生物标志物及其在生态系统研究中的应用

生物标志物是环境和地质体中记载着原始生物母质分子结构信息的有机化合物,其含量可以指征特定生物来源对天然有机质的相对贡献,其组成和同位素信息还可以记录有机质的转化及环境信息。与传统元素及组分分析相比,生物标志物为研究天然有机质的来源、动态变化和转化特征提供了具有高度专一性和灵敏度的工具,因此,近年来被广泛地应用于生态学和生物地球化学研究中。特别是,与生态系统观测以及控制实验相结合,生物标志物在揭示微生物的活性与碳源变化、土壤有机碳的稳定机制及其对全球变化的响应等方面显示了广阔的应用前景。近些年开发的生物标志物单体同位素分析也在生态系统碳氮周转与食物网研究等方面显示了巨大的研究潜力。基于此,该文综述了生态系统研究中常用的生物标志物的种类、分析方法和应用方向,总结了生物标志物研究目前存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望,旨在为使用生物标志物的生态学和环境科学研究者提供参考。     

氨基糖单体碳氮同位素的分析及其应用

氨基糖(AS)作为有机质中在分子水平识别的重要组分,研究其来源与转化能更好地认知微生物对有机质的调控作用。作为一种新兴技术,氨基糖单体同位素分析(CSIA-AS)为研究氨基糖各组分在自然环境中的变化特征提供了更详细的信息。本文系统总结了CSIA-AS技术的测定方法及其在氨基糖循环转化研究中的应用,气相色谱-同位素比值质谱法(GC-IRMS)和离子色谱-同位素比值质谱法(IC-IRMS)作为2种主要的氨基糖同位素测定方法,各有利弊,但进行相应的校正后均可实现可靠的测定结果。氨基糖各组分在土壤有机质中具有相对较低的周转时间,细菌来源的胞壁酸相对葡萄糖胺、半乳糖胺和甘露糖胺具有更高的矿化速率。氨基糖在环境中的来源和代谢转化受底物的影响,这与微生物群落对不同碳、氮源的特异性响应有关。CSIA-AS技术的推广需要进一步的方法优化并将其与微生物甄别等其他手段相结合,以此来更好地阐释有机质的来源、转化和归宿及其调控机制。     

黄河口湿地有机碳来源及其对碳埋藏提升策略的启示

滨海湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统,是地球上重要的碳库之一,其在全球碳循环中的作用在近年来越来越受到人们的重视。总结了用C/N、稳定碳同位素和生物标志物等方法追踪黄河口湿地有机碳来源的研究成果,并据此探讨了黄河口湿地的固碳提升策略。黄河口湿地是我国典型的滨海湿地,碳来源复杂,但各种示踪方法均表明有机碳的来源中陆源输入较海源输入优势明显,而且陆源输入以地表径流和植被为主,但海源输入从内陆向近海逐渐增强,碳的来源有明显的时空变化并且受到人类活动的强烈干扰。从有机质来源看,提升黄河口湿地的碳埋藏能力应该从合理调配河流淡水资源、保护植被、加快植物群落演替等方面入手。目前有机碳来源的研究还存在覆盖区域有限、碳源区分粗略、影响因子研究较少等问题,缺乏系统性,多限于观测,对机制的理解十分薄弱,因此难以对碳埋藏能力的提升提供定量化的指导。今后的研究要从以下几个方面加强:1)不同区域和不同环境条件之间的比较研究;2)探寻更具特异性的生物指标、优化数据模型,使来源区分更细致;3)不同来源有机质在沉积物中埋藏效率的对比研究;4)构建湿地碳埋藏能力评估体系,综合考虑各方面因素研发和集成能够最大限度提高滨海湿地碳埋藏能力的技术。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

稳定碳同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环中的应用

碳作为滨海湿地中重要的生命元素,其生物地球化学循环过程是滨海湿地研究的核心内容之一.稳定同位素技术越来越多地被应用到滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究中,提高了其研究水平,并推动了其研究的进程.本文从有机物质生产、土壤有机质来源、食物链传递、温室气体排放以及可溶性有机碳输出5个方面,综述了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究进展.通过植物及土壤δ13C值的测定进行有机质的生产机理研究及外源追溯,通过对比各生物种群的δ13C值分析碳在生态系统中的流动过程,通过湿地排放温室气体及可溶性有机碳δ13C值的测定揭示影响碳输出的环境因子.最后,文章总结了当前研究中存在的问题,并对其研究前景进行了展望.     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度,经过几十年的发展,形成了一系列成熟的标记方法,在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前,自然丰度法、与13C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法;通过将长期定位实验和室内模拟实验结合,量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征,明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制;阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献,评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而,生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响,碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪,结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制,从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此,该文以稳定碳同位素为主,综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展,归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景,并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

树木年轮年内高分辨率稳定同位素记录:方法、进展和展望

树轮稳定同位素比率能有效地记录树木生长过程中气候环境变化信息及树木的生理响应机制。年内高分辨率树轮稳定同位素比率则能够提供更为详细的气候环境信息,揭示树木对季节尺度气候环境变化的生理生态响应机制,在古气候和全球变化生态学研究方面显示出巨大的潜力。本文收集了1990年以来发表的树轮年内高分辨率稳定同位素比率研究论文,从样品剥离方法、α-纤维素化学提取方法以及应用等方面综述了其研究进展,展望了年内高分辨率树轮稳定同位素记录研究的潜力和未来发展方向。     

用天然13C丰度法评估贵州茂兰喀斯特森林区玉米地土壤中有机碳的来源

当森林生态系统转变成农田生态系统时,会把C4植物有机质导入到曾在C3植被下发育的土训中去,使土壤中含有来源不同的土壤有机质,引起碳同位素组成变化。因此,可以利用碳同位素来区分土壤有机质来源,实验结果表明,耕作几十年后原森林土壤有机质的含量仍占有主要地位,来源于原始C3植被的有机碳的比例为66.7％,但容易矿化的、对植物营养有效的有机质含量较低,这与当地的耕作方式有关,需要加强对植物残留物返回土壤工作的管理。     

生态系统服务的生态学机制研究进展

全面认识和理解生态系统服务的生态学机制是加强生态系统服务功能管理的前提,但目前从生态系统服务的生态学机制研究中提供给管理者的信息还非常有限.针对生态系统服务功能的物质基础(生境、生态系统结构和生态系统过程),目前生态系统服务的生态学机制研究主要集中在3个方面:生物多样性与生态系统服务功能关系;生态系统服务功能的时空尺度特征;气候和土地利用变化对生态系统服务功能的影响机制.在综述上述3方面进展的基础上,提出了今后的研究方向.     

稳定同位素技术在水域生态系统研究中的应用

稳定同位素作为一种天然的示踪物,应用十分广泛,其在水域生态学中的应用也日益受到重视。生物同位素组成总是与其食物同位素组成相一致,能随食物的改变而相应地发生改变,是生物生存状况的理想指示物,为水域生态系统食物网结构与功能、物质流与能量流的研究提供了有力的技术支撑。在综评稳定同位素技术原理与方法的基础上,较为详细地对其应用于水域生态研究的理论基础与进展进行了总结。该方法的应用以水域中生产者同位素组成差异为前提,主要涉及确定食物来源、食物的贡献比例、营养级的确定、食物网结构的构建及鱼类等水生生物的洄游及迁移路线等方面,这些研究对了解生态系统的动态变化与外界环境对其影响具有重要意义。并对我国此类研究的前景和存在问题进行了探讨。     

Spatial distributions of biomass and carbon density in natural grasslands of Hebei,China

分析不同草地类型生物量与碳密度空间分布特征及其影响因素, 揭示草地植物碳库的变化规律, 对于了解我国草地生态系统碳汇具有重要意义。2011-2013年以河北省天然草地为研究对象, 调查了不同草地类型的地上活体生物量、凋落物生物量和根系生物量以及各组分的碳密度。结果表明: 温性草原、温性草甸、温性山地草甸、低地盐化草甸、暖性草丛和暖性灌草丛6种草地类型的总生物量差异显著, 其中低地盐化草甸总生物量最高, 为2 770.2 g·m ^-2, 而温性草原最低, 为747.6 g·m ^-2, 前者约为后者的3.7倍; 地上活体生物量最大的是低地盐化草甸, 其次是暖性灌草丛和温性山地草甸, 最小的是温性草原, 分别为285.0、235.1、203.1和110.6 g·m ^-2; 凋落物生物量也是低地盐化草甸最大, 其次是温性山地草甸和温性草甸, 分别为584.0、187.9和91.0 g·m ^-2。6种草地类型的根系生物量均大于地上生物量, 是地上生物量的1.9-4.3倍, 不同草地类型根冠比的平均值为3.1; 低地盐化草甸的根系生物量最高, 为1901.3 g·m ^-2, 温性草原的根系生物量最低, 只有低地盐化草甸的1/3。在各类草地生物量碳密度方面, 低地盐化草甸的地上活体碳密度、凋落物碳密度与根系碳密度均为最大, 分别为132.7、81.2和705.9 g C·m ^-2。草地地上生物量、凋落物生物量和根系生物量以及总生物量均随海拔的升高先减少而后增加(p < 0.05); 草地生态系统总生物量和根系生物量随大于10 ℃积温的增加先降低而后升高(p < 0.01)。该研究中暖性灌草丛多分布在石质山区, 土层很薄, 植物地上生物量和根系生物量都比土层较厚的草甸草原低。可见, 在较大区域比较不同草地类型生物量时, 应综合考虑气候、土壤、地理等因素。     

Diversity and distribution pattern of epiphyllous liverworts and its ecological determinants

Epiphyllous liverworts form a special group of bryophytes that primarily grow on leaves of understory vascular plants, occurring in constantly moist and warm evergreen forest in tropical and subtropical regions. Epiphyllous liverworts may influence ecosystem processes including carbon, nitrogen and water cycles. Furthermore, they are very sensitive to climate change and forest fragmentation, and can be used as bioindicators for changes in ecological conditions and escalating loss of biodiversity. In this paper, we reviewed studies on morphological traits, species diversity, geographical distribution and environmental conditions (including characteristics of hosts and habitats) of epiphyllous liverworts, discussed the possible reasons for the mechanisms underlying the diversity pattern of epiphyllous liverworts. According to these studies, we proposed that further ecological studies on epiphyllous liverworts should be more focused on their formation, mechanisms of matter exchange and energy flux, ecological functions in forest ecosystem, the response to climate changes and their broader-scale ecology.     

Sources of Lipids in Anoxic Lacustrine Sediments Using Stable Carbon Isotopes

The origin of organic matter in recent anoxic sediments of the alpine Lake Bled (NW Slovenia) was determined by analyzing the carbon isotope composition of lipid biomarkers, i.e. alkanes, alcohols, sterols and fatty acids, busing compound specific, carbon isotope analysis. The results indicate that, although biomarker analysis indicated mostly plankton and terrestrial sources for lipids, an important part of sedimentary lipids, especially sterols, are autochthonous, of anaerobic microbial (methanotrophic) origin. Marked differences were observed in δ¹³C values of lipid biomarkers in settling particles collected 2 m above the bottom, and in δ¹³C values determined in surface sediment. These results indicate that even some compounds found in both particulate organic matter and sediments are the same in terms of chemical structures, their sources can be different and thus, isotopic composition should be used as a complementary tool for source identification.     

Characteristics of water and carbon fluxes during growing season in three typical arid ecosystems in central Asia

亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地, 干旱少雨, 生态环境十分脆弱, 研究该地区大气与地表之间的能量和物质交换对干旱区水资源利用和生态环境保护具有重要意义。该文分析了亚洲中部干旱区荒漠与草地生态系统能量、水汽和CO₂通量的日变化及季节变化特征, 探究了水汽和CO₂通量对主要环境因子的响应。通过分析亚洲中部干旱区3个站点的涡度相关资料发现: 亚洲中部干旱区荒漠和草地生态系统在生长季(4-10月)能量、水汽通量、净CO₂通量和总初级生产力的日变化呈“单峰型”, 而荒漠生态系统呼吸日变化相对稳定; 草地生态系统白天的潜热通量占净辐射通量的比例明显高于荒漠生态系统; 草地生态系统在5-8月呈现较强的碳汇, 而荒漠生态系统表现为弱碳汇。亚洲中部干旱区草地和荒漠生态系统水汽通量和总初级生产力对降水、净辐射通量或光合有效辐射、饱和水汽压差、气温均表现出明显的敏感性。     

稳定性同位素技术与Keeling曲线法在陆地生态系统碳/水交换研究中的应用

稳定性同位素技术和Keeling曲线法是现代生态学研究的重要手段和方法之一。稳定性同位素能够整合生态系统复杂的生物学、生态学和生物地球化学过程在时间和空间尺度上对环境变化的响应。Keeling曲线法是以生物过程前后物质平衡理论为基础,将CO₂或H₂O的同位素组成(δD、δ¹³C或δ¹⁸O)与其对应浓度测量结合起来,将生态系统净碳通量区分为光合固定和呼吸释放通量,或将整个生态系统水分蒸散区分为植物蒸腾和土壤蒸发。在全球尺度上,稳定性同位素技术、Keeling曲线法与全球尺度陆地生态系统模型相结合,还可区分陆地生态系统和海洋生态系统对全球碳通量的贡献以及不同植被类型(C₃或C₄)在全球CO₂同化量中所占的比例。然而,生态系统的异质性使得稳定性同位素技术和Keeling曲线法从冠层尺度外推到生态系统、区域或全球尺度时存在有一定程度的不确定性。此外,取样时间、地点的选取也会影响最终的研究结果。尽管如此,随着分析手段的不断精确和研究方法的日趋完善,稳定性同位素技术和Keeling曲线法与其它测量方法(如微气象法)的有机结合将成为未来陆地生态系统碳/水交换研究的重要手段和方法之一。     

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.     

土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响

陆地生态系统是重要的碳库之一,在碳素生物地球化学循环中起着重要作用．本文就森林、农田生态系统,综述了土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响及其可能的作用机制．土地利用变化显著地影响陆地生态系统的结构和功能,造成系统碳贮量的变化,这很大程度取决于生态系统类型和土地利用方式的改变．森林砍伐后变为农田和草地,使生态系统中植被和土壤碳贮量大大降低．土壤碳含量的降低主要是由于凋落物输入的减少,有机质分解速度的提高,以及耕种措施对有机质物理保护的破坏造成的．土壤碳损失主要发生在森林砍伐后较短的时期内,而其降低速率取决于诸多因素以及土壤理化和生物过程．农田和草地弃耕恢复为森林,以及农田保护性管理措施的利用．能够使大气中的碳在植被和土壤中得到汇集．森林恢复过程中植被可以大量汇集大气中的碳,而由于农田耕种历史不同以及土壤空间异质性。导致土壤碳汇集速率差异极大．保护性农田管理措施(诸如免耕、合理的种植制度、化肥的施用等)可以影响土壤理化特性、作物根系生长以及残茬数量和质量、土壤微生物数量和活性,维持和提高土壤碳含量水平．     

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。