樟子松固沙林林水关系研究进展及对营林实践的指导

中国有着世界上最大面积的人工林, 如何维持人工林的可持续性已成为气候变化背景下需要面对的重大挑战。樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)以其抗旱、抗寒、耐贫瘠等优良特性成为中国北方生态治理中最主要的常绿针叶树种之一, 近70年来发挥了巨大的防风固沙与生态固碳功能。然而, 随着林分的生长与气候变化, 樟子松人工固沙林正经历着越来越严峻的环境胁迫, 部分地区出现了林分“早衰”或死亡的现象, 引起了人们对樟子松固沙林适应与应对气候变化能力的担忧。该文在回溯樟子松基本生物学特征与引种推广历史, 系统总结近年来樟子松林林水关系研究新成果的基础上, 全面分析了樟子松固沙林林水关系存在的主要矛盾, 并提出了基于林水关系相协调的林分经营措施的调整: 由倡导防护功能为主的单一目标向包含林分稳定性、生态固碳功能、可持续发展等多目标平衡方向调整; 由以沙地森林景观培育为主向以良好土壤生境培育为主的方向调整; 由倡导天然更新为主向以人工造林与天然更新相结合的世代更新方向调整。在立足于北方沙地脆弱生境与气候变化客观现实的基础背景下, 应坚持樟子松在固沙林生态系统演化过程中的先锋种与建群种地位, 基于“以水定绿”原则, 采取“隔行带伐+再造林”等方式开展林分密度动态调控, 促进林分向异龄林结构演化, 促进樟子松固沙林生态服务的优质化和生态固碳功能的最大化。     

红壤和风沙土添加不同化学结构有机碳对外源碳去向及累积贡献的影响

植物凋落物碳输入显著影响陆地生态系统土壤CO₂排放和有机碳(SOC)形成,然而,针对不同质地土壤添加不同化学结构外源碳去向依然不清楚。本研究将¹³C标记的葡萄糖、淀粉和纤维素添加至红壤和风沙土,比较2种质地土壤添加不同化学结构外源碳在土壤释放的CO₂、SOC、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)库的净累积量、回收率及贡献比例上的差异。结果表明: 添加外源有机碳显著提高了CO₂、SOC、DOC和MBC的δ¹³C值,且随着外源有机碳化学结构复杂性的增加,CO₂的δ¹³C峰值依次延迟出现;外源有机碳种类、土壤类型和培养时间均显著改变外源碳去向及其在各碳库的贡献比例;在风沙土中,外源有机碳更多被矿化为CO₂,且CO₂库的外源碳净累积量和回收率大小依次为葡萄糖>淀粉>纤维素;红壤添加外源碳转变为SOC的累积量和回收率显著高于风沙土,且红壤SOC库的外源碳净累积量和回收率大小顺序也为葡萄糖>淀粉>纤维素。可见,外源有机碳化学结构和土壤质地共同调控外源碳去向及累积贡献。     

生物炭-牛粪堆肥中产β-葡聚糖苷酶微生物群落应答碳代谢抑制效应

【背景】在高浓度葡萄糖引起的碳代谢抑制效应下,产β-葡聚糖苷酶(β-glucosidase)功能微生物群落为适应碳代谢压力的变化,会差异化表达糖耐受和非糖耐受的功能基因。在堆肥中添加生物炭可以改变微生物生存的环境,进而影响微生物群落的组成与功能。【目的】分析在不同碳代谢压力下添加生物炭对产β-葡聚糖苷酶功能微生物群落的结构组成与功能的影响。【方法】在生物炭牛粪-稻草堆肥中添加葡萄糖、纤维二糖及β-葡聚糖苷酶抑制剂,构建不同的碳代谢压力。以细菌来源GH1家族的β-葡聚糖苷酶基因为分子标记基因构建基因克隆文库。同时测定羧甲基纤维素酶酶活和β-葡聚糖苷酶酶活。【结果】放线菌、变形菌和拟杆菌是功能微生物群落中的优势菌群。其中,CL处理组变形菌数量有所下降,在添加了抑制剂的处理组中,拟杆菌的数量明显上升。高浓度葡萄糖显著抑制了羧甲基纤维素酶酶活,但对β-葡聚糖苷酶酶活影响不大,其中低浓度纤维二糖的处理可以显著诱导β-葡聚糖苷酶活性。GHCH处理组中β-葡聚糖苷酶表现出高浓度葡萄糖激活特性。【结论】添加生物炭未明显影响参与纤维素降解的功能微生物群落对碳代谢抑制效应的应答。与自然堆肥相比,在添加了生...     

模拟地表火行为对燃烧剩余物水溶性碳氮的影响

燃烧剩余物是火烧迹地土壤表面必然存在的残留物,可以通过降水过程以及地表径流释放其所含有的矿物质和有机质至土壤生态系统,从而在一定时间内持续地对火后生态系统恢复过程造成影响。但不同火行为下,相同的可燃物所产生的燃烧剩余物可能具有不同的生态学功能,为了认知火行为对燃烧剩余物的影响,进一步了解二者对火烧迹地生态恢复过程中养分循环和能量流动的潜在影响,探究了火行为对燃烧剩余物水溶性碳氮化学计量特征的影响。以红松人工林地表可燃物为实验材料,通过设置不同坡度和含水率为火行为的驱动因子,进行了森林可燃物床层地表上坡火和下坡火的室内模拟燃烧实验。用独立样本T检验、单因素方差分析、多因素方差分析探究了火环境对燃烧剩余物水溶性碳氮和火行为的影响,用基于距离的冗余分析(db-RDA)探究了火行为对燃烧剩余物水溶性碳氮化学计量特征的影响。上坡火实验组的燃烧剩余物水溶性碳氮含量明显高于下坡火实验组(P<0.01);5°实验组中,燃烧剩余物的水溶性碳含量随着可燃物预设含水率的升高而升高(P<0.05)。进一步的数据分析发现火行为与燃烧剩余物水溶性碳氮化学计量特征关系密切,火焰宽度是影响燃烧剩余物水溶性...     

草灌植被转变对草地生态系统及其水碳过程的影响研究进展

气候变暖和过度放牧的共同作用使全球草地出现明显的灌丛化现象,灌木去除是草地灌丛化控制的重要方式,识别这些草灌植被转变对生态系统、生态水文、土壤侵蚀和侵蚀碳流失的影响对草地可持续管理具有重要意义。综述了草地灌木入侵及其控制对植物群落和土壤功能(如土壤有机碳)的影响,以及这些草灌植被变化对生态水文、土壤侵蚀和土壤侵蚀碳流失等水碳耦合过程的影响机制。针对目前草地灌木入侵和去除对植物群落、植被格局、水土过程和功能影响研究的薄弱环节,对未来相关研究提出以下建议：(1)需深化草灌植被转变对碳、氮等生物地球化学循环的影响机制研究,(2)需重视核磁共振光谱、生物标志物、同位素等新技术和植被格局的指数与连通性等新方法在草灌植被转变的水、碳等生态效应研究中的应用,(3)需加强草灌植被格局和生态水文、土壤侵蚀与土壤侵蚀碳等水碳过程的多要素、多过程和多尺度的综合研究。本文旨在为灌丛化草地科学有效的生态恢复与多目标的土地利用管理提供理论支撑。     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

二氧化碳人工生物转化

二氧化碳(carbon dioxide, CO₂)资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保,但能效低、速度慢,难以满足工业生产需求;物理化学固碳效率高,但能耗高、产品单一,如何结合生物、物理与化学技术优势,以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展,综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展,特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉,并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。     

马尾松幼苗根系和光合碳供应对土壤性质变化和温室气体排放的驱动作用

森林植被受全球气候变化、森林经营活动及病虫害等多种干扰,导致林地光合碳供应水平及根系输入量发生变化。在此背景下,土壤性质及土壤温室气体排放的响应及其机理是预测森林碳汇功能变化及森林可持续经营的重要依据。以2年生马尾松盆栽苗为对象,通过单株/盆和3株/盆栽植密度控制根系输入量、通过环割和截干控制光合碳向地下的供应能力,模拟森林植被干扰导致的根系输入量及光合碳供应变化对土壤理化性质、微生物群落结构及温室气体排放的影响。结果表明,苗木根系非结构性碳水化合物(TNC)含量和氮含量比单株/盆低;3株/盆的土壤速效氮含量比单株/盆低,土壤革兰氏阳性菌、厌氧菌、放线菌及丛枝菌根真菌丰富度均比单株/盆显著增加,3株/盆的土壤二氧化碳(CO₂)排放速率较高,但土壤氧化亚氮(N₂O)排放速率差异不显著。无论是单株/盆还是3株/盆,环割和截干处理后,根系生物量、根系长度及表面积均比对照显著下降;根系TNC含量显著下降。土壤和根系氮含量都有增加趋势;土壤微生物生物量碳(SMBC)含量降低,而土壤微生物生物量氮(SMBN)则提高。环割和截干后,土壤中各种微生物组成丰富度均有下降趋势,土壤CO₂排放速率显著下降,土壤N₂O排放速率则显著提高。根系输入量及光合碳供应对土壤细菌和真菌含量均有显著影响,土壤细菌含量与根系生物量、SMBC和SMBN显著正相关;土壤真菌含量与土壤温度显著负相关,与根系生物量、SMBC和SMBN显著正相关。相关分析表明,土壤CO₂排放通量与土壤温度、土壤湿度及根系生物量显著正相关,与土壤硝态氮显著负相关;土壤N₂O排放通量与土壤温度和土壤湿度显著正相关。以上研究表明,根系输入量与地上光合碳供应共同作用,改变土壤理化性质及微生物环境,进而影响土壤温室气体排放。     

氮添加对中国陆地生态系统植物-土壤碳动态的影响

近年来,中国大气氮沉降水平不断增加,过量的活性氮输入深刻影响了我国陆地生态系统碳循环。虽然已有大量的研究报道了模拟氮添加实验对我国陆地生态系统碳动态的影响,但是由于复杂的地理条件和不同的施氮措施,关于植物和土壤碳库对氮添加的一般响应特征和机制仍存在广泛争议。因此,采用整合分析方法,收集整理了172篇已发表的中国野外氮添加试验结果,在全国尺度上探究氮添加对我国陆地生态系统植物和土壤碳动态的影响及其潜在机制。结果表明,氮添加显著促进了植物的碳储存,地上和地下生物量均显著增加,且地上生物量比地下生物量增加得多。同时,氮添加显著增加了凋落物质量,但对细根生物量没有显著影响。氮添加显著降低了植物叶片、凋落物和细根的碳氮比。总体上,氮添加显著增加了土壤有机碳含量并降低了土壤pH值,但对可溶性有机碳、微生物生物量碳和土壤呼吸的影响并不显著。在不同的地理条件下,土壤有机碳含量对氮添加的响应呈现增加、减少或不变的不同趋势。回归分析表明,地上生物量与土壤有机碳含量之间,以及微生物生物量碳与土壤有机碳含量之间呈负相关关系。虽然氮添加通过增加凋落物质量显著促进了植物碳输入,但同时也会通过刺激微生物降解来增加土...     

微生物固碳的电子供给策略研究进展北大核心CSCD

随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外的直接、间接电子传递系统。在此基础上,围绕微生物固碳细胞工厂的构建,进一步介绍了基于光能、电能的人工电子供给策略及其对固碳过程中代谢通量、合成路径和供能效率的影响。最后针对微生物固碳的关键共性技术难点,简要展望了可行性的解决方案及相关应用前景。