葡萄园生态系统碳源/汇及碳减排策略研究进展

葡萄园生态系统是农业生态系统的重要组成部分,集中连片栽培的葡萄园具有重要的生态价值。开展葡萄园生态系统碳源/汇的研究,是完整探讨葡萄园生态系统碳循环必不可少的内容。随着葡萄生态学研究的进一步深入,如何直观地揭示葡萄园生态系统碳循环规律和碳汇功能已经成为葡萄生态学领域关注的热点问题。研究发现,葡萄园生态系统固定大量碳,将碳封存在葡萄果实等一年生器官、主干等多年生器官以及土壤碳库中。葡萄园生态系统碳输入量大于碳输出量,是碳汇;土壤是葡萄园生态系统最大的碳库,占总碳储量的70%,尤其是土藤界面;覆盖和免耕作为葡萄园的碳减排策略,可以减少碳排放,提高葡萄园土壤肥力。基于此,为了阐明葡萄园生态系统的碳汇价值,该文围绕葡萄生态学最新研究进展,系统回顾了葡萄园生态系统中碳循环规律、碳汇研究进展及碳减排策略,为葡萄生态学的研究提供理论基础,并对本领域未来的研究方向和应用前景进行展望。     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面，中国农田生态系统面积大，碳储量高，是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上，比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题，通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布，并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明，中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势，农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均，0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间，增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施，但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后，从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广，为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

森林火成碳研究进展

火成碳是生物质或化石燃料不完全燃烧所形成的含碳物质的连续统一体,火成碳具有很高的稳定性,是全球一个重要的潜在碳汇,在全球碳循环和气候变化研究中具有重要的意义。森林生态系统作为陆地生态系统的主体,每年都经受不同大小和烈度的林火干扰,在森林生态系统中积累了大量火成碳;同时,在全球气候变暖条件下,林火面积和林火频次将增加,火成碳的积累将进一步增加,火成碳库已成为森林生态系统中的一个重要碳汇。然而,目前在森林生态系统碳循环及相关的生态系统模型中,均未考虑火成碳库的碳汇功能。本文从火成碳的鉴定与定量测定、森林中的火成碳、森林火成碳的生态作用、森林火成碳储量估算几个方面评述了森林火成碳的最新研究进展,最后,我们展望了森林火成碳未来发展方向,为我国森林碳预算和碳循环的相关研究提供参考。     

主要管理措施对人工林土壤碳的影响

人工林碳汇在全球碳循环及温室气体减排中发挥着重要作用。人工林是处于人为调控下的生态系统类型,经营管理措施是影响人工林土壤碳平衡的重要因素。通过科学合理的生态系统管理,增强人工林的土壤碳汇,对减缓气候变化具有十分重要的意义。本文综述了主要经营管理措施(造林树种、轮伐期、采伐、灌溉和施肥)对人工林土壤碳储量与碳通量影响的研究进展,结果表明:人工林经营管理措施可通过改变林地的温度、水分、养分和土壤结构,来影响土壤有机碳储量和土壤呼吸等碳循环过程。但目前人工林管理对土壤碳影响的研究还很不足,一些营林措施还未展开相关研究。未来应针对人工林管理措施对土壤碳的影响做更全面的定量研究。     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。     

保护性耕作对土壤微生物群落及其介导的碳循环功能的影响

农田生态系统耕作方式显著影响土壤微生物群落结构和功能,进而影响土壤微生物介导的土壤碳循环过程。以免耕结合作物秸秆还田为核心的保护性耕作是提升土壤碳汇功能和肥力的重要措施,其中土壤微生物发挥了关键作用。尽管有较多关于保护性耕作下微生物群落结构与功能的研究,但由于土壤系统的复杂性、环境因素以及微生物群落评价方法的差异性,尚未形成对保护性耕作下土壤微生物群落响应规律的系统认知。此外,研究多关注土壤微生物作为分解者的作用以及植物源碳对土壤碳库形成的贡献,而忽略了微生物源碳对土壤碳库形成和稳定的贡献。本文在归纳土壤有机质形成和稳定理论体系演变的基础上,梳理了土壤微生物研究方法的进展,重点阐述了保护性耕作对土壤微生物生物量、群落多样性和组成、碳代谢活性以及微生物源有机碳截获的影响,并对未来该领域的研究方向进行展望,以期为探索农田生态系统土壤微生物群落响应规律及其介导的土壤碳循环功能提供参考。     

碳同位素在湿地碳循环研究中的应用及进展

湿地碳库是区域生态系统中最重要的碳库之一,湿地碳循环是全球碳循环的重要环节。在湿地碳循环研究中,传统方法越来越不能满足人们对湿地中碳循环微观机理的了解,而碳同位素方法因其特殊的物源和过程示踪价值成为湿地碳循环研究的重要手段。本文从湿地碳循环的主要研究对象和基本研究方法出发,讨论了碳同位素方法的基本原理及其在碳循环研究中的优势,分析了碳同位素方法在湿地生物过程、水体、沉积物和土壤以及温室气体排放等方面的应用,归纳总结了碳同位素在我国湿地生态系统碳循环研究中的不足及未来发展方向。     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

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。     

土壤有机碳对外源氮添加的响应及其机制

土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的重要组成, 在全球碳循环中发挥着重要的作用。受元素化学计量平衡调控作用, 氮输入的增加将会对土壤有机碳库产生重要影响。然而, 目前关于陆地生态系统碳库对氮添加的响应主要集中在植被碳库, 对土壤碳库研究较少, 且研究结论争议较大, 尤其对其响应机制缺少系统梳理。该文作者通过对已有文献进行梳理, 认为生态系统类型、土壤碳变化的检测方法、土壤深度, 以及土壤稳定性碳和易变碳含量的差异可能是造成当前研究土壤碳汇增量(每克氮输入所增加的碳)差异的重要原因。氮添加条件下土壤有机碳的积累机制可能包括3个方面: 1)氮添加增加了凋落物输入, 促进了碳积累; 2)氮添加减少土壤碳输出, 尤其是抑制了稳定性碳的分解; 3)促进土壤腐殖质及稳定性碳的形成。此外, 该文结合当前研究中存在的不足, 提出今后需加强对深层土壤碳、土壤可溶性有机碳的淋溶及吸附, 以及不同土壤碳组分对氮添加的响应研究, 并通过改进检测方法减少氮添加条件下碳储量的测量误差。     

Advances in the effect of nitrogen deposition on grassland litter decomposition

Atmospheric nitrogen deposition has increased in the last several decades due to anthropogenic activities and global changes. Increasing nitrogen deposition has become an important factor regulating carbon cycle in grassland ecosystems. Litter decomposition, a key process of carbon and nutrient cycling in terrestrial ecosystems, is the main source of soil carbon pool and the basis of soil fertility maintenance. Elevated nitrogen deposition could affect litter decomposition by raising soil nitrogen availability, increasing the quantity and quality of litter inputs, and altering soil microorganism and soil conditions. Litter decomposition are complex biological, physical and chemical processes, which were affected by abiotic, biological factors and their interactions. The effects of nitrogen deposition on litter decomposition and the underlying mechanisms were discussed in this paper, including the aspactes of soil nitrogen availability, litter production, litter quality, microclimate, soil microorganism and enzyme activities. The main research contents, directions, methods and existing problems of litter decomposition in grasslands were discussed. We also discussed the prospect of future directions to study the interaction and feedback between nitrogen deposition and grassland ecosystem carbon cycling process.     

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。     

西南地区草地群落灌木植物盖度对生态系统碳库的影响

中国西南地区草地主要为暖性及热性草丛、灌草丛, 约占全国草地面积的1/10, 分析灌木植物盖度与草地碳库及其构成的关系对于准确评估尚处于次生演替阶段的南方草地碳储量具有重要意义。该研究基于野外实地调查, 将西南地区不同地貌类型的41个代表性草地样地依据灌木植物盖度划分为3种类型: 无灌木植物草地群落(灌木植物盖度为0)、低灌木植物盖度草地群落(灌木植物盖度0-10%)和高灌木植物盖度草地群落(灌木植物盖度10%-30%), 测定了群落地上、地下生物量和凋落物生物量以及植物和土壤碳含量, 计算碳密度。结果表明: 随着草地群落灌木植物盖度增大, 生态系统植被碳密度从0.304 kg·m ^-2增加到1.574 kg·m ^-2, 其中根系和凋落物碳库也呈增长趋势; 土壤碳密度从7.215 kg·m ^-2增加到9.735 kg·m ^-2, 生态系统碳密度从7.519 kg·m ^-2增加到11.309 kg·m ^-2。草地碳库构成中, 低灌木植物盖度草地群落的土壤碳库占生态系统碳库比例最小。草地群落灌木植物盖度增加改变了草地生态系统碳库构成并导致生态系统碳库增加, 建议在估算草地生态系统碳库时, 需要统筹考虑并兼顾南方地区草地群落灌木植物盖度变化。     

土壤活性有机碳

土壤活性有机碳是土壤中活跃的化学组分,能显著影响土壤化学物质的溶解、吸附、解吸、吸收、迁移乃至生物毒性等行为,近年来土壤活性有机碳已成为土壤、环境和生态科学领域所关注的焦点和研究的热点。本文从土壤活性有机碳的来源、组成、含量、影响因素以及环境意义等方面做了简要的论述。一般认为,土壤活性有机碳来源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有机质的水解、土壤微生物本身及其代谢产物,因为来源的不同土壤活性有机碳含量也不同;影响土壤活性有机碳的因素有很多,研究表明,土壤活性有机碳随季节和湿度的变化呈现十分强烈的变异趋势;土地利用方式改变对土壤活性有机碳的影响在不同的研究中有不同的结果;土地管理措施如耕作、施有机肥和化肥、改变土壤pH值等对土壤活性有机碳也有很大的影响。土壤活性有机碳的生态环境效应主要表现在它对调节土壤养分流有很大影响,与土壤内在的生产力高度相关;它作为重金属的有机配体,对土壤溶液中的微量重金属的可移动性和迁移过程以及金属复合物的形成过程有着重要作用;它的存在影响农药在土壤中的截留、增加农药的水溶性,并影响农药在土壤中的运动;它对温室气体的排放、水体富营养化、岩石圈溶蚀都有很重要的作用。同时指出了未来的研究方向。     

Relationships between carbon and nitrogen contents and enzyme activities in soil of three typical subtropical forests in China

森林类型更替是影响生态系统有机质循环的重要因素, 它对森林生态系统的生产力、碳吸存和养分保持功能有影响。然而关于中亚热带不同森林类型对土壤碳氮含量和酶活性的影响及土壤碳氮含量和酶活性之间的关系鲜有报道。该文研究了福建省三明市3种典型亚热带森林——米槠(Castanopsis carlesii)天然次生林(SF)、米槠人工促进天然更新林(AR)、马尾松(Pinus massoniana)人工林(PM)的淋溶层(A层)土壤碳氮含量和土壤微生物酶活性的关系。结果表明: 在3种森林类型表层土壤中, 可溶性有机质中可溶性有机碳、可溶性有机氮(DON)、荧光发射光谱腐殖化指数的趋势均为SF > AR > PM, 芳香化指数大小为PM > AR > SF; SF和AR的NH₄ ⁺-N显著高于PM, NO₃ ^--N在3种林分中的含量低且差异不明显, 造成这种差异的原因是树种差异和人为干扰程度不同。PM的β-葡萄糖苷酶活性显著低于SF和AR; 纤维素水解酶活性大小为AR > SF > PM; PM多酚氧化酶显著高于SF和AR, 3种林分过氧化物酶无显著差异。AR的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)显著高于其他两种林分。冗余分析显示土壤总氮和DON是驱动淋溶层土壤酶活性的主要环境因子。总之, 土壤总氮含量与NAG活性呈正相关关系, 并且可溶性有机氮可能是氮循环中的重要一环; 土壤微生物优先利用易分解碳; 且碳氮养分循环之间存在一定的耦合关系。氮提高了与土壤碳相关的水解酶活性, 从而可促进碳周转。     

Season dynamics of carbon use efficiency and its influencing factors in the old-growth Abies fabri forest in Gongga Mountain,western Sichuan,China

碳利用效率(CUE)是植被生态系统的一个重要功能参数, 反映了植被生态系统的固碳能力, 适用于分析不同时间段内器官、个体和群落等不同层次的碳收支趋势, 因而有助于对陆地生态系统碳功能的确定与预测, 引起了广泛关注。该研究采用生物计量法, 测定和计算了川西贡嘎山东坡峨眉冷杉(Abies fabri)成熟林树木不同器官的呼吸与净生产力动态, 分析了乔木层及其各器官CUE动态及主要影响因子, 并估算了乔木层不同径级树木CUE。主要结果: (1)乔木层各器官月呼吸速率与温度呈正相关关系, 以细根月呼吸速率为最大; 不同径级树木年呼吸量无显著差异, 以小径级树木树干的年呼吸量为最小。(2)乔木层细根和树干月净初级生产力(NPP)均随温度增加而增加, 以细根月NPP为最大。小径级树木年NPP最大, 其针叶年NPP也显著高于中径级和大径级树木。(3)林分乔木层及其各器官CUE大多集中在0.30-0.60之间, 其中细根、树干CUE具有相似的月变化动态, 均随温度的升高而上升。不同径级树木CUE及树干和针叶CUE均随树木个体的增大而明显下降。(4)气温和土壤温度与乔木层树干和细根CUE呈正相关关系, 而降水量与针叶CUE呈负相关关系。细根CUE与树干CUE呈正相关关系,与针叶CUE呈负相关关系。峨眉冷杉成熟林乔木层CUE主要取决于树干和细根CUE。该研究证实了川西亚高山暗针叶成熟林仍具有较强的碳汇功能, 在区域碳储存和森林生态系统碳循环中发挥着极其重要的作用。     

Carbon cycle of larch plantation based on CO2FIX model

Aims
Plantations play important roles in modifying regional carbon budget and maintaining regional carbon balance. In this study, we assessed larch plantation (Larix gmelinii var. principis-rupprechtii) carbon dynamics in Weichang County from a perspective of the forest biomass-soil-wood-products chain. Our objectives were to elucidate the carbon sink capacity of larch plantation and the influences of biomass, soil and wood product pools on carbon balance.
Methods
CO2FIX model was used to evaluate the carbon storage and flow of larch plantation over a time span of 120 years. Input data for model were derived from practical investigations and published papers. We validated the simulated results and found that this model was suitable in the region and the simulated results were reliable.
Important findings
(1) Soil was the largest carbon pool for larch plantation and the wood product pool had the smallest carbon storage. Meanwhile, carbon storage in wood products gradually increased with time. (2) In a rotation of 50 years from secondary poplar-birch forest to larch plantation, 250 t C·hm^-2 was sequestrated by the larch plantation. 70% of the carbon was transferred into soil in the form of litter and logging slash and the other 30% was transferred into wood products. (3) Larch plantation was a carbon sink during most of its growing period and turned to temporary carbon source when it was harvested. Larch plantation could sequestrate about 0.3 t C·hm^-2·a^-1 in the long term. Our results indicated the importance of wood product carbon pool in carbon dynamics of plantation, which facilitated our understanding in the carbon dynamics and capacity of plantation.     

Effects of enclosure on carbon density of plant-soil system in typical steppe and desert steppe in Nei Mongol,China

草地生态系统是巨大的碳库, 在全球碳循环中起着重要的作用。该研究以内蒙古中温带草地区典型草原和荒漠草原为研究对象, 测定了两种草原类型围封与放牧后地上生物量碳密度、地下生物量碳密度和土壤碳密度, 探讨围封对两种草原类型植被-土壤系统碳密度的影响。结果表明: (1)围封显著地增加了典型草原地上和地下生物量的碳密度, 对荒漠草原地上生物量碳密度增加影响显著, 对地下生物量碳密度增加影响不显著; (2)围封显著地增加了典型草原土壤碳密度, 使荒漠草原土壤碳密度有增加的趋势, 但影响不显著; (3)典型草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布显著高于放牧样地, 而荒漠草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布与放牧样地的差异不显著; (4)围封分别提高了典型草原和荒漠草原植被-土壤系统碳密度的2.2倍和1.6倍, 典型草原和荒漠草原分别有超过65%和89%的碳储存在土壤中, 两种草原类型的地下生物量碳库均占总生物量碳库的90%以上。研究结果表明围封能够有效地增加草原生态系统的碳储量。     

Carbon density and its spatial distribution in the Potentilla fruticosa dominated alpine shrub in Qinghai,China

Aims Shrub recovery is recognized as an important cause of the increase of carbon stocks in China, and yet there are great uncertainties in the carbon sink capacities of shrubs. Our objectives were to estimate carbon density and its spatial distribution in alpine shrubs.
Methods Eight sites in Potentilla fruticosa dominated shrublands across Qinghai, China were investigated. Plant biomass and carbon content in leaves, branches and stems, and roots were measured to analyze the biomass allocation and carbon density.
Important findings Mean carbon densities in biological carbon, litter, soil and whole ecosystem of P. fruticosa shrublands were 5088.54, 542.1, 35903.76 and 41534.4 kg·hm^-2, respectively. Carbon density in the shrub layer was more than 68% of the biological carbon density of the whole ecosystem and was mainly distributed in roots (49.5%-56.1%). Carbon density of the herbaceous layer was 22.5% of the biological carbon density of the whole ecosystem and was also mainly distributed in roots (59.6%-75.1%). The biological carbon density of P. fruticosa shrublands (5.08 t·hm^-2) was lower than the average carbon density of shrub communities in China (10. 88 t·hm^-2). Soil carbon density contributed the largest proportion (85.8%) of total carbon density in P. fruticosa shrublands.     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。