林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。     

岩溶区土地利用变化对土壤有机碳与岩溶碳汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响是当今全球碳循环和气候变化研究的热点。土地利用变化对土壤有机碳含量、组分及稳定性产生影响,从而影响土壤CO_2,进而控制岩溶地质过程的碳汇效应。本文综述了岩溶区土地利用变化对土壤有机碳与岩溶地质过程的影响,阐明了岩溶区土地利用变化对土壤有机碳及其组分影响的过程与机理,土地利用变化对岩溶地质过程影响的土壤CO_2浓度调控机制、水循环影响及无机酸干扰等影响机制。提出了土壤固碳的团聚体归宿和分配,团聚体物理保护机制及钙的化学稳定机制是当前岩溶土壤有机碳深化的方向;土壤CO_2、水循环和无机酸在土地利用变化过程中以何种关系共同影响岩溶碳汇强度;水生光合作用利用DIC形成的稳定有机质与DIC、AOC通量的关系及其对土地利用变化的响应机理是岩溶碳循环前沿领域;而石漠化治理对岩溶碳循环的影响及相关固碳增汇技术的研究是需要重视的工作。     

中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展

森林是陆地生态系统的主体,是陆地上最大的碳储库和碳吸收汇。国内外研究表明,土壤亚系统在调节森林生态系统碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用。但是,由于森林类型的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对森林土壤碳储量和变率的科学估算,以及土壤关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限。综述了近十几年来我国森林土壤碳储量和土壤碳过程的研究工作,主要包括不同森林类型土壤碳储量、土壤碳化学稳定性、土壤呼吸及其组分、土壤呼吸影响机制、气候变化与土地利用对土壤碳过程的影响等;评述了土壤碳过程相关科学问题的研究进展,讨论了尚未解决的主要问题,并分析了未来土壤碳研究的发展趋势,以期为促进我国森林土壤碳循环研究,科学评价森林土壤碳固持潜力及其稳定性维持机制和有效实施森林生态系统管理提供科学参考。     

土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响,既可能成为碳源,也可能是碳汇。在国内外相关研究的基础上,综述了土地利用变化对全球及区域尺度上森林、草地和农业生态系统碳循环的影响。全球范围内,森林砍伐后向草地和农田的转化发挥碳源的作用,在毁林碳排放中占主导地位,其中热带地区森林转变为农田和草场的碳排放均高于温带和北方森林。另一方面,土地利用变化可促进森林的碳贮存,如退耕还林、改善森林管理等。各区域森林生态系统通过土地利用变化贮存碳的潜力存在显著差别,热带湿润和半湿润地区具有较大的碳汇潜力,而干旱地区减少碳排放的空间相对较少。开垦活动是影响草地生态系统碳储存最主要的人类活动,草地转变为农田伴随着土壤碳的流失。森林或草场转变为农田的过程伴随着植被和土壤碳储量的减少,生态系统碳储量降低,因此它是一个碳排放的过程。伴随着城市的扩张,农田向建设用地的转化也是一个碳排放的过程。当前评估土地利用变化影响的研究方法主要有遥感观测和遥感模型、统计估算、生态系统模型以及土地利用与生态系统模型的耦合。研究方法得到不断地完善和改进的同时,还存在着一些不确定性,因此需要建立统一的观测统计方法,降低数据中的不确定性;完善土地利用与生态系统模型的耦合研究;建立多尺度土地利用变化及生态系统综合技术方法体系;开展碳减排目标下土地利用最优化布局研究。     

城市土壤封闭对有机碳库影响的时空变化模拟

随着全球城市化的迅速发展,城市生态系统的研究日益受到关注。城市化过程引发的大面积土壤封闭,导致土壤功能退化,进而影响城市生态系统。通过构建城市封闭土壤碳循环模型,考虑土壤温度,水分,有效氮含量以及各项理化性质等影响土壤有机碳在封闭条件下分解的影响因素,模拟南京市1980年至2010年城市封闭土壤有机碳含量与土壤有机碳库的时空变化过程,揭示人工封闭对于城市土壤功能的影响。结果表明:南京市1980年至2010年封闭土壤的有机碳含量显著减少,2010年土壤有机碳含量的均值为6.7 g/kg,比开放土壤低54.7%。土壤有机碳含量较低的区域主要分布在快速城市化的地区。由于封闭土壤阻碍了土壤有机碳的来源,造成封闭土壤有机碳含量持续减少,1980年至2010年间城市土壤有机碳库的总量减少约0.32 Tg。城市封闭对土壤有机碳影响的时空变化模拟可为研究城市化过程中的生态环境效应与城市生态建设提供参考。     

植物功能性状与湿地生态系统土壤碳汇功能

湿地生态系统碳平衡对气候变化极为敏感,是陆地生态系统碳循环响应全球变化的重要环节。然而,湿地生态系统碳汇调节机制仍不十分清楚,并且对影响因子的研究多集中在非生物因子上。综述了植物功能性状和功能性状多样性对湿地生态系统土壤碳汇功能的影响,阐明了生物因子对生态系统碳循环响应全球变化的重要性,介绍了植物功能性状对生态系统碳输入和输出过程的影响,简述了植物功能性状多样性的研究现状及其在指示生态系统碳汇功能现状和预测未来趋势等方面的应用。从优势植物、植物种间关系和植物-微生物种间关系3方面总结了植物功能性状多样性直接和间接影响生态系统碳循环的途径。展望了植物功能性状和功能性状多样性与湿地生态系统土壤碳汇功能的研究前景。     

土地利用变化对土壤有机碳的影响研究进展

土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,也是当前全球碳循环和全球变化研究的热点。土地利用/覆被变化及土地管理变化通过影响土壤有机碳的储量和分布,进而影响温室气体排放和陆地生态系统的碳通量。研究土地利用变化影响下的土壤有机碳储量及其动态变化规律,有助于加深理解全球气候变化与土地利用变化之间的关系。在阅读国内外有关文献的基础上,分别从土地利用及其管理方式变化的角度,概括了土地利用变化对土壤有机碳的影响过程与机理;针对当前研究的两大类方法,即实验方法和模型方法,分类详细介绍了它们各自的特点以及存在的一些问题。在此基础上,提出今后土地利用变化对土壤有机碳影响研究的发展趋势。     

作物生育期内光合碳在地下部的分配及转化

光合碳是"大气-植物-土壤"系统碳循环的重要组成部分,也是土壤有机碳的重要来源.在农田生态系统中,作物生长期内光合碳在地下部的去向及代谢机理易被忽视,此方面的研究对于全面认识植物-土壤-微生物间的互作关系、农田土壤质量变化及全球碳循环规律却是必不可少的.本文综述了作物生育期内光合碳在地下部的动态分配、其对土壤有机碳的贡献及微生物在光合碳转化中的作用,总结了碳示踪技术;提出应加强在典型土壤类型上的光合碳研究,明确其对不同土壤有机碳组分贡献;重点开展大豆、玉米等作物光合碳在地下部动态分配研究;探讨根系分泌含碳化合物与微生物利用的关系;强调气候条件和农艺措施等综合因素对碳分配的影响.     

土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳循环的影响

土地利用/覆盖变化是学术界最为关注的环境变化问题之一,它能够影响陆地生态系统的生物多样性、水、碳和养分循环、能量平衡,引起温室气体释放增加等其它环境问题。不同类型的土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的作用不同,由高生物量的森林转化为低生物量的草地、农田或城市后,大量的CO₂将释放到大气中。全球土地利用/覆盖变化具有很强的空间变异性,对生态系统碳循环的影响同样具有明显的空间差异:热带地区的土地利用/覆盖变化造成大量的碳释放,而中高纬度地区土地利用/覆盖变化则表现为碳汇。目前,土地利用/覆盖变化引起的生态系统碳循环变化主要是通过模型模拟来估算的。尽管土地利用/覆盖变化及其相关过程与生态系统碳循环的关系已经比较清楚,但是,由于土地利用/覆盖变化过程复杂且影响广泛,对于如何量化两者之间的关系还存在很多不确定性。目前的量化过程主要是利用经验数据来实现的,机理性不强,使得对土地利用/覆盖变化造成的陆地生态系统CO₂释放量的估测差异很大。除了进一步加强长期定位研究以获得土地利用/覆盖变化与生态系统碳循环过程的定量关系外,土地利用/覆盖变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型的耦合也是今后模型发展的主要方向之一。采用合理的管理措施能够大量增加土地利用/覆盖变化过程中的碳储存量,降低碳释放量,因此在模型中耦合管理措施来研究土地利用/覆盖变化过程对生态系统碳循环的影响是未来几年的工作重点。     

深圳市不同土地利用类型土壤有机碳与密度特征

土壤碳库变化对于全球温室效应、全球碳循环有重大的影响.城市土壤是全球碳循环的重要环节,城市化对城市土壤有机碳库的影响不容忽视.在野外调查和样品分析的基础上,对深圳市0～10、11～20、21～30cm深度不同土地利用类型土壤有机碳碳含量、密度及分布特征进行实测统计分析.结果表明:(1)深圳市不同土地利用类型0～30cm土壤有机碳含量均值介于0.72～40.52g·kg^-1.土壤有机碳密度均值介于0.27～13.36kg·m^-2.(2)土壤有机碳含量与密度随土层深度的增加而降低.0～10cm土壤有机碳含量均值介于1.56～71.88g·kg^-1,有机碳密度均值介于0.18～7.05kg·m^-2之间;11～20cm土壤有机碳含量均值介于0.59～36.79g·kg^-1,土壤有机碳密度均值介于0.09～4.5kg·m^-2,21～30cm土壤有机碳含量均值介于0～12.90g·kg^-1,土壤有机碳密度均值介于0～1.78kg·m^-2.(3)林地土壤有机碳含量和密度随着海拔高度的升高而降低,城市建设用地与闲置土地土壤有机碳含量与密度很低.(4)土地利用方式的变化可以改变有机碳在土壤中的贮存与分布.     

双碳战略背景下城市生态系统的碳汇功能与生物多样性可以兼得

“碳达峰、碳中和”是中国对世界的庄严承诺, 也是当前指导我国可持续发展的重要战略。碳排放的空间分布表明, 城市及其周边地区是最主要的碳排放区。随着我国的城市化进程不断推进, 如何有效减少城市碳排放、增加碳汇成为关系着双碳战略成效的关键问题。作为城市空间中唯一的自然碳汇, 城市绿地生态系统的固碳增汇作用日益突出。加强城市绿地的碳汇建设, 如果按照传统的人工营建思路, 只种植在当前情景下碳汇能力强的少数植物种则很可能会减少生物多样性。基于植物分配有限资源时存在权衡关系的生态学一般原理, 不仅选取当前情景下碳汇能力强的植物, 还要考虑适应环境变化、在未来环境下碳汇能力强的植物, 以及遭遇极端环境时有一定碳汇能力的植物。在此框架下, 选取恰当的植物多样性组合有望实现更好的城市绿地碳汇功能, 即环境稳定时碳汇能力更强, 环境变化时碳汇能力更稳, 出现极端事件时碳汇损失更小。具体的做法包括: (1)扩展绿地物种库信息, 纳入植物的碳减排能力、适应环境变化能力、应对极端变化能力等信息; (2)考虑植物在碳汇能力与应对气候变化能力之间的权衡关系, 将植物分成不同类型的组, 比如高碳汇低适应、低碳汇高适应; (3)根据不同城市的环境和未来气候变化特点, 因地制宜地选择恰当植物组合营建城市绿地; (4)开展城市绿地建设的全生命周期碳计量, 以近自然方式营建和管养城市绿地, 减少管护过程的碳排放。这些举措有助于实现城市绿地碳汇能力提升与生物多样性保护的双重目标。城市生态系统的‌结构与功能共赢, 对落实双碳战略和生态文明建设意义重大。     

Decadally cycling soil carbon is more sensitive to warming than faster‐cycling soil carbon

The response of soil organic carbon (SOC) pools to globally rising surface temperature crucially determines the feedback between climate change and the global carbon cycle. However, there is a lack of studies investigating the temperature sensitivity of decomposition for decadally cycling SOC which is the main component of total soil carbon stock and the most relevant to global change. We tackled this issue using two decadally ¹³C‐labeled soils and a much improved measuring system in a long‐term incubation experiment. Results indicated that the temperature sensitivity of decomposition for decadally cycling SOC (>23 years in one soil and >55 years in the other soil) was significantly greater than that for faster‐cycling SOC (<23 or 55 years) or for the entire SOC stock. Moreover, decadally cycling SOC contributed substantially (35–59%) to the total CO₂ loss during the 360‐day incubation. Overall, these results indicate that the decomposition of decadally cycling SOC is highly sensitive to temperature change, which will likely make this large SOC stock vulnerable to loss by global warming in the 21st century and beyond.     

北京城市绿地表层土壤碳氮分布特征

在北京中心城区及周边郊区(覆盖六环路范围),采集不同类型绿地表层(0—20cm)土壤样品490份,测定了土壤有机碳、无机碳、全碳和全氮含量,探讨了城市土壤碳氮分布特征。结果表明:城市不同类型绿地土壤中碳含量差异明显,行道树土壤的有机碳、无机碳和全碳含量均显著高于其他类型绿地,而其它类型土壤有机碳含量差异不显著;居住绿地、道路绿地、单位绿地和公园绿地土壤无机碳含量显著高于生产绿地、防护绿地;城市土壤有机碳、无机碳和全碳含量与距离城市中心距离呈显著的负相关关系;与郊区土壤相比,城区绿地土壤有机碳、无机碳含量有富集的趋势,且无机碳增加更加明显;与郊区农业土壤相比,城市绿地土壤中有机碳有明显地增加趋势,说明北京的城市化在一定程度上有利于土壤碳库的累积。不同类型绿地土壤全氮含量差异不显著,城郊之间全氮含量也无显著差异,土壤全氮质量分数和碳氮比有逐渐减小的趋势,城市化对土壤氮的影响需要进一步研究。     

Smallholder farms have and can store more carbon than previously estimated

Increasing soil organic carbon (SOC) stocks is increasingly targeted as a key strategy in climate change mitigation and improved ecosystem resiliency. Agricultural land, a dominant global land use, provides substantial challenges and opportunities for global carbon sequestration. Despite this, global estimates of soil carbon sequestration potential often exclude agricultural land and estimates are coarse for regions in the Global South. To address these discrepancies and improve estimates, we develop a hybrid, data-augmented database approach to better estimate the magnitude of SOC sequestration potential of agricultural soils. With high-resolution (30 m) soil maps of Africa developed by the International Soils Database (iSDA) and Malawi as a case study, we create a national adjustment using site-specific soil data retrieved from 1160 agricultural fields. We use a benchmark approach to estimate the amount of SOC Malawian agricultural soils can sequester, accounting for edaphic and climatic conditions, and calculate the resulting carbon gap. Field measurements of SOC stocks and sequestration potentials were consistently larger than iSDA predictions, with an average carbon gap of 4.42 ± 0.23 Mg C ha⁻¹ to a depth of 20 cm, with some areas exceeding 10 Mg C ha⁻¹. Augmenting iSDA predictions with field data also improved sensitivity to identify areas with high SOC sequestration potential by 6%—areas that may benefit from improved management practices. Overall, we estimate that 6.8 million ha of surface soil suitable for agriculture in Malawi has the potential to store 274 ± 14 Tg SOC. Our approach illustrates how ground truthing efforts remain essential to reduce errors in continent-wide soil carbon predictions for local and regional use. This work begins efforts needed across regions to develop soil carbon benchmarks that inform policies and identify high-impact areas in the effort to increase SOC globally.     

Experimental litterfall manipulation drives large and rapid changes in soil carbon cycling in a wet tropical forest

Global changes such as variations in plant net primary production are likely to drive shifts in leaf litterfall inputs to forest soils, but the effects of such changes on soil carbon (C) cycling and storage remain largely unknown, especially in C‐rich tropical forest ecosystems. We initiated a leaf litterfall manipulation experiment in a tropical rain forest in Costa Rica to test the sensitivity of surface soil C pools and fluxes to different litter inputs. After only 2 years of treatment, doubling litterfall inputs increased surface soil C concentrations by 31%, removing litter from the forest floor drove a 26% reduction over the same time period, and these changes in soil C concentrations were associated with variations in dissolved organic matter fluxes, fine root biomass, microbial biomass, soil moisture, and nutrient fluxes. However, the litter manipulations had only small effects on soil organic C (SOC) chemistry, suggesting that changes in C cycling, nutrient cycling, and microbial processes in response to litter manipulation reflect shifts in the quantity rather than quality of SOC. The manipulation also affected soil CO ₂ fluxes; the relative decline in CO ₂ production was greater in the litter removal plots (?22%) than the increase in the litter addition plots (+15%). Our analysis showed that variations in CO ₂ fluxes were strongly correlated with microbial biomass pools, soil C and nitrogen (N) pools, soil inorganic P fluxes, dissolved organic C fluxes, and fine root biomass. Together, our data suggest that shifts in leaf litter inputs in response to localized human disturbances and global environmental change could have rapid and important consequences for belowground C storage and fluxes in tropical rain forests, and highlight differences between tropical and temperate ecosystems, where belowground C cycling responses to changes in litterfall are generally slower and more subtle.     

黄土塬区苹果园土壤有机碳分布特征

以黄土塬区塬面和梁坡梯田5、10、15a和20a苹果园为对象,在行间距果树1.0、1.5m和2.0m处用土钻法分层采集0-100cm土样,LiquiTOCⅡ测定样品土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)含量,分析两种地形条件下各龄果园SOC的分布特征。结果表明:塬面5、10、15a和20a果园SOC分别为6.39、6.46、6.66g/kg和6.47g/kg,梁坡分别为5.83、6.05、6.54g/kg和6.09g/kg,两种地形条件下同龄果园SOC差异显著(P0.05),但龄间SOC消长趋势相似,均有15a的20a的10a的5a的;水平方向上,5a果园SOC沿树干向外增大,10a果园减小,15a和20a果园变化较小,塬面和梁坡同龄果园间SOC水平分布格局较一致;垂直方向上,同梁坡相比,塬面果园4个层次(0-10cm、10-20cm、20-50cm和50-100cm)的平均SOC较高;梁坡果园50-100cm土层的SOC龄间差异较大,20-50cm土层龄间差异较小,塬面果园50-100cm土层的SOC龄间变化较小;在"纯果园"利用阶段,果园利用方式并未引起SOC下降,深层SOC有明显的积累效应。     

城市绿地生态评价研究进展

城市绿地的科学评价为绿地的规划和管理提供了参考,对人们正确认识和改造绿地建设起着重要的作用,为城市绿地生态功能的发挥提供了重要的依据和保障。以绿地结构的评价为基础,总结了城市绿地生态功能、服务评价、健康评价的方法和研究进展;提出了城市绿地生态风险评价的基本方法并概括了城市绿地可持续评价的研究方向。结果显示:当前城市绿地的生态评价在范围上逐渐从微观尺度发展到宏观尺度,日益强调绿地的生态服务功能,重点关注于绿地的碳储量与降温增湿功能与效益评价以及价值化研究;城市绿地的健康评价和可持续性评价均尚处于初级的探索阶段。指出了城市绿地生态评价的关键在于评价结果在管理和规划中的应用,在评价内容上必须关注各部分的结合,在评价方法上应该借助基础研究的长期监测、评价的量化以及多学科交叉的渗透。     

Soil organic carbon budget and fertility variation of black soils in Northeast China

Black soils in Northeast China are characteristic of high soil organic carbon (SOC) density and were strongly influenced by human activities. Therefore, any change in SOC pool of these soils would not only impact the regional and global carbon cycle, but also affect the release and immobilization of nutrients. In this study, we reviewed the research progress on SOC storage, budget, variation, and fertility under different scenarios. The results showed that the organic carbon storage of black soils was 646.2 TgC and the most potential sequestration was 2887.8 g m⁻². According to the SOC budget, the net carbon emission of black soils was 1.3 TgC year⁻¹ under present soil management system. The simulation of CENTURY model showed that future climate change and elevated CO₂ concentration, especially the increase of precipitation, would increase SOC content. Furthermore, fertilization and cropping sequence obviously influenced SOC content, composition, and allocation among different soil particles. Long-term input of organic materials such as manure and straw renewed original SOC, improved soil structure and increased SOC accumulation. Besides, soil erosion preferred to transport soil particles with low density and fine size, decreased recalcitrant SOC fractions at erosion sites and increased activities of soil microorganism at deposition sites. After natural grasslands were converted into croplands, obvious variation of soil chemical nutrients, physical structure, and microbial activities had taken place in surface and subsurface soils, and represented a degrading trend to a certain degree. Our studies suggested that adopting optimal management such as conservation tillage in black soil region is an important approach to sequester atmospheric CO₂ and to slow greenhouse effects.     

Nonlinear root-derived carbon sequestration across a gradient of nitrogen and phosphorous deposition in experimental mesocosms

Enhanced sequestration of plant‐carbon (C) inputs to soil may mitigate rising atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations and related climate change but how this sequestration will respond to anthropogenic nitrogen (N) and phosphorous (P) deposition is uncertain. We couple isotope, soil C fractionation and mesocosm techniques to assess the sequestration of plant‐C inputs, and their partitioning into C pools with different sink potentials, under an experimental gradient of N and P deposition (0, 10, 30, 60 and 100 kg N ha^?1 yr^?1; and 0, 2, 6, 12 and 20 kg P ha^?1 yr^?1). We hypothesized that N deposition would increase sequestration, with the majority of the C being sequestered in faster cycling soil pools because N deposition has been shown to accelerate the turnover of these pools while decelerating the turnover of slower cycling pools. In contrast to this hypothesis, sequestration into all soil C pools peaked at intermediate levels of N deposition. Given that P amendment has been shown to cause a net loss of soil C, we postulated that P deposition would decrease sequestration. This expectation was not supported by our data, with sequestration generally being greater under P deposition. When soils were amended simultaneously with N and P, neither the shape of the sequestration relationship across the deposition gradient, nor the observed sequestration at the majority of the deposition rates, was statistically predictable from the effects of N and P in isolation. The profound nonlinearities we observed, both for total sequestration responses and the partitioning of C into soil pools with different sink potentials, suggests that the rates of N and P deposition to ecosystems will be the critical determinant of whether they enhance or decrease the long‐term sequestration of fresh plant‐C inputs to soils.