草地土壤固碳潜力研究进展

土壤固碳功能和固碳潜力已成为全球气候变化和陆地生态系统研究的重点。草地土壤有机碳库,作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分,其较小幅度的波动,将会影响整个陆地生态系统碳循环,进而影响全球气候变化。因此,深入研究草地土壤固碳功能和固碳潜力对于适应和减缓气候变化具有重要意义。在土壤固碳潜力相关概念界定基础上,结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,从样点及区域尺度上综述了目前关于草地土壤固碳潜力的一般估算方法,同时对各类方法的特点及适用性进行了评述,提出了草地生态系统固碳潜力研究概念模型。最后在对草地土壤固碳的影响因素及固碳措施总结的基础上,阐明了草地土壤有机碳固定研究中存在的问题和发展前景。     

森林溶解性有机碳淋溶驱动机制及模拟研究进展

溶解性有机碳(DOC)淋溶是陆地生态系统碳循环中一个关键环节。森林生态系统是陆地生态系统DOC的主要来源之一。DOC通过淋溶作用进入底层土壤,引起底层土壤有机碳变化。森林生态系统DOC通过地表径流汇集和地下水渗漏进入水体,最终参与海洋碳循环。因此,探索森林生态系统DOC淋溶驱动机制对理解全球碳循环关键过程具有重要意义。本文阐述了森林生态系统DOC来源和去向,总结了DOC淋溶的几种重要驱动机制,包括土地利用、气候变化、酸沉降、大气CO_2增加和土壤铁铝氧化物等影响因素,并归纳了模拟DOC淋溶及输出通量的经验统计模型和过程机理模型的优缺点。结合目前中国森林生态系统DOC研究现状和不足,我们建议建立中国森林生态系统DOC淋溶观测网络,为模型预测DOC变化提供准确和可靠的观测数据。此外,在未来研究中,需要将野外观测-室内实验-模型模拟相结合,深入研究森林生态系统DOC淋溶驱动机制,尤其要加强环境变化情境下典型区域或国家尺度DOC淋溶的模拟研究。     

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。     

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。     

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。     

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。     

淡水生态系统水溶性有机碳对全球变化的响应研究进展

淡水生态系统水溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)是全球碳循环的重要组成部分,也是淡水生态系统异养生物物质和能量来源,其对全球变化的响应很大程度上影响着全球碳汇的大小和淡水生态系统结构和功能。过去对陆地生态系统碳循环的研究较多,而有关淡水生态系统碳循环,特别是淡水生态系统DOC在全球碳循环中的作用及其对气候变化的响应研究相对缺乏。本文综述了近年全球变化对淡水生态系统DOC的影响,以及淡水生态系统DOC对全球变化的反馈。指出了全球变化各因子对淡水生态系统DOC的影响存在交互作用,各因子的影响程度也会随时间、空间而变化。淡水生态系统DOC对全球变的反馈程度也存在时空变异,但该方面的研究十分有限,反馈机制不十分清楚。基于目前研究,本文提出今后值得深入研究的三个方面,即:(1)扩展研究区域和范围,了解DOC在不同区域淡水生态系统中的动态变化特征;(2)加强全球变化对淡水生态系统DOC的组成和结构特征影响的研究;(3)深入研究淡水生态系统DOC对全球变化的反馈程度和机制。     

高原湿地的碳循环

<正>湿地生态系统是陆地生态系统中仅次于森林生态系统的最大碳库,湿地生态系统碳循环在全球碳循环中起着重要作用。湿地独特的水文条件,使得湿地碳循环具有与其他生态系统不同的特点。湿地土壤有机碳的循环过程生态系统有机碳的积累取决于系统植被净初级生产力(NPP)与有机碳分解和净排放之间的差异。湿地植物残体因受湿地多水和还原性强的限制,其分解、转化速度比较缓慢,通常以泥炭或有机质的形式表现为有     

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.     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

Dissolved Organic Carbon in Terrestrial Ecosystems: Synthesis and a Model

The movement of dissolved organic carbon (DOC) through soils is an important process for the transport of carbon within ecosystems and the formation of soil organic matter. In some cases, DOC fluxes may also contribute to the carbon balance of terrestrial ecosystems; in most ecosystems, they are an important source of energy, carbon, and nutrient transfers from terrestrial to aquatic ecosystems. Despite their importance for terrestrial and aquatic biogeochemistry, these fluxes are rarely represented in conceptual or numerical models of terrestrial biogeochemistry. In part, this is due to the lack of a comprehensive understanding of the suite of processes that control DOC dynamics in soils. In this article, we synthesize information on the geochemical and biological factors that control DOC fluxes through soils. We focus on conceptual issues and quantitative evaluations of key process rates to present a general numerical model of DOC dynamics. We then test the sensitivity of the model to variation in the controlling parameters to highlight both the significance of DOC fluxes to terrestrial carbon processes and the key uncertainties that require additional experiments and data. Simulation model results indicate the importance of representing both root carbon inputs and soluble carbon fluxes to predict the quantity and distribution of soil carbon in soil layers. For a test case in a temperate forest, DOC contributed 25% of the total soil profile carbon, whereas roots provided the remainder. The analysis also shows that physical factors—most notably, sorption dynamics and hydrology—play the dominant role in regulating DOC losses from terrestrial ecosystems but that interactions between hydrology and microbial–DOC relationships are important in regulating the fluxes of DOC in the litter and surface soil horizons. The model also indicates that DOC fluxes to deeper soil layers can support a large fraction (up to 30%) of microbial activity below 40 cm. Received 14 January 2000; accepted 6 September 2000     

Climate and landscape influence on indicators of lake carbon cycling through spatial patterns in dissolved organic carbon

Freshwater ecosystems are strongly influenced by both climate and the surrounding landscape, yet the specific pathways connecting climatic and landscape drivers to the functioning of lake ecosystems are poorly understood. Here, we hypothesize that the links that exist between spatial patterns in climate and landscape properties and the spatial variation in lake carbon (C) cycling at regional scales are at least partly mediated by the movement of terrestrial dissolved organic carbon (DOC) in the aquatic component of the landscape. We assembled a set of indicators of lake C cycling (bacterial respiration and production, chlorophyll a, production to respiration ratio, and partial pressure of CO₂), DOC concentration and composition, and landscape and climate characteristics for 239 temperate and boreal lakes spanning large environmental and geographic gradients across seven regions. There were various degrees of spatial structure in climate and landscape features that were coherent with the regionally structured patterns observed in lake DOC and indicators of C cycling. These different regions aligned well, albeit nonlinearly along a mean annual temperature gradient; whereas there was a considerable statistical effect of climate and landscape properties on lake C cycling, the direct effect was small and the overall effect was almost entirely overlapping with that of DOC concentration and composition. Our results suggest that key climatic and landscape signals are conveyed to lakes in part via the movement of terrestrial DOC to lakes and that DOC acts both as a driver of lake C cycling and as a proxy for other external signals.     

森林生态系统可溶性碳和颗粒碳通量

可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和颗粒碳(particulate carbon,PC)通量作为森林生态系统碳收支的重要组分,在森林固碳功能的评价和模型预测中具有重要意义,但常因认识不足、测定困难等而在森林碳汇研究中被忽略。综述了森林生态系统DC和PC的组成、作用、相关生态过程及其影响因子,并展望了该领域应该优先考虑的研究问题。森林生态系统DC和PC主要包括可溶性有机碳、可溶性无机碳和颗粒有机碳,主要来源于生态系统的净初级生产量。DC和PC是森林土壤的活性碳库,主要以大气沉降、穿透雨和凋落物的形式输入森林土壤系统,并通过土壤呼吸、侧向运输及渗透流失的方式输出生态系统。从局域尺度看,DC和PC通量受根系分泌、细根分解、微生物周转等生物过程的影响较大;从区域尺度看,它们受土壤和植被特性、生态过程耦联关系、气候因子以及全球变化的综合影响。该领域应该优先考虑:(1)探索不同时空尺度下森林生态系统DC和PC通量的控制因子及其耦联关系,揭示其中的驱动机理;(2)探索DC和PC与其它森林生态系统碳组分的相互关系及转化,阐明DC和PC通量与其它养分之间潜在的生态化学计量关系;(3)探索全球变化,特别是人类活动(如森林经营)和极端干扰事件(如林火、旱涝、冰冻、冻融交替等)对森林生态系统DC和PC通量的影响。     

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。     

农田作物同化碳输入与周转的生物地球化学过程

作物同化碳在“大气-植物-土壤”系统中流通的生物地球化学过程,显著影响全球陆地生态系统碳循环过程。作物同化碳是土壤有机碳的重要来源,与根际环境及作物生长发育有密切联系,但由于其复杂性和多变性,作物生长期内同化碳在土壤中的分配、转化与稳定的机理尚不十分清楚。因此,综述了作物同化碳向土壤碳库输入及其对土壤有机碳库的贡献,在土壤碳库中的分配与转化特征,在土壤中流通的微生物机制以及同化碳在土壤-微生物系统分配、稳定的微观机制。探讨同化碳在地上部-根际-土壤系统中的分配及调节机制,土壤界面同化碳流动过程与土壤微生物多样性形成的关系;提出了在不同生态系统尺度上加强作物同化碳在土壤-作物系统中分配过程的定量研究对于明确陆地生态碳循环过程的重要意义;指出了研究作物同化碳向土壤碳库迁移、分配定量过程与机制的重要性,以及应用显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术、和微生物分子与群落生态相偶联的技术是未来研究作物同化碳生物地球化学特性的有效手段。     

土壤碳库构成研究进展

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库的构成影响其累积和分解,并直接影响全球陆地生态系统碳平衡,同时也影响土壤质量变化。弄清土壤碳库的组分及构成,是进一步研究土壤碳库变化机制的关键。综述了土壤碳库的组分和构成,对有机碳库进行不稳定性有机碳库和稳定有机碳库归类,描述各类碳库的性质,并对各类碳库的分析测定方法进行了评述。提出在土壤碳构成中增加黑碳和煤炭(碳)以完善土壤有机碳构成框架。在未来研究中,应加强土壤无机碳及湿地土壤和新开发新复垦的重构土壤碳库构成及变化,各类碳库化学构成,交叉重叠的定量关系,碳库之间的转化及在土壤中的迁移,黑碳对土壤碳库稳定性及土壤质量的影响,煤开采扰动区煤炭(碳)对土壤质量的影响及环境效应等科学问题的研究。     

A review of nitrogen enrichment effects on three biogenic GHGs: the CO2 sink may be largely offset by stimulated N2O and CH4 emission

Anthropogenic nitrogen (N) enrichment of ecosystems, mainly from fuel combustion and fertilizer application, alters biogeochemical cycling of ecosystems in a way that leads to altered flux of biogenic greenhouse gases (GHGs). Our meta-analysis of 313 observations across 109 studies evaluated the effect of N addition on the flux of three major GHGs: CO₂, CH₄ and N₂O. The objective was to quantitatively synthesize data from agricultural and non-agricultural terrestrial ecosystems across the globe and examine whether factors, such as ecosystem type, N addition level and chemical form of N addition influence the direction and magnitude of GHG fluxes. Results indicate that N addition increased ecosystem carbon content of forests by 6%, marginally increased soil organic carbon of agricultural systems by 2%, but had no significant effect on net ecosystem CO₂ exchange for non-forest natural ecosystems. Across all ecosystems, N addition increased CH₄ emission by 97%, reduced CH₄ uptake by 38% and increased N₂O emission by 216%. The net effect of N on the global GHG budget is calculated and this topic is reviewed. Most often N addition is considered to increase forest C sequestration without consideration of N stimulation of GHG production in other ecosystems. However, our study indicated that although N addition increased the global terrestrial C sink, the CO₂ reduction could be largely offset (53–76%) by N stimulation of global CH₄ and N₂O emission from multiple ecosystems.