Contribution of plant traits to the explanation of temporal variations in carbon and water fluxes in semiarid grassland patches

准确预测异质性景观碳水通量的时空变化,对于综合理解气候变化和植被动态对景观和区域碳水循环的影响至关重要。本研究通过野外观测试验来探究草地斑块碳水通量的季节变化及其与非生物和生物因子之间的关系。在生长季通过密闭同化箱法测定了三个类型草地斑块的日间碳水通量(包括生态系统净交换、总生态系统生产力、生态系统呼吸和蒸散发),同时测定了关键植物性状指标,并计算性状加权平均值和功能分异度。研究结果表明,碳水通量的时间变化受气象因子、土壤因子和群落功能性状的影响。考虑植物功能性状加权平均值和功能分异度可以极大地提高景观尺度碳水通量变异的解释度。比叶面积和叶片δ¹³C含量是影响气体通量变化的重要性状指标。群落加权平均值对碳通量的预测能力优于功能分异度,而功能分异度对蒸散发的解释度更高。我们的研究结果表明,生物量比假说和互补效应假说互不排 斥,但两者对不同的生态系统过程的相对重要性不同,群落功能性状对半干旱草地碳水通量时空变化的机理解释和模型预测具有重要作用。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

橡胶人工林养分循环通量及特征

对不同树龄的PR107无性系橡胶人工林N、P、K 3种元素的养分循环通量及特征进行了研究.结果表明:(1)橡胶林生态系统养分循环通量中养分总吸收量为315.28～949.13 kg/hm2,总存留量为282.78～714.51 kg/hm2,总归还量为32.50～205.74 kg/hm2,胶乳总损失量为10.18～37.73 kg/hm2,土壤中养分总输入量为111.73～652.79 kg/hm2,总输出量为315.28～949.13 kg/hm2,平均亏损量为-249.94 kg/hm2,各循环通量都随着树龄的增加而增大,其中3种养分元素的大小顺序均为N>K>P;(2)胶林生态系统养分循环特征参数中吸收系数随林分生长呈凸抛物线变化(先增大后减小),归还系数逐渐上升,存留系数不断下降,周转时间加快,而6a后,胶林的枯落物养分平衡指数与土壤养分平衡指数开始下降,胶园土壤养分收支失衡,另外,产胶对养分的利用效率在14a前后表现为先升高后降低;(3)不同元素循环特征参数有差异.吸收系数、归还系数中的大小顺序为N>P>K,存留系数为K>P>N,枯落物养分平衡指数为K>N>P,土壤养分平衡指数为P>N>K,养分利用率为P>K>N,表明N的流动性大,故循环速率最快,循环水平最高,其次是K,而P的循环速率最慢,水平最低.     

水层厚度变化对稻田能量分配的影响

稻田土表因存在水层厚度变化和干湿交替,导致垂直方向的能量收支状况发生改变。本文采用逐时多元回归方法,分析了水层、叶面积及气象因子对各能量贡献,并选取典型相似天气以规避能量输入差异、按叶面积划分以规避植冠层结构差异,定量研究了稻田水层厚度变化对稻田能量分配的影响。结果表明:白天,随稻田水层厚度增加,水层储热量也增大,导致水面热通量增大,从而降低了稻田潜热通量,这种作用在水稻冠层稀疏时期尤其明显;在冠层密集时,到达水面的净辐射能量被削弱,水层厚度对潜热通量的调节作用降低;由于稻田感热通量总体较低,水层厚度的变化对其影响小,调节作用不明显;双源蒸散模型模拟揭示,水面潜热随水层深度增加而减少是导致总潜热降低的主要原因,且在水稻冠层稀疏时期表现明显。     

微咸水滴灌对土壤酶活性、CO2通量及有机碳降解的影响

利用微咸水灌溉是解决干旱区水资源短缺的重要途径.通过田间小区滴灌试验,研究了不同矿化度微咸水(0.31、3.0、5.0 g·L^-1,NaCl浓度)对土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性的影响,采用土壤碳通量和物料袋法研究了土壤CO₂通量和有机碳降解对微咸水滴灌的响应.结果表明: 微咸水(3.0 g·L^-1)处理下蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶的活性分别比淡水处理降低31.7%～32.4%、29.7%～31.6%、20.8%～24.3%,而土壤多酚氧化酶活性则随灌溉水矿化度提高而显著升高,在膜下微咸水、咸水处理多酚氧化酶较淡水处理提高2.4%、20.5%.土壤微生物生物量碳和微生物熵均随灌溉水矿化度提高呈降低趋势,而代谢熵则呈升高趋势.不同处理对土壤CO₂通量影响表现为淡水＞微咸水≥咸水,且膜下CO₂通量显著高于膜间(P<0.05),棉花吐絮期(9月20日)膜下淡水处理较咸水和微咸水处理的CO₂通量分别升高29.8%、28.2%,微咸水滴灌显著降低了土壤CO₂通量.不同矿化度微咸水滴灌对有机物(棉花和苜蓿秸秆)的降解率表现为淡水＞微咸水＞咸水,膜下有机物降解显著高于膜间.在培养第125天时,咸水、微咸水、淡水处理的膜间棉花秸秆回收率分别为39.7%、36.3%、30.5%,膜间苜蓿秸秆回收率分别为46.5%、36.5%、35.4%.微咸水灌溉明显抑制了北疆滴灌棉田土壤酶活性,造成土壤微生物量和CO₂通量下降,土壤有机物降解率降低,使绿洲农田土壤生物性状变差.     

黄土高原冬小麦田土壤CH4通量对人工降水的短期响应

为了解黄土高原旱作农田土壤CH4排放对不同降水事件的短期响应过程,分别在冬小麦拔节期和夏闲期进行了人工模拟降水试验,对1~32 mm不同降水量模拟降水后0~72 h土壤CH4排放通量进行了观测.结果表明:模拟降水后旱作农田土壤CH4排放通量变化特征表现出两种不同的模式:低降水量(1、3和8 mm)处理为波动变化,高降水量(16和32 mm)处理呈单峰型变化.降水后72 h土壤CH4累积通量(CH4-C)与降水量(P)呈显著线性正相关(冬小麦拔节期:CH4-C=2.45P-6.09,R2=0.92,P<0.01;夏闲期:CH4-C=2.43P-4.73,R2=0.91,P<0.01).相关分析表明,土壤CH4通量与土壤含水量和土壤微生物生物量碳含量显著相关,而与土壤温度不相关.少量降水(1~8 mm)可以在短期内促进旱作农田土壤对CH4的吸收,加强土壤作为大气CH4汇的强度,然而这种促进作用也会随降水量的增大和降水的下渗而削弱.较大降水(≥16 mm)可以刺激土壤产甲烷菌活性促进CH4释放,在短期内使旱作农田土壤由单一的汇功能转变为汇源双重功能.     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。     

大肠杆菌产L-苯丙氨酸发酵调控及代谢通量分析

考察了外源添加中间代谢产物、维生素B1和硫酸镁对大肠杆菌发酵产L-苯丙氨酸的影响,结果表明,添加1g/L柠檬酸三钠、1g/Lα-酮戊二酸、150mg/L维生素B1及3g/L硫酸镁均对L-苯丙氨酸的合成有利。根据构建的大肠杆菌合成L-苯丙氨酸的生化反应网络,利用代谢通量分析其原因。结果表明,这些物质的添加均可以调节G6P和PEP节点处的代谢通量分布,为L-苯丙氨酸的合成提供更多的前体物质赤藓糖四磷酸(E4P)、磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和还原力NADPH。通过补料分批发酵实验得出,优化后菌体对总葡萄糖的消耗提高了24.49%,菌体终浓度提高了23.50%,L-苯丙氨酸的终浓度提高了62.87%,L-苯丙氨酸的收率提高了30.88%,乙酸的合成降低了56.51%。     

艾比湖荒漠-湿地生态系统非生长季碳通量数据特征

选取新疆艾比湖湿地国家级自然保护区非生长季(2012年1月15日—3月15日、11月1日—12月14日、2013年11月1日—11月16日)通量观测数据,参考中国通量数据处理标准开展荒漠-湿地生态系统非生长季碳通量数据特征研究。结果表明:研究区非生长季碳通量观测数据存在大量"野点",占数据总量的37.39%,有效通量变化范围为-0.197—0.283 mg m-2s-1;平面拟合旋转(PF)校正具有较好的结果(R2=0.9349,P0.01),频率响应校正引起的碳通量增量为7.55%,水热校正影响较小;碳通量数据在不同质量等级分布较平均,大气湍流发展的充分性处于中等水平,夜间摩擦风速可划分为3级,在0 m/su*0.30 m/s内进行选择性剔除;传感器状态异常、检验分析和阈值分析剔除数据比例分别为26.34%、2.48%和8.57%;碳通量与5 cm土壤温度和太阳辐射不存在显著相关,采用线性内插和平均每日变异法可实现缺失数据的插补。     

黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征

用静态箱法于2012年3月~2013年2月对黄土高原自然放牧及其围封6年的草地土壤呼吸和净生态系统CO2交换速率进行为期1年的实地观测。结果表明:(1)围封和自然放牧草地全年的碳交换总量均表现为碳汇,即CO2净吸收;围封草地全年净生态系统碳交换量为(-58.0±14.5)g·m-2,其中生长季和非生长季交换量分别为(-70.3±11.4)g·m-2和(12.4±3.1)g·m-2;自然放牧草地生态系统全年碳交换量为(-48.7±14.0)g·m-2,其中生长季和非生长季交换量分别为(-56.9±10.6)g·m-2和(8.1±3.3)g·m-2。(2)草地净生态系统CO2交换速率生长季主要受土壤含水量的控制,而在非生长季则主要受土壤温度的控制;草地土壤呼吸速率主要受土壤温度和土壤含水量共同影响,其中在生长季受土壤含水量的影响作用更大,而在非生长季则受土壤温度的影响作用更大。(3)土壤有机质含量的差异是造成围封草地土壤呼吸速率大于自然放牧草地的主要原因。(4)研究区草地存在土壤呼吸负通量现象,样地灰钙土偏高的碱性条件(pH8.2)促进了土壤次生碳酸盐的淀积可能是造成这一现象的主要原因。