岩溶区土壤微生物驱动的自养固碳过程与机制研究进展

自养微生物能够利用无机碳作为碳源合成自身营养物质,具有很强的环境适应能力,在富钙偏碱的岩溶区土壤的碳固定过程中扮演重要角色。本文综述了土壤微生物驱动的自养固碳过程、岩溶区土壤固碳功能微生物、自养固碳的分子机制及其产生的生态环境效应,并提出了亟待解决的关键科学问题。为深入研究和认识岩溶区土壤生态系统自养微生物驱动的固碳过程及其机制、提高岩溶区土壤的固碳潜能、发展岩溶区生态环境的保护与修复策略、应对气候变化及人类活动引起的土壤退化风险提供参考。     

微藻固碳技术研究现状及发展思路

人类工农业生产造成大量CO2的排放,特别是化石原料的大量使用,使大气中CO2浓度升高,产生温室效应.采用微藻固碳技术对集中排放的CO2进行合理利用,是一个实现碳减排和碳循环的可行方法.如何经济合理的实现该技术的产业化成为关键.文章对微藻固碳技术的研究现状进行了归纳分析,并对微藻固定CO2技术的发展及产业化前景进行了探讨.     

西南岩溶区植被碳循环研究进展

由于岩溶关键带是地球关键带系统中重要的部分,岩溶区的植被是陆地生态系统重要的碳汇项,岩溶区植被的地上部分通过植物生长固碳的同时其地下部分的碳储量也非常可观,地下生物量生长和凋落物分解也会提高土壤有机碳和无机碳的含量,因此岩溶区植被碳循环已成为当前岩溶碳汇研究的热点之一。该文梳理了近四十年来岩溶植被固碳过程的研究文献,阐述了西南岩溶区植被特有的生理学特征,重点论述了以下4个方面的内容:(1)西南岩溶区植被生物量、生产力、碳储量评估;(2)西南岩溶区植被时空变化格局与碳源汇效应;(3)岩溶区植被碳利用特殊机制;(4)岩溶区植被碳循环模型预测与碳汇潜力。同时,提出了目前研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望,认为今后应在岩溶区植被碳循环的相关参数系统测定和机理过程研究,精细识别西南岩溶地区植被景观类型、量化固碳过程,以及对岩溶植被碳循环模型进行校正和修改等方面开展研究。该文可为深入理解岩溶区碳的时空演化规律、探索区域碳循环机理提供参考。     

化学吸收剂单乙醇胺强化小球藻生长代谢及固碳效应的研究

近年来,为应对化石燃料燃烧造成的CO_(2)过度排放及由此带来的全球变暖和能源枯竭等问题,微藻固碳联产高值产品的CO_(2)减排策略备受关注,尤其是基于化学吸收法耦合能源微藻固碳的培养体系已成为新的研究热点。本文以优良CO_(2)耐受小球藻Chlorella sp.为试验藻株,探究添加不同质量浓度化学吸收剂单乙醇胺(MEA)在体积分数为20%的CO_(2)和通气比为0.33的条件下对小球藻生理生化特性及固碳效应的影响。结果表明,添加MEA可缓解由高浓度CO_(2)造成的培养基酸化对微藻的生长抑制,且适宜质量浓度的MEA可以有效提高小球藻的生长代谢、CO_(2)固定效率及光合活性。在50 mg/L MEA的条件下,小球藻的生物量、CO_(2)固定率和油脂含量达到最大值,分别为3.07 g/L、0.55 g CO_(2)(/L·d)和23.5%,与无MEA的对照相比分别提高了43.7%、45.6%和21.7%。综上所述,50 mg/L质量浓度的MEA作为CO_(2)吸收剂用于微藻培养体系可以显著提升小球藻在高浓度CO_(2)条件下的生物量、油脂积累以及固碳效率。以上结果可为微藻CO_(2)生物减排及清洁能源开发提供理论依据。     

岩溶土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制

在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下,岩溶碳循环活跃,在全球形成8.24×108 t C/a的岩溶碳汇,约占全球遗漏汇的29.4%,其中部分岩溶碳汇以土壤有机碳的形式固存,因此碱性土壤固碳是未来碳中和的主要途径。微生物作为土壤碳循环的重要驱动者,影响着土壤有机碳主要赋存形式即植物残体碳与微生物残体碳的动态变化。本文通过综述岩溶土壤有机碳库储量、岩溶土壤有机碳库的来源与构成、影响岩溶土壤有机碳库动态的微生物因素以及岩溶土壤有机碳库更新的微生物机制,探讨了微生物对岩溶土壤植物残体碳与微生物残体碳的影响,并提出亟待解决的关键科学问题。这为深入研究岩溶区土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制,深化对岩溶土壤碳循环及其微生物机理认识,进而为应对千分之四全球土壤增碳计划提供了参考。     

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。     

土壤微生物碳泵概念体系2.0

土壤微生物在陆地生态系统元素循环中扮演着关键角色,对土壤健康、粮食安全和全球气候变化发挥着重要的调节作用。土壤微生物同化代谢产物对土壤碳储存与有机质维持的贡献不容忽视。近年来,以微生物代谢和死亡残体生成过程为核心提出的土壤微生物碳泵概念体系得到了广泛关注,它主要描述了以土壤异养微生物代谢为驱动的土壤有机碳形成和稳定化过程,是目前陆地生态系统碳固存的重要机制体系与研究热点。本文对该体系的研究进展进行了梳理,并提出了引入自养微生物固碳通道与结合土壤矿物碳泵概念的土壤微生物碳泵概念体系2.0,以期丰富和完善现有的微生物介导的陆地生态系统土壤碳循环与固持机制,为实现我国“双碳”目标提供理论支撑。     

重庆岩溶区土壤有机碳库的估算及其空间分布特征

基于重庆市第二次土壤普查和2007年测土配方施肥的1 412个土壤剖面数据,结合重庆岩溶区土壤图、土地利用现状图和行政区划图,在地理信息系统技术的支持下,对重庆岩溶区土壤有机碳密度及储量进行了估算,同时引入有机碳丰度指数这一指标,对有机碳在不同土壤和不同景观中的分布特征进行了分析.结果表明:重庆岩溶区20 cm和100 cm深度的土壤有机碳储量分别为1.43×1011 kg和3.29×1011 kg.不同土地利用方式下重庆岩溶区土壤有机碳密度分布不均匀,20 cm深度的土壤有机碳密度介于1.26～7.20 kg m-2之间,100 cm深度的土壤有机碳密度介于1.43～25.72 kg m-2之间.重庆岩溶区土壤有机碳库在不同土壤和不同景观中的分布具有高度的空间变异性,20 cm深度的土壤和景观有机碳丰度指数分别在0.73～1.74和0.39～1.20之间,100 cm深度的土壤和景观有机碳丰度指数分别在0.32～3.00和0.46～1.70之间.与全国的平均水平相比,单位面积上20 cm深度土壤有机碳储量重庆岩溶区高于全国的平均水平,但单位面积上100 cm深度土壤有机碳储量重庆岩溶区低于全国的平均水平,总体而言,重庆岩溶区是土壤有机碳储量相对贫乏的区域.     

海洋微型生物储碳过程与机制概论

在全球气候环境演变的背景下,认识海洋微型生物对碳循环的贡献,需要了解其过程和机制.最近提出的“微型生物碳泵”理论阐释了海洋储碳的一个新机制:微型生物活动把溶解有机碳从活性向惰性转化,从而构成了海洋储碳.这个过程当中,自养与异养细菌、病毒、原生动物等具有不同生理特性微型生物类群扮演着不同的生态角色,本文将围绕微型生物碳泵主线分别论述之.     

“双碳”目标下山水林田湖草沙一体化保护和修复工程优先区与技术策略研究

巩固与提升生态系统碳汇能力是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。生态保护修复对生态系统固碳增汇有着重要影响。2016—2021年,财政部、自然资源部、生态环境部在我国27个省(自治区、直辖市)共支持了三批山水林田湖草生态保护修复工程试点和第一批山水林田湖草沙一体化保护和修复工程,共35个山水工程。通过分析已部署的35个山水工程布局的空间特征和碳汇效益,结合国家重点关注的生态保护修复区域、全国重要生态系统保护和修复重大工程分布、生态系统碳汇重要区域和敏感区域,探索“双碳”目标下山水工程布局优先区及生态保护修复技术策略。研究发现山水工程的碳汇效益具有空间差异性,且山水工程优先区主要依次分布在青藏高原生态屏障区、东北森林带、长江重点生态区(含川滇生态屏障)、南方丘陵山地带、黄河重点生态区(含黄土高原生态屏障)、北方防沙带等的森林、高原草地、荒漠、岩溶地区等区域。基于此,提出未来山水工程在不同区域的技术策略。在森林生态系统为主地区,不仅要提高森林覆盖度、森林质量,还应当加强生物多样性的保护和土壤碳汇能力的提升;在高原草原及冻土地区应加强草地退化和冻土监测,提高草地质量;在西北荒漠化地区加强碳...     

喀斯特风水林和荒山生态系统碳储量的研究

所研究的风水林和荒山属于喀斯特地貌。喀斯特森林是一种脆弱的低生物量生态系统,土壤贫瘠,自我修复能力低,易受人为因素干扰。风水林指人们居住地附近的一片茂盛的森林,认为有神居住而崇拜,严禁被砍伐和破坏。荒山是喀斯特森林植被在人为干扰后出现岩石裸露产生的石漠化现象。该研究通过野外调查、实验室分析、数理统计等对广西罗城喀斯特风水林和荒山生态系统碳储量进行对比性研究。结果表明:喀斯特风水林植被、土壤和枯落物碳储量分别是荒山的7.42倍、5.9倍和1.1倍,风水林和荒山生态系统碳储量分别为137.06、93.73 t·hm~(-2),其中土壤碳库贡献率最高,而林下植被和枯落物却较低,表明风水林森林生态系统碳储量明显高于荒山。通过风水林和荒山的碳储量比较研究,为评价风水林碳汇提供依据,为制定森林管理政策、保护村社水平的植被提供数据参考。此外,还探讨了少数民族朴素的生态伦理思想在保护森林和增汇方面的作用,丰富了生态伦理学内容,对传承和弘扬少数民族传统文化、恢复生态具有重要意义。     

海岛陆地生态系统固碳估算方法

陆地生态系统在调节全球碳平衡和减缓全球气候变化中起着重要作用。海岛作为一种特殊的生态系统,生物群落和环境与大陆基本相似。虽然海岛生态结构相对简单,物种的丰富程度比大陆低,但对全球碳循环也有一定的影响。在海岛陆地生态系统中,森林和灌草的种属相对较少,且不同纬度的海岛森林植被种属差异明显,可采用典型样地清查和生物量模型估算相结合的方法估算乔木层和灌草层的碳储量。采用模型估算固碳潜力时,根据海岛生态环境的特殊性,综合考虑岛陆面积、季节、风向、坡度、坡向、海拔、平均温度、降雨量、土壤理化性质等参数对其碳储量估算的影响。海岛植被生物多样性影响其土壤碳储存的生态服务功能,利用多元统计分析方法,建立岛陆植物物种丰度与土壤碳储量的空间回归模型,明确植物多样性的改变对岛陆土壤固碳能力的影响。此外,从土壤固碳的角度而言,海岛土壤-植物-微生物间相互作用是其重要的研究方向。利用现代分子生物学技术,研究海岛陆地生态系统的土壤-植物-微生物相互作用关系,有利于海岛土壤固碳潜力估算精度的提高。     

煤矿废弃地生态修复的土壤有机碳效应

采煤使得植被和土壤遭到损毁破坏,导致原生态系统碳汇功能的急剧退化甚至完全丧失。采煤堆积的煤矸石可发生氧化自燃,是巨大的CO_2排放源。生态修复对减少矿区碳排放及减缓大气温室效应具有重要意义。分析了国内外煤矿废弃地生态修复后的土壤有机碳动态特征,修复模式、修复时间和修复措施对土壤有机碳及其活性组分的影响,总结了土壤固碳的主要影响因子。研究结果表明,土壤有机碳在人工植被修复和有机物添加后增加显著,且与修复时间成正比。煤矿废弃地通过采取适宜的生态修复措施,有很大的土壤固碳潜力。未来应加强团聚体固碳等土壤固碳机理和土壤活性有机碳等科学问题的研究,以期为退化区生态修复进程中土壤固碳功能提升提供参考。     

1990-2030年中国主要陆地生态系统碳固定服务时空变化

以中国森林、草地、湿地等主要陆地生态系统为研究对象,估算了植被和土壤有机碳固定量现状与近20年生态系统碳固定变化量,预测了未来20年3种不同社会经济发展情景下主要陆地生态系统的碳固定潜力,评估了我国主要陆地生态系统碳固定服务的现状、过去变化及未来潜力。结果表明：（1）2010年,中国主要陆地生态系统碳固定总量达17.29PgC,其中植被碳固定量8.70PgC,30cm深度土壤有机碳固定量8.59PgC。其中,森林碳固定量占73.26%,草地占21.55%,湿地占5.18%。（2）1990-2000年,我国主要陆地生态系统碳固定总量减少了2.15%,其中森林、草地和湿地分别减少了1.12%、0.97%、20.19%。2000-2010年,碳固定总量增加了2.92%,其中森林增加了3.72%,草地和湿地分别减少了0.62%和5.59%。（3）前、后两个10年相比,碳固定总量从轻微下降转变为轻微上升趋势。其中,森林碳固定量从下降趋势转变为上升趋势,说明生态工程成效明显。草地碳固定量处于基本持衡态势,碳固定减少量和减少比例有所下降,湿地碳固定量的下降趋势亦有所缓解,说明草地退化、湿地破坏趋势有所遏制,但仍需要重点关注。（4）至2030年,3种社会经济发展情景下,我国主要陆地生态系统碳固定总量将呈现较明显的上升态势,增量可达430.11-498.06TgC,增加比例5.15-5.97%,以森林碳固定量增加为主,而草地碳固定服务呈现微弱减少态势。     

生物土壤结皮在喀斯特生态治理中的应用潜力

喀斯特地区生境条件复杂,生态系统脆弱,其中石漠化成为制约喀斯特地区发展的重要因素。该文综述了生态系统中生物土壤结皮的可抗逆性特征及其对加速母岩成土速率、提高地表抗侵蚀力、改善土壤环境状态,调控降水下渗、改变土壤中水分再分配格局、促进土壤微生物和植被演替以及提高生物多样性的关键作用。探讨了生物土壤结皮与喀斯特生态系统的反馈机制及人工培育结皮植被对石漠化防治的应用潜力。此外,生物土壤结皮与生态系统间的互作机制是研究喀斯特生态治理的关键,两者间的耦合关系是一个动态过程,需要长期的不间断多维度监测。建议加强对生物土壤结皮与喀斯特生境间耦合机制及其在喀斯特岩溶过程的互作机制,喀斯特地区生物土壤结皮耐胁迫特性以及在喀斯特生境下人工培植技术与机理等方面的研究。     

桂西北喀斯特峰丛洼地不同植被恢复方式下土壤有机碳组分变化特征

植被恢复被认为是提升退化区域土壤有机碳（SOC）固持的有效措施。然而,喀斯特脆弱生态系统植被人工恢复和自然恢复模式下SOC不同组分变化特征、稳定性和固持能力的研究还较缺乏。以典型喀斯特峰丛洼地为研究区,以耕地为对照,以恢复15年的人工恢复（人工林）和自然恢复（耕地撂荒后植被自然演替为灌丛）为研究对象,分析不同植被恢复模式下SOC、颗粒态有机碳（POC）、矿质结合态有机碳（MOC）、易氧化态有机碳（ROC）、惰性碳指数（RI）和SOC相对固持能力（SCS_capacity）变化特征。结果发现：（1）人工林和灌丛SOC、POC和ROC含量显著高于耕地,且灌丛POC和ROC含量显著高于人工林,MOC则在三者之间差异不显著;（2）与耕地相比,人工林和灌丛RI显著下降,但SCS_capacity差异不显著。研究表明,桂西北喀斯特峰丛洼地植被恢复15年后主要提升土壤活性碳组分,且自然恢复比人工恢复更有利于于提升土壤活性碳组分;然而,耕地退耕后短期内土壤碳稳定性并未增加,强调植被恢复后避免再次毁林开荒对于维持土壤碳固持的必要性。     

喀斯特峰丛洼地不同植被类型碳格局变化及影响因子

采用样方法研究了西南喀斯特峰丛洼地草地、灌丛、次生林、原生林4种植被类型碳格局及其土壤碳的影响因子。结果表明:草地、灌丛、次生林、原生林4类生态系统总碳储量分别为133.84、160.79、179.08和261.24 Mg C/hm2,其中植被碳储量为5.02、6.59、20.87和60.20 Mg C/hm2,占总碳储量的3.75%—23.04%,随植被正向发展而增加;地被物碳储量为1.76、0.95、2.60和0.82 Mg C/hm2,仅占总碳储量的0.32%—1.45%;土壤层碳储量为127.06、153.25、151.61和200.21 Mg C/hm2,占76.64%—94.93%,随植被正向发展呈增加趋势,但对整个生态系统碳储量贡献率减少;由草地向原生林发展过程中,地下部分碳储量均大于地上部分碳储量,地上部分所占比例逐渐提高,地下部分所占比例逐渐减少;相关分析表明,土壤有机碳含量、储量与土壤容重、土壤深度存在良好的线性关系,喀斯特峰丛洼地石灰土土壤有机碳含量与水稳性团聚的分布关系密切,土壤氮素是影响有机碳含量的主要因素,2 mm细根和土壤微生物对石灰土土壤有机碳的积累具有重要的作用。