Dynamics and regulations of ecosystem light use efficiency in a broad-leaved Korean pine mixed forest,Changbai Mountain

Aims Ecosystem light use efficiency (LUE) reflects the ability of CO₂ uptake and light utilization via photosynthesis, which is a key parameter in ecosystem models to evaluate ecosystem productivity. The objectives of this study were to: (1) compare the differences of LUE derived from different methods; (2) elucidate the seasonal dynamics of LUE and its regulatory factors; and (3) evaluate the maximum LUE (LUE_max) and its variability based on eddy-covariance (EC) flux.Methods Using the flux data from an EC tower during 2003-2005 at a broad-leaved Korean pine (Pinus koraiensis) mixed forest, Changbai Mountain, two types of LUE indicators were generated from: 1) the apparent quantum yield (ε) estimated with rectangular hyperbolic curve, and 2) the ecological light use efficiency (LUE_eco) calculated as the ratio between gross ecosystem productivity (GEP) and photosynthetically-active radiation (Q).Important findings The seasonal variation of ε and LUE_eco appeared a unimodal pattern within a year, with the variations significantly dominated by soil surface temperature and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). A positive correlation between GEP and LUE was found for both ε and LUE_eco, with the effect of Q on LUE relatively weak. The increase in diffusion radiation appeared favorable for enhanced LUE. Generally, there was a significant positive relationship between ε and LUE_eco, while ε was higher than LUE_eco, especially during the mid-season. The annual maximum value of ε and LUE_eco was (0.087 ± 0.003) and (0.040 ± 0.002) μmol CO₂·μmol photon^-1 over the three years, respectively. The interannual variability of LUE_max for ε and LUE_eco was 4.17% and 4.25%, respectively, with a maximum difference of >8%, likely resulted from considerable uncertainty in model simulations. Our results indicated that the inversion and optimization of maximum LUE should be taken seriously in the application of LUE models.     

土壤呼吸温度敏感性的影响因素和不确定性

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一, 其对温度升高的敏感程度在很大程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。为了深刻理解地下生态过程对气候变化的响应和适应,本文综述了土壤呼吸温度敏感性（Q10）的影响因子及其内在机制,并分析了当前研究存在的不确定性。土壤生物、底物质量和底物供应显著调控着土壤呼吸的Q10值,但研究结论仍然有很大差异。温度和水分等环境因子则通过对土壤生物和底物的影响而作用于土壤呼吸的温度敏感性,一般情况下,随着温度的升高,土壤呼吸的Q10值下降;水分过高或过低时Q10值降低。另外本文从土壤温度测定深度、时空尺度、土壤呼吸不同组分温度敏感性差异、激发效应以及采用方法的不同等几方面分析了温度敏感性研究存在的不确定性。并在此基础上, 指出了未来拟重点加强的研究方向:（1）土壤呼吸不同组分温度敏感性差异的机理;（2）底物质量和底物供应对温度敏感性的交互影响;（3）生物因子对土壤呼吸温度敏感性的影响。     

科尔沁沙地丘间低地樟子松人工林水分利用来源的稳定同位素解析

20世纪50年代以来,樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica在中国北方干旱半干旱地区沙地广泛引种.近年来一些早期引种的樟子松人工林出现了早衰现象.分析生境水分条件变化、判断樟子松采取何种水分利用策略对于认识其早衰现象很有裨益.因此,本研究利用稳定同位素示踪技术,研究了科尔沁沙地东南缘固定沙丘丘间低地30年生樟子松人工林的水分来源及其利用的季节动态,分析了降水和土壤水分变化对樟子松水分利用的影响,阐明了樟子松与伴生植物(黄柳Salix gordeieril)在水分来源方面的异同.结果表明,樟子松及其主要伴生植物黄柳枝条水的稳定18O同位素组成(δ18O)存在明显的季节变化;樟子松的水分来源主要来自20～ 40 cm或更深土层;樟子松和主要伴生植物黄柳之间存在明显的水分竞争,后者比樟子松先行利用最近较强降水(如降水量＞10 mm),从而影响樟子松水源的补给.本研究对于揭示沙地樟子松衰退与水分利用策略的关系具有重要意义.     

中亚热带典型人工林土壤酶活性及其化学计量特征

以中亚热带典型的马尾松林、湿地松林和马尾松-木荷混交林(针阔混交林)为研究对象,分析不同林分类型下0～10和10～20 cm土层的β-D-葡萄糖苷酶(BG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(AP)、多酚氧化酶(POX)、过氧化物酶(POD)6种土壤酶活性,以及酶化学计量比及土壤理化性质特征,分析驱动中亚热带典型林分类型土壤酶活性及其计量比变异的主要因素。结果表明: 林分类型显著影响了土壤BG和LAP活性,表现为湿地松林10～20 cm土层土壤BG显著高于马尾松林,而LAP在马尾松林最高;湿地松林10～20 cm土层土壤BG/(NAG+LAP)、BG/AP显著高于马尾松林,而马尾松林(NAG+LAP)/AP显著高于湿地松林和针阔混交林;林分类型间酶化学计量的向量长度在10～20 cm土层差异显著,表现为湿地松林>针阔混交林>马尾松林。3种人工林酶化学计量的向量角度均大于45°,其中在湿地松林10～20 cm土层向量角度显著大于马尾松林。冗余分析表明,土壤碳质量指数和有机碳与全磷的比值(C/P)以及土壤含水量和C/P分别是0～10和10～20 cm土层土壤酶活性及其化学计量的关键影响因素,土壤碳和磷的数量和质量,以及土壤含水量在调节中亚热带人工林生态系统养分循环中发挥关键作用。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

凋落物添加和移除对杉木人工林土壤水解酶活性及其化学计量比的影响

土壤生态酶化学计量比可用于评估微生物碳(C)、氮(N)和磷(P)养分的需求状况。以往从凋落物输入量变化对生态酶化学计量比的角度来探讨杉木人工林土壤养分状况的研究较少。以亚热带杉木人工林为研究对象,采用随机区组实验设计,对12块杉木人工林样地进行3种凋落物处理(凋落物添加(LA);凋落物移除(LR);对照(CK)),通过测定土壤C、N和P水解酶(β-葡糖苷酶(BG)、半纤维素酶(CB)、β-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性磷酸酶(AP))的活性及土壤理化性质,探讨凋落物添加和移除对杉木人工林土壤养分状况的影响。结果表明:LR显著抑制了AP、BG、CB、NAG和LAP活性,同时降低了土壤含水量(SMC)、有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和有效氮含量;而LA对以上指标均存在显著的正效应,表明凋落物输入量变化主要是通过改变土壤水分和养分状况来影响水解酶的活性。LR和CK处理下土壤酶活性比ln(BG+CB):ln(AP)和ln(NAG+LAP):ln(AP)均低于全球尺度上土壤酶活性比ln(BG+CB):ln(AP)(0.62)和ln(NAG+LAP):ln(AP)(0.44),表明亚热带地区杉木人工林土壤微生物生长受磷限制;LA处理的土壤的ln(BG+CB):ln(AP)和ln(NAG+LAP):ln(AP)均高于全球尺度,表明LA在一定程度上缓解了土壤磷限制,生态酶化学计量比响应的差异表明磷可能是驱动亚热带杉木人工林土壤生态酶化学计量比内在联系的关键因子。相关分析表明SMC、SOC和有效氮含量与土壤酶活性及其化学计量比呈极显著正相关关系,因此,生态酶化学计量比可作为表征土壤当前养分有效性状况的重要指标,该研究可为亚热带杉木人工林土壤养分管理和可持续性经营提供科学的基础理论。     

不同地下水位灰化薹草分解过程中木质素降解与碳、氮、磷释放的关系

为研究湿地植物分解过程中木质素分解与碳、氮、磷元素释放之间的关系及其对不同地下水位环境梯度的响应,在鄱阳湖典型碟形湖泊-白沙湖设置了200 m×300 m分解试验样地,沿地下水位梯度划分4个试验样带(从湖岸到湖心依次为GT-A, GT-B, GT-C, GT-D),采用分解袋法模拟了典型湿地植物灰化薹草在不同地下水位环境的分解过程。结果表明,分解15 d后,地下水位的升高促进了木质素的分解和碳、氮、磷元素的释放;在分解第60—90天,碳、氮、磷元素的相对归还指数随着木质素分解速率的升高而显著增大,并且相关性程度随着分解时间先增强,后减弱;分解过程中土壤pH、含水量和微生物量碳、氮对木质素的分解和碳、氮、磷元素的归还具有显著的促进作用。研究结果将有助于深化对湿地植物分解和生物地球化学循环过程的认识,为湿地自然保护区的科学有效管理提供理论依据。     

基于中国生态系统研究网络的典型森林生态系统土壤保持功能分析

森林生态系统土壤保持功能在控制土壤侵蚀以及维持生态安全方面具有不可替代的作用。根据不同气候带降雨特征进行降雨侵蚀力参数校正,基于中国生态系统研究网络(CERN)的森林生态系统长期定位观测样地2005—2015年监测数据利用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)定量分析了典型森林生态系统土壤保持功能的时空变化特征,并探讨了土壤保持功能的影响因素。研究结果表明:①日雨量侵蚀力模型在降雨丰富的热带模拟效果优于降雨相对较少的亚热带和温带,参数校正后模拟效果明显提升;②研究期内10个典型森林生态系统土壤保持量变化范围为4.44—891.67 t hm~(-2) a~(-1),呈现北低南高的空间格局(R~2=0.65~(***));土壤保持率均达到97%以上;③降雨、归一化植被指数、土壤质地和植被林龄是影响森林生态系统土壤保持功能的主要影响因素;降雨量与土壤保持量显著相关(R~2=0.52~*),NDVI和土壤质地与实际土壤侵蚀量显著相关(R~2=0.64~(**),R~2=0.41~*),植被林龄主要影响土壤保持率的变化速率。     

增温和刈割对高寒草甸土壤呼吸及其组分的影响

评估土壤呼吸及其组分对增温等全球变化的响应对于预测陆地生态系统碳循环至关重要。本研究利用红外线辐射加热器(Infrared heater)装置在青藏高原高寒草甸生态系统设置增温和刈割野外控制实验。通过测定2018年生长季(5—9月)土壤呼吸和异养呼吸,探究增温和刈割对土壤呼吸及其组分的影响。研究结果表明：(1) 单独增温使土壤呼吸显著增加31.65% (P<0.05),异养呼吸显著增加27.12% (P<0.05),土壤自养呼吸没有显著改变(P>0.05);单独刈割对土壤呼吸和自养呼吸没有显著影响(P>0.05),单独刈割刺激异养呼吸增加32.54% (P<0.05);(2) 增温和刈割之间的交互作用对土壤呼吸和异养呼吸没有显著影响(P>0.05),但是对自养呼吸的影响是显著的(P<0.05),土壤呼吸和异养呼吸的季节效应显著(P<0.05);(3)土壤呼吸及其组分与土壤温度均成显著指数关系,与土壤湿度呈显著的正相关关系(P<0.05),处理影响它们的响应敏感性。本研究表明青藏高原东缘高寒草甸土壤碳排放与气候变暖存在正反馈。