌物等方式将光合作用同化的碳输入到土壤中。全球气候变暖正深刻地影响植物群落的分布、结构与功能,改变森林地上和地下凋落物产量与分解速率和根系分泌过程,从而改变植物群落向土壤输入有机碳数量。本文综述了植物群落向土壤有机碳输入过程及其对气候变暖的响应研究进展。研究表明,气候变暖可通过影响植物群落生产直接影响凋落物产量和根系分泌过程,还可通过改变凋落物分解环境条件、凋落物基质质量和分解者群落结构与活性等非生物与生物因子而间接作用于凋落物向土壤有机碳输入过程。气候变暖还可通过影响植物根系性状、根系分泌物化学组成等间接影响植物根系向土壤输入的碳量,但其具体机制还需深入探讨。未来的研究应该关注气候变暖导致植物群落结构改变进而影响土壤有机碳输入的具体机制以及粗木质残体对土壤有机碳输入的贡献,同时还应注重植物凋落物与根系分泌过程的整合研究,以期更全面地认识气候变暖背景下植物群落对土壤碳库及碳循环过程的贡献。     

植物群落向土壤有机碳输入及其对气候变暖的响应研究进展

植物群落作为陆地生态系统土壤有机碳的主要来源,可通过地表凋落物分解、细根周转和根系分泌物等方式将光合作用同化的碳输入到土壤中。全球气候变暖正深刻地影响植物群落的分布、结构与功能,改变森林地上和地下凋落物产量与分解速率和根系分泌过程,从而改变植物群落向土壤输入有机碳数量。本文综述了植物群落向土壤有机碳输入过程及其对气候变暖的响应研究进展。研究表明,气候变暖可通过影响植物群落生产直接影响凋落物产量和根系分泌过程,还可通过改变凋落物分解环境条件、凋落物基质质量和分解者群落结构与活性等非生物与生物因子而间接作用于凋落物向土壤有机碳输入过程。气候变暖还可通过影响植物根系性状、根系分泌物化学组成等间接影响植物根系向土壤输入的碳量,但其具体机制还需深入探讨。未来的研究应该关注气候变暖导致植物群落结构改变进而影响土壤有机碳输入的具体机制以及粗木质残体对土壤有机碳输入的贡献,同时还应注重植物凋落物与根系分泌过程的整合研究,以期更全面地认识气候变暖背景下植物群落对土壤碳库及碳循环过程的贡献。     

外来植物入侵对陆地生态系统地下碳循环及碳库的影响

生物入侵是当今全球性重大环境问题之一, 是全球变化的主要研究内容.评价外来植物入侵对于生态系统影响的研究多集中在地上部分,对于生态系统地下部分影响的研究相对较少.陆地生态系统地下部分对于生态系统过程的重要性之一体现在它处于生态系统碳分配过程的核心环节.入侵种通过影响群落凋落物的输入数量、质量以及输入时间,影响到对于土壤的碳输入,而入侵种与土著种根系的差异以及入侵种对微生物群落的影响是造成土壤呼吸强度发生变化的主要因素,前者土壤呼吸强度一般比后者高.多数研究表明外来植物入侵对生态系统地下碳循环和碳库产生影响,但由于入侵植物种类较多以及研究地点环境条件的不同,关于外来植物入侵对于土壤碳库和土壤有机碳矿化影响的研究结论并不统一.最后,提出了今后该研究领域应加强的一些建议和方向.     

改变碳输入对沂蒙山区典型次生林土壤微生物碳源代谢功能的影响

凋落物和根系向土壤的碳输入是森林生态系统的关键过程,输入量及组分的变化直接影响森林土壤碳汇功能和生产力。在沂蒙山区栎类天然次生林中,开展添加/去除凋落物及去除根系的定位控制试验。于控制试验开展21个月后,采用Biolog Eco微平板培养法,研究凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的影响。结果表明,凋落物倍增处理增加了土壤微生物碳源代谢功能,增加了对糖类和胺类的代谢能力。去除凋落物处理、去除根系处理和无输入处理都降低了土壤微生物碳源代谢功能。去除凋落物处理降低土壤微生物碳源代谢功能的幅度大于去除根系处理,表明当前条件下凋落物对土壤微生物碳源代谢功能的影响大于根系,但如果抛除掉去除根系处理中残留根系的影响,凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的相对大小可能会发生变化。土壤有机碳含量、铵态氮含量显著影响微生物碳源代谢多样性（P<0.05）,并与碳源代谢功能正相关。凋落物倍增处理通过增加土壤铵态氮和有机碳含量,增加微生物碳源代谢功能,去除凋落物处理和无输入处理通过降低土壤铵态氮和有机碳含量,降低微生物碳源代谢功能。结果深化了碳输入途径（地上凋落物与地下根系）和数量（凋落物倍增、凋落物去除与对照）对温带栎类天然次生林土壤碳代谢过程的认识。     

氮添加对中国陆地生态系统植物-土壤碳动态的影响

近年来,中国大气氮沉降水平不断增加,过量的活性氮输入深刻影响了我国陆地生态系统碳循环。虽然已有大量的研究报道了模拟氮添加实验对我国陆地生态系统碳动态的影响,但是由于复杂的地理条件和不同的施氮措施,关于植物和土壤碳库对氮添加的一般响应特征和机制仍存在广泛争议。因此,采用整合分析方法,收集整理了172篇已发表的中国野外氮添加试验结果,在全国尺度上探究氮添加对我国陆地生态系统植物和土壤碳动态的影响及其潜在机制。结果表明,氮添加显著促进了植物的碳储存,地上和地下生物量均显著增加,且地上生物量比地下生物量增加得多。同时,氮添加显著增加了凋落物质量,但对细根生物量没有显著影响。氮添加显著降低了植物叶片、凋落物和细根的碳氮比。总体上,氮添加显著增加了土壤有机碳含量并降低了土壤pH值,但对可溶性有机碳、微生物生物量碳和土壤呼吸的影响并不显著。在不同的地理条件下,土壤有机碳含量对氮添加的响应呈现增加、减少或不变的不同趋势。回归分析表明,地上生物量与土壤有机碳含量之间,以及微生物生物量碳与土壤有机碳含量之间呈负相关关系。虽然氮添加通过增加凋落物质量显著促进了植物碳输入,但同时也会通过刺激微生物降解来增加土...     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

杉木根系和凋落物对土壤微生物学性质的影响

通过模拟试验,研究了杉木根系和凋落物及其交互作用对土壤微生物学性质的影响.结果表明：杉木根系和凋落物在土壤生态过程中发挥的作用有所不同.与对照相比,杉木根系处理的土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤基础呼吸、土壤有机碳（TOC）和微生物熵显著增加,土壤呼吸熵（qCO₂）显著降低（P<0.05）;凋落物处理中,仅土壤基础呼吸和qCO₂显著降低（P<0.05）,而MBC、TOC和微生物熵没有显著变化（P>0.05）.杉木根系和凋落物对土壤基础呼吸和qCO₂的影响具有显著的交互作用.qCO₂与土壤可溶性碳（R²=0.325）及TOC（R²=0.209）含量呈显著正相关,说明微生物对碳的利用效率随土壤有机碳数量的增加而降低.与凋落物相比,杉木根系在土壤生态过程中发挥着更重要的作用.     

凋落物输入对三江平原弃耕农田土壤基础呼吸和活性碳组分的影响

土壤有机碳的积累主要由土壤有机质的输入与输出间的净平衡决定的,植被的恢复和凋落物质的大量输入是土壤恢复的先决条件,凋落物的输入在土壤恢复过程中起着至关重要的作用.通过对不同类型凋落物输入到三江平原弃耕农田后土壤的基础呼吸、溶解有机碳(DOC)和土壤微生物量碳(MBC)的研究表明:相同种类凋落物输入后,输入到土壤总有机碳(TOC)背景值低的凋落物被微生物降解的速率大于TOC背景值高的土壤,TOC较低的土壤能够加快微生物对输入凋落物的分解,不利于有机质的积累;不同类型凋落物的输入使土壤基础呼吸、DOC和MBC等活性组分的生成和降解产生差异,改变了凋落物的降解速率,在三江平原研究的4种主要植被类型中,人工林凋落物最容易降解,小叶章、大豆的降解能力次之,玉米是最难降解的凋落物.     

UV-B辐射增强对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的重要现象之一,紫外射线B(UV-B,波长280～320 nm)辐射增强对陆地生态系统碳循环具有重要影响.UV-B辐射增强主要通过改变植物的光合作用、凋落物分解以及土壤呼吸来影响陆地生态系统碳的输入和转化输出.其他气候因子(大气CO2浓度、温度和水分)可能会促进或减缓UV-B辐射对陆地生态系统碳循环的作用.本文介绍了UV-B辐射增强的背景,综述了国内外近年来UV-B辐射增强及与其他气候因子交互作用对陆地生态系统碳循环的影响,总结了目前研究存在的不足,讨论了未来的研究重点和方向.     

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。     

树木根系碳分配格局及其影响因子

根系作为树木提供养分和水分的“源”和消耗C的“汇”,在陆地生态系统C平衡研究中具有重要的理论意义。尽管20多年来的研究已经认识到根系消耗净初级生产力占总净初级生产力较大的比例,但是,根系（尤其是细根）消耗C的机理以及C分配的去向一直没有研究清楚。主要原因是细根消耗光合产物的生理生态过程相当复杂,准确估计各个组分消耗的C具有很大的不确定性,常常受树种和环境空间和时间异质性、以及研究方法的限制。综述了分配到地下的C主要去向,即细根生产和周转、呼吸及养分吸收与同化、分泌有机物、土壤植食动物,及有关林木地下碳分配机理的几种假说,分析了地下碳分配估计中存在的不确定性。目的是在全球变化C循环研究中对生态系统地下部分根系消耗的C以及分配格局引起重视。     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

森林生态系统细根周转规律及影响因素

根系周转是陆地生态系统碳循环的关键过程, 对研究土壤碳库变化及全球气候变化均具有重要意义。然而由于根系周转率的测量计算方法较多, 不同方法得出的结果差异较大, 且目前对全球区域尺度上森林生态系统根系周转的研究还不够充分, 使得全球森林生态系统根系周转变化规律仍不清楚。该研究通过收集文献数据并统一周转率计算方法, 对全球5种森林类型的细根周转空间格局进行整合, 同时结合土壤理化性质和气候数据, 得出影响森林生态系统细根周转的因子。结果表明, 不同森林类型细根周转率存在显著差异, 且随着纬度的升高逐渐降低; 森林生态系统细根周转率与年平均温度和年平均降水量呈正相关; 森林生态系统细根周转率与土壤有机碳含量呈正相关但与土壤pH值呈负相关。该研究为揭示森林生态系统细根周转规律及机制提供了科学依据。     

森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述

在大气CO2浓度升高和氮沉降增加等全球变化背景下,森林生态系统减缓CO2浓度升高的作用及其对全球变化的响应和反馈存在诸多不确定性.森林生态系统碳氮循环相互作用及功能耦合规律的研究是揭示这些不确定性的基础,也是反映森林生态系统生物产量与养分之间作用规律,涉及林地持久生产力（sustainability of long-term site productivity）的生态学机理问题.森林生态系统碳氮循环的耦合作用表现在林冠层光合作用的碳固定过程,森林植物组织呼吸、土壤凋落物与土壤有机质分解、地下部分根系周转与呼吸等碳释放过程,这些过程存在反馈机理和非线性作用,最终决定森林生态系统的碳平衡.着重在生态系统尺度上,综述了碳氮循环耦合作用研究的一些进展与存在的问题,对今后研究方向进行了展望.     

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。     

草地群落多样性和生态系统碳氮循环对氮输入的非线性响应及其机制

理解草地生态系统结构和功能对氮富集的响应及其机制有助于准确评估大气氮沉降等外源氮输入的生态效应。全球范围内建立的多水平氮添加实验为认识草地生态系统结构和功能对氮输入的非线性响应机制提供了有效途径。为了反映学术界基于多水平氮添加控制实验取得的主要研究进展,该文综述了草地群落多样性和生态系统碳氮循环过程对外源氮输入的非线性响应特征及其驱动机制。按照目前的研究,氮输入会导致草地植物物种多样性、功能多样性以及土壤细菌多样性下降,但真菌多样性的变化并不明显。地上和地下生产力对氮输入的响应趋势存在差异:地上生产力沿氮添加梯度呈“先上升后饱和”的变化规律,而根系生产量和根冠比呈下降趋势,根系周转速率则呈“先上升后下降”的单峰格局。不同碳分解过程对氮输入的响应也不尽相同:凋落物分解速率沿氮添加梯度表现出“指数衰减、线性增加或无显著变化”的多元响应,而土壤呼吸和CH₄吸收速率与施氮量的关系则以“低氮促进、高氮抑制”的单峰趋势为主。类似地,不同土壤碳组分对氮输入的响应存在差异:氮添加总体会导致草地土壤碳库和颗粒态有机碳含量增加,而矿物结合态碳含量随施氮量呈“增加、不变或下降”的多元响...     

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.