人工灌丛化对荒漠草原生态系统碳储量的影响

宁夏盐池县从20世纪70年代开始在荒漠草原上人工种植柠条灌木用以防风固沙和生态恢复,这一人为措施极大地改变了区域生态系统的植被结构和碳循环,而定量评估人工灌丛化对荒漠草原生态系统碳储量的影响,不仅能够揭示人类活动的碳循环反馈机制,而且可为地方政府生态治理提供理论指导。结合Biome-BGC模型和Logistics生长模型模拟了1958—2017年间荒漠草原人工灌丛化前后的碳储量变化,定量分析了人工灌丛化对生态系统碳储量和组分的影响。结果表明:(1)结合Biome-BGC模型和Logistics生长模型可以较准确地模拟出荒漠草原人工灌丛化过程中生态系统碳储量的变化。(2)人工灌丛化会快速改变荒漠草原的碳储量累积特征,柠条灌木种植后的快速生长阶段极大增强了生态系统的总碳储量,导致生态系统的碳储量特征由草地型向灌木型转变。(3)人工灌丛化改变了生态系统各类型碳储量的组分结构,其对地上植被和枯落物碳储量的影响非常明显,灌丛化后生态系统的植被和枯落物碳分别增加了6倍和1.76倍;因植被碳向土壤碳转化过程较慢,故人工灌丛化对地下土壤碳储量的影响在短期内较为微弱。以上结果显示,荒漠草原人工灌丛化能显...     

宁夏典型温性天然草地固碳特征

本文研究了宁夏草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种温性典型天然草地生态系统碳储量及其构成特征。结果表明: 草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量分别为1178.91、481.22、292.80和209.09 g·m^-2。其中,地下根系生物量是构成草甸草原和温性草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的73.1%和56.6%;地上植被生物量是构成草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的50.3%和47.6%;枯落物生物量占比较低,分别仅为8.5%、8.0%、6.4%和16.2%。草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种天然草地生态系统碳储量分别为13.90、5.94、2.69和2.37 kg·m^-2,其中植被碳储量分别为470.26、192.23、117.17、83.36 g·m^-2,0～40 cm土层土壤有机碳储量分别为13.43、5.75、2.58和2.29 kg·m^-2,土壤有机碳储量是构成宁夏典型天然草地碳储量的主体,分别占到了生态系统碳储量的96.6%、96.8%、95.6%和96.5%。4种草地类型植被总生物量、植被碳储量、土壤有机碳储量和生态系统碳储量均表现为:草甸草原＞温性草原＞草原化荒漠＞荒漠草原。     

宁夏天然草地植被碳储量特征及构成

以宁夏广泛分布的温性草甸草原、温性草原、温性草原化荒漠和温性荒漠草原为研究对象,采用实地调查采样的方法,研究了宁夏天然草地植被总碳储量。结果表明: 宁夏天然草地地上植被、地下根系及主要灌木平均含碳率为0.40,枯落物平均含碳率为0.39。草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原的植被总碳储量分别为470.26、192.23、117.17和83.36 g·m^-2,其中,地上植被碳储量分别为87.35、68.50、59.32和40.05 g·m^-2,地下根系碳储量分别为344.29、108.83、50.65和30.29 g·m^-2,枯落物碳储量分别为38.62、14.91、7.19和13.03 g·m^-2,且均表现为草甸草原＞温性草原＞草原化荒漠＞荒漠草原。地下根系碳储量是构成草甸草原和温性草原植被总碳储量的主体,地上植被碳储量是构成草原化荒漠和荒漠草原植被总碳储量的主体,且地下根系碳储量均随土层深度加深而递减。宁夏天然草地植被总碳储量空间分布呈现草甸草原和温性草原分布的南部区域碳储量明显高于荒漠草原和草原化荒漠分布的中北部区域。     

土壤微生物群落对枯落物输入的响应

枯落物分解在陆地生态系统物质循环能量流动中起着关键性作用,明确枯落物输入对土壤微生物群落的影响有助于理解土壤微生物生物多样性和陆地生态系统功能的相互关系。本文采用整合分析方法,以中国为研究区域,以不添加枯落物为对照组,探究土壤微生物(真菌、细菌、放线菌)及微生物生物量碳、生物量氮对枯落物输入的响应。结果表明:与不添加枯落物相比,添加枯落物后土壤微生物生物量碳、生物量氮分别显著增加3.9%和4.4%;土壤真菌PLFA、细菌PLFA及总微生物PLFA分别增加4.0%、3.1%和2.4%。枯落物输入对土壤微生物的影响受到气候条件、年降水量、植被类型及土壤酸碱度等因素的显著影响;不同气候类型下,土壤微生物对枯落物输入的响应呈现出亚热带季风气候区>温带季风气候区>温带大陆气候区的趋势,以及随着年降水量的增加呈现出先升高后降低的趋势;不同植被类型下,土壤微生物对枯落物输入的响应呈现出阔叶林>草地≈混交林>针叶林的趋势。     

典型亚热带森林生态系统碳密度及储量空间变异特征

以浙江省森林生态系统为研究对象,基于GIS网格布点,采集了838个森林样地样本(土壤、枯落物等),结合浙江省森林资源监测中心相关数据,利用地统计学和Moran's I相结合的方法系统研究了浙江省森林生态系统碳密度及碳储量空间变异特征。结果表明:浙江省森林生态系统平均碳密度为145.22 t/hm~2,其中森林植被、土壤、枯落物和枯死木层碳密度分别为27.34、108.89、1.79、1.38 t/hm~2。克里格空间插值和局部Moran's I指数结果表明碳密度空间分布规律呈现从西南向东北方向逐渐递减的趋势,与浙江省地形、地势较为一致,受海拔、树龄、森林类型、台风气候等自然因素和人类活动共同影响。浙江省森林生态系统碳储量为877.19 Tg C,森林植被、土壤、枯落物和枯死木层碳储量分别为203.88、656.20、10.84、6.27 Tg C,分别占总碳储量的23%、75%、1.3%、0.7%。在浙江省森林生态系统碳储量空间分布格局中,土壤层是森林生态系统中最大的碳库,约是森林植被层的3.22倍,是整个浙江省森林生态系统碳储量最主要的贡献者。浙江省森林资源丰富,大多数森林仍处于中幼龄林阶段,碳密度水平较低,但是中幼龄林生长速度较快,加强对全省中幼龄林的健康管理,是未来整体提升浙江省森林生态系统固碳潜力的关键。     

陕西省森林生态系统碳储量分布格局分析

为明晰陕西省森林生态系统碳储量分布格局, 基于2009年森林资源清查资料和2011年调查所得样地实测数据, 对陕西省森林生态系统碳储量、碳密度及其空间分布特征进行了研究分析。结果表明: 陕西省森林生态系统总碳储量为790.75 Tg, 土壤层、植被层和枯落物层碳储量分别占总碳储量的72.14%、26.52%和1.34%; 其中, 栎类碳储量在各森林类型中所占比重最大(44.17%), 中、幼龄林是陕西省森林生态系统碳储量的主要贡献者, 约占总碳储量的49%。陕西省森林生态系统平均碳密度为123.70 t·hm^-2, 土壤层最大, 枯落物层最小, 植被层居中; 碳密度均随龄级增加而升高, 同一龄级表现为天然林高于人工林生态系统。此外, 陕西省森林生态系统碳储量、碳密度分布格局不尽一致, 反映了森林覆盖面积及森林质量对碳储量的影响。未来应加强林地抚育管理水平, 增加造林再造林面积以增加碳储存, 应对全球气候变化。     

Analysis on carbon stock distribution patterns of forest ecosystems in Shaanxi Province

 为明晰陕西省森林生态系统碳储量分布格局, 基于2009年森林资源清查资料和2011年调查所得样地实测数据, 对陕西省森林生态系统碳储量、碳密度及其空间分布特征进行了研究分析。结果表明: 陕西省森林生态系统总碳储量为790.75 Tg, 土壤层、植被层和枯落物层碳储量分别占总碳储量的72.14%、26.52%和1.34%; 其中, 栎类碳储量在各森林类型中所占比重最大(44.17%), 中、幼龄林是陕西省森林生态系统碳储量的主要贡献者, 约占总碳储量的49%。陕西省森林生态系统平均碳密度为123.70 t·hm^–2, 土壤层最大, 枯落物层最小, 植被层居中; 碳密度均随龄级增加而升高, 同一龄级表现为天然林高于人工林生态系统。此外, 陕西省森林生态系统碳储量、碳密度分布格局不尽一致, 反映了森林覆盖面积及森林质量对碳储量的影响。未来应加强林地抚育管理水平, 增加造林再造林面积以增加碳储存, 应对全球气候变化。     

长沙市区马尾松人工林生态系统碳储量及其空间分布

采用样方法和取样法,研究了长沙市区13年生马尾松林生态系统碳含量、碳储量及其空间分布特征。结果表明:马尾松林木各器官平均碳含量为511.17 g/kg,从高到低排列顺序为叶>干>根>皮>枝;林下灌木层、草本层、枯落物层的平均碳含量分别为531.66、465.53、393.92g/kg。林地土壤层有机碳含量为9.40—24.73 g/kg,各层次碳素含量分布不均,表层(0—15cm)土壤碳素含量较高,并随土壤深度的增加而逐渐下降。生态系统碳库的空间分布序列为土壤层>植被层>枯落物层。植被层的碳储量为34.50t/hm2,占整个生态系统碳总储量的21.57%;乔木层碳储量占整个生态系统的20.27%,占植被层碳储量的93.97%。乔木层碳储量中,树干的碳储量最高,占乔木层碳储量的65.52%,其次为根,占乔木层碳储量的19.15%,树皮最少,仅占2.10%;枯落物层碳储量为3.81 t/hm2,仅占整个生态系统碳储量的2.38%;林地土壤层(0—60cm)碳储量相当可观,为121.62 t/hm2,占系统碳储量的76.05%。马尾松林年净生产力为4.88 t.hm-.2a-1,有机碳年净固定量为2.50 t.hm-.2a-1,折合成CO2的量为9.16 t.hm-.2a-1。     

海南儋州橡胶树、桉树人工林碳储量及其动态变化

量化橡胶树和桉树人工林碳储量, 为评价海南地区碳汇功能和可持续管理功能提供重要依据。在海南省儋州市选择不同林龄的橡胶树和桉树人工林, 设置样地测算乔木层、林下植被和枯落物的生物量, 土壤分层采集0-100cm 土样,依据相对方程, 计算橡胶树和桉树人工林生态系统的碳含量和碳储量。结果表明: 不同林龄橡胶树和桉树人工林林下植被碳含量变化幅度为38.09%-45.31%, 枯落物碳含量为38.50%-47.52%之间。0-100 cm 土层碳含量变化幅度为0.31%-1.62%, 各林分土壤含碳率均随土层深度增加而减少, 除底层(50-100cm)土壤外, 其它层次不同林分土壤有机碳的含量均表现为橡胶林＞桉树林。橡胶树、桉树人工林生态系统总碳储量分别为160.01 和86.33 tC·hm–2, 桉树人工林生态系统碳储量均表现为随林龄的增加而增加, 橡胶树各林龄碳储量均高于桉树。橡胶树、桉树人工林乔木碳储量分别占其总碳储量的36.87%和23.92%。橡胶树和桉树人工林下植被碳储量表现为橡胶树(0.78 tC·hm–2)>桉树(0.49 tC·hm–2), 枯落物碳储量分别占其总碳储量的1.00%和1.56%。橡胶树、桉树人工林土壤碳储量分别为96.22 和63.88 tC·hm–2, 橡胶树人工林土壤碳储量高于桉树, 0-50 cm 土层碳储量成为土壤的主体, 橡胶树0-50 cm 土层碳储量占其土壤总碳储量的64.39%, 桉树为54.35%。乔木层和土壤层碳储量是整个森林生态系统碳贮量的主要部分。橡胶人工林生态系统的固碳速率和固碳潜力分别为4.20 tC·hm–2·a–1 和64.78 tC·hm–2, 桉树人工林生态系统的固碳速率和固碳潜力分别为11.06 tC·hm–2·a–1和23.98 tC·hm–2。两个树种均具有较高的固碳能力, 是海南营造高效固碳人工林的理想树种。     

The response of ecosystem carbon and nitrogen pools to experimental warming in grasslands: a meta-analysis

草地生态系统碳氮库对增温响应的整合分析 陆地生态系统碳氮耦合过程有可能改变全球碳循环对气候变化的敏感性。然而,碳氮的交互作用对陆地生态系统碳固存的贡献仍不明确。本研究采用Meta分析的方法量化了野外增温条件下草地碳氮储量的变化,并且进一步评估了3个主要的碳氮耦合过程(生态系统氮总量的变化,氮在植被和土壤之间的重新分配,植被与土壤碳氮比的变化)对草地碳固存的相对贡献。增温使得土壤、凋落物 和植被的碳氮比增加,并导致约2%的氮从土壤转移到植被和凋落物中。增温提高了植被和凋落物的碳储量(111.2 g m⁻²),而降低了土壤的碳储量(30.0 g m⁻²),由此可见,增温提高了整个草地生态系统的碳储量。碳氮比的变化是温度升高条件下草地碳储量增加的主要贡献者,氮的重新分配次之。相反,氮总量的减少则降低了生态系统的碳储量。这些结果表明,温度升高对草地生态系统碳氮储量的变化及其耦合过程具有显著的影响,建议生态模型考虑碳氮循环的交互作用,以便更准确地预测未来陆地碳储量的变化。     

不同放牧强度下短花针茅荒漠草原植被-土壤系统有机碳组分储量特征

草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在全球碳循环中发挥着重要作用。以内蒙古短花针茅荒漠草原不同放牧强度样地为研究对象,通过分析地上植物、凋落物、根系、土壤中有机碳和土壤轻组有机碳,研究草原植被-土壤系统有机碳组分储量的变化特征,从碳储量角度为合理利用草原提供指导。研究结果表明:(1)不同放牧强度荒漠草原地上植物碳储量为11.98—44.51 g/m~2,凋落物碳储量10.43—36.12 g/m~2,根系(0—40cm)碳储量502.30—804.31 g/m~2,且对照区(CK)均显著高于中度放牧区(MG)、重度放牧区(HG);(2)0—40cm土壤碳储量为7817.43—9694.16 g/m~2,其中轻度放牧区(LG)碳储量为9694.16 g/m~2,显著高于CK、HG(P0.05);(3)植被—土壤系统的碳储量为8342.14—10494.80 g/m~2,LGMGCKHG,有机碳主要储存于土壤当中,占比约90.54%—93.71%,适度放牧利用有利于发挥草地生态系统的碳汇功能;(4)土壤轻组有机碳储量为484.20—654.62 g/m~2,LG储量最高,表明适度放牧有助于草原土壤营养物质的循环和积累。     

贵阳市区灌木林生态系统生物量及碳储量

采用直接收获法和实测数据,以贵州省贵阳市区天然灌木林内木本和草本植物、凋落物及土壤为研究对象,研究了灌木林生态系统的生物量、碳含量及碳储量。结果表明:灌木林植被层生物量为23.16 t/hm2,其中木本植物层生物量为12.46 t/hm2;草本植物层为3.74 t/hm2;凋落物层为6.96 t/hm2,分别占植被层生物量的53.08%、16.15%、30.05%。木本植物25种的碳含量范围为445.91—603.46 g/kg;草本植物6种的碳含量为408.48—523.04 g/kg;凋落物层碳含量为341.01—392.81 g/kg;土壤层碳含量为5.73—26.68 g/kg。生态系统总碳储量为88.34 t/hm2,其中植被层为8.10 t/hm2;凋落物层为2.56 t/hm2;土壤层为77.68 t/hm2,分别占系统总碳储量的9.17%、2.89%、87.94%。灌木林生态系统碳储量的空间分布格局为:土壤层植被层凋落物层。研究结果,可为喀斯特城市估算森林生态系统碳储量和碳平衡提供科学依据。     

黄土高原草地植被碳密度的空间分布特征

草地是世界上分布最广的植被类型之一,作为陆地生态系统的重要组成部分,参与了全球碳源/汇及碳循环过程,在全球气候变化中扮演着重要角色,并对其产生重大影响。以黄土高原草地植被为研究对象,结合国家退耕还林草与封山禁牧工程的实施,对封禁前后的天然草地和退化草地,采用样带多点调查与多年定位测定相结合的方法,分析了黄土高原不同类型草地植物活体、凋落物和根系碳密度分布格局与地带性规律,系统研究了黄土高原不同草地类型退化草地和封禁草地生物量与碳密度沿海拔及降水梯度的时空变异特征,阐述了影响草地碳密度分布的主要驱动因子及其作用机理。结果表明:4种草地类型3种处理的草地生物量和碳密度自西北向东南均与降雨量呈指数增长趋势,并随海拔降低而显著降低,且二者呈显著的线性回归关系;各草地类型地上/地下生物量与碳密度分布规律均为荒漠草原<丘陵典型草原<梁塬典型草原<草甸草原;封禁11a草地活体植物、凋落物和根系碳密度总量:荒漠草原为7.066 t/hm2,丘陵典型草原为8.080 t/hm2,梁塬典型草原为15.319 t/hm2,草甸草原为20.982 t/hm2,分别是退化草地的14.8、8.33、6.5倍和15.88倍。充分表明,封禁不仅能使草地植被恢复和生物量提高,而且也是草地生产力和碳密度增加的一条重要途径。由此可见,气候干旱和草地退化是影响草地生物量和碳密度的关键因素,系统研究黄土高原封禁草地生物量增长与碳密度变化过程,将会对未来全球气候变化分析作出重要贡献。     

库布齐东段不同植被恢复阶段荒漠生态系统碳氮储量及分配格局

为科学评价植被恢复促进沙漠化逆转对碳氮储量的影响,以流动沙地、半固定沙地、油蒿固定沙地、柠条固定沙地、沙柳固定沙地5个阶段荒漠生态系统为研究对象,采用时空替代法分析植被恢复过程中荒漠生态系统碳氮储量及分配格局。结果表明:不同恢复阶段碳氮储量均表现为:流动沙地(3320.97 kg C/hm~2、346.69 kg N/hm~2)半固定沙地(4371.46 kg C/hm~2、435.95 kg N/hm~2)油蒿固定沙地(6096.50 kg C/hm~2、513.76 kg N/hm~2)柠条固定沙地(9556.80 kg C/hm~2、926.31 kg N/hm~2)沙柳固定沙地(19488.54 kg C/hm~2、982.11 kg N/hm~2)。植被层碳氮储量均呈现随植被恢复逐渐增加的趋势,除流动沙地外,其他阶段碳氮储量均以灌木层为主,占比分别为66.65%—91.41%和52.94%—93.39%,草本和凋落物占比较小。灌木各器官生物量及碳储量分配均为:茎根叶,氮储量分配无明显规律,草本各器官生物量及碳氮储量分配均为地上部分高于地下部分。土壤层是荒漠生态系统碳氮储量的主体,碳储量占比为68.64%—99.62%,氮储量占比为89.26%—99.89%,同样呈现随植被恢复逐渐增加的趋势。碳氮储量随土层加深逐渐降低,具有明显的表层富集特征,且随植被恢复过程富集性显著加强。这说明人工建植促进植被演替实现沙漠化逆转可以显著增强荒漠生态系统的碳氮固存能力。     

Primary Productivity and Precipitation-Use Efficiency in Temperate Grassland in the Loess Plateau of China

Clarifying spatial variations in aboveground net primary productivity (ANPP) and precipitation-use efficiency (PUE) of grasslands is critical for effective prediction of the response of terrestrial ecosystem carbon and water cycle to future climate change. Though the combination use of remote sensing products and in situ ANPP measurements, we quantified the effects of climatic [mean annual precipitation (MAP) and precipitation seasonal distribution (PSD)], biotic [leaf area index (LAI)] and abiotic [slope gradient, aspect, soil water storage (SWS) and other soil physical properties] factors on the spatial variations in ANPP and PUE across different grassland types (i.e., meadow steppe, typical steppe and desert steppe) in the Loess Plateau. Based on the study, ANPP increased exponentially with MAP for the entire temperate grassland; suggesting that PUE increased with increasing MAP. Also PSD had a significant effect on ANPP and PUE; where more even PSD favored higher ANPP and PUE. Then MAP, more than PSD, explained spatial variations in typical steppe and desert steppe. However, PSD was the dominant driving factor of spatial variations in ANPP of meadow steppe. This suggested that in terms of spatial variations in ANPP of meadow steppe, change in PSD due to climate change was more important than that in total annual precipitation. LAI explained 78% of spatial PUE in the entire Loess Plateau temperate grassland. As such, LAI was the primary driving factor of spatial variations in PUE. Although the effect of SWS on ANPP and PUE was significant, it was nonetheless less than that of precipitation and vegetation. We therefore concluded that changes in vegetation structure and consequently in LAI and/or altered pattern of seasonal distribution of rainfall due to global climate change could significantly influence ecosystem carbon and water cycle in temperate grasslands.     

Differential responses of production and respiration to temperature and moisture drive the carbon balance across a climatic gradient in New Mexico

Southwestern North America faces an imminent transition to a warmer, more arid climate, and it is critical to understand how these changes will affect the carbon balance of southwest ecosystems. In order to test our hypothesis that differential responses of production and respiration to temperature and moisture shape the carbon balance across a range of spatio‐temporal scales, we quantified net ecosystem exchange (NEE) of CO₂ and carbon storage across the New Mexico Elevational Gradient, which consists of six eddy‐covariance sites representing biomes ranging from desert to subalpine conifer forest. Within sites, hotter and drier conditions were associated with an increasing advantage of respiration relative to production such that daily carbon uptake peaked at intermediate temperatures – with carbon release often occurring on the hottest days – and increased with soil moisture. Across sites, biotic adaptations modified but did not override the dominant effects of climate. Carbon uptake increased with decreasing temperature and increasing precipitation across the elevational gradient; NEE ranged from a source of ～30 g C m^?2 yr^?1 in the desert grassland to a sink of ～350 g C m^?2 yr^?1 in the subalpine conifer forest. Total aboveground carbon storage increased dramatically with elevation, ranging from 186 g C m^?2 in the desert grassland to 26 600 g C m^?2 in the subalpine conifer forest. These results make sense in the context of global patterns in NEE and biomass storage, and support that increasing temperature and decreasing moisture shift the carbon balance of ecosystems in favor of respiration, such that the potential for ecosystems to sequester and store carbon is reduced under hot and/or dry conditions. This implies that projected climate change will trigger a substantial net release of carbon in these New Mexico ecosystems (～3 Gt CO₂ statewide by the end of the century), thereby acting as a positive feedback to climate change.