全球变化对森林土壤甲烷吸收的影响及其机制研究进展

大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化不仅改变了森林土壤理化性质,而且影响了植物的生长和微生物活性,导致森林土壤碳、氮循环发生改变,进而影响土壤CH₄的吸收.本研究综述了森林土壤CH₄吸收的重要性,森林土壤CH₄吸收对大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化的响应差异及驱动机制.大气CO₂浓度升高抑制土壤CH₄吸收;降水减少倾向于促进土壤CH₄吸收;外源氮输入抑制富氮森林土壤CH₄吸收,而对贫氮森林土壤CH₄吸收则表现为促进或不影响;森林转化为草地、农田或人工林会减少土壤CH₄的吸收量,而植树造林则会增加土壤CH₄的吸收量.今后的研究重点是探讨全球变化对森林土壤CH₄吸收产生长期影响和综合效应,并借助分子生物学方法进一步探究土壤CH₄吸收的微生物学机制.     

干旱条件下夏玉米地-气温差的影响因素及其模拟

地-气温差指标表征作物水分亏缺状况已经被广泛研究,但地-气温差随作物生育进程的变化特征及其影响因子的观测研究仍较少,制约着地-气温差的准确模拟.基于夏玉米2014年三叶期和2015年拔节期的5个灌溉水分控制试验资料的研究表明: 随着夏玉米生育进程的推进,土壤水分的变化显著影响了夏玉米农田的地-气温差,土壤水分亏缺越严重,地-气温差越高.在整个水分处理期间,归一化植被指数是地-气温差的主要影响因子且两者呈显著的线性关系,但不同生育期地-气温差还受其他因子的影响:三叶期后受冠层吸收光合有效辐射比影响且呈显著的线性关系,三叶期至拔节期则受土壤相对湿度和空气相对湿度的影响且呈显著的线性关系.在此基础上,基于2014年试验资料建立了夏玉米全生育期地-气温差模拟模型、营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型,并利用2015年夏玉米拔节期5个灌溉水分控制试验资料进行了模型验证,结果表明,夏玉米全生育期地-气温差模型可以解释2015年地-气温差变异的63%,但地-气温差分生育期模拟模型,即营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型综合的模拟结果则可解释2015年地-气温差变异的79%.研究结果为基于地-气温差的作物干旱指标定量评估作物干旱提供了依据.     

阿尔山不同时期落叶松根际土壤固氮菌的多样性研究

利用传统的细菌分离培养,结合16S rDNA序列分析等方法,对阿尔山地区不同时期落叶松根际可培养固氮菌群落的多样性进行分析,以揭示落叶松根际固氮菌的多样性及群落结构的季节变化规律,为森林生态系统的可持续发展提供理论依据。结果显示:(1)从阿尔山落叶松根际土壤中共计分离纯化细菌菌株112株,分属于14属41种,包括假单胞菌属、伯克氏菌属、根瘤菌属、叶杆菌属、节杆菌属、类芽孢杆菌属、沙雷菌属、欧文菌属、短小杆菌属、芽孢杆菌属、肠杆菌属、不动杆菌属、柄杆菌属、红球菌属;其中优势菌群为假单胞菌属,次优势菌群为叶杆菌属、伯克氏菌属和节杆菌属。(2)季节变化对落叶松固氮菌群的变化有显著影响,表现为4月份和10月份最优势类群为γ-变形菌纲(γ-proteobacteria)中的假单胞菌属,6月份和8月份的最优势类群相同,但组成有所差别,其中6月份优势菌群包括假单胞菌属、短小杆菌属、红球菌属、节杆菌属,8月份的优势菌群为假单胞菌属、不动杆菌属、肠杆菌属、短小杆菌属、红球菌属和节杆菌属。(3)不同时期的物种均匀度指数(McIntosh index)差异显著,8月份最大,4月份最小,变化范围在0.83～1.164之间;物种丰富度指数(Shannon-Wiener index) 6月份和8月份显著高于4月份和10月份;优势度指数(Simpson index) 4月份和10月份显著高于6月份和8月份。研究表明,阿尔山地区落叶松根际微生物的多样性较高,群落相对复杂,分离的14个菌属多为根际促生菌,且不同时期固氮菌的群落组成受季节的影响明显。     

铜绿假单胞菌一氧化氮还原酶编码基因norD的生物学功能研究

一氧化氮还原酶(Nitric oxide reductase,NOR)是反硝化过程中一个非常重要的催化酶,本文通过同源重组的方法敲除铜绿假单胞菌中norD基因,并研究该基因敲除后菌株ΔnorD在好氧条件下的表型变化。研究结果表明,与野生菌株和回补菌株相比,ΔnorD对BIT的抗性增强。同时在BIT作用下,ΔnorD泳动能力减弱、绿脓菌素的合成能力降低,但norD基因不是BIT唯一的作用位点。上述结果明确了好氧条件下norD基因的部分功能,为更好的利用反硝化过程奠定基础。     

长江经济带生态系统服务供需格局变化与关联性分析

生态系统服务持续供给是人类社会可持续发展的重要基础。随着社会经济发展和人类生活品质的提高,综合考虑生态系统服务供给与人类需求,并纳入自然资源管理实践对我国生态文明建设至关重要。然而,目前的研究大多集中于生态系统服务供给研究,针对跨区域尺度的生态系统服务供需研究仍较薄弱。以我国跨区域的长江经济带为例,采用生态系统服务供给指数(ESPI)和土地开发指数(LDI),定量测度了生态系统服务的供给和需求,构建了生态系统服务供需指数(ESSDI),分析了长江经济带生态系统服务供需格局的时空变化规律及其区域特征,并利用皮尔逊相关系数和回归分析方法,定量探究了长江经济带生态系统服务供需格局的关联性及其区域差异。研究结果表明:(1)2015年长江经济带的生态系统服务供需格局区域差异明显,总体上呈现西部盈余东部超载的供需格局,其中生态系统服务供需格局状况较好和状况好的区域面积比例较高,占长江经济带总面积的69.45%。(2)长江经济带生态系统服务供需格局空间失衡现象较为突出,长江经济带55.36%的GDP和31.41%的人口均集中在7%生态系统服务供需状况差的区域。2000—2015年期间,长江经济带实施了系列生态保护与修复工程,生态系统服务供需状况趋向变好,生态系统服务供需状况好的县域增加了43个,供需状况差的县域减少了58个;长江经济带上游和中游地区生态系统服务供需状况比下游地区提升幅度大。(3)长江经济带生态系统服务供给和需求整体上呈现负相关。生态系统服务的供需关系存在区域差异。在经济快速增长和土地集约开发的下游地区,生态系统服务供需负相关关系斜率较大。随着ESPI的变化,下游LDI的变化幅度大于欠发达的上游和中游地区。研究结果可为长江经济带生态系统管理和政策制定提供参考。     

塔克拉玛干沙漠南缘荒漠绿洲过渡带不同土地利用影响下土壤化学计量特征

荒漠绿洲过渡带在维护绿洲生态安全和绿洲稳定上具有重要作用。垦荒等土地利用的增强使得荒漠绿洲过渡带的健康稳定受到了巨大的挑战。以塔克拉玛干沙漠南缘典型荒漠绿洲过渡带为研究对象,系统分析了不同土地利用方式(桑田、半自然柽柳林、瓜地、棉花-玉米地)对土壤养分化学计量特征的影响。土壤取样沿农田到荒漠方向进行,分5层进行。研究发现,土壤各养分指标均受土地利用方式(4种)、土层(5层)和与农田边缘垂直距离(4梯度)的显著影响,且存在一定的交互作用。土地利用方式显著影响土壤各养分元素含量。随土层由浅到深,有机碳(C)、有效氮(N)和有效磷(P)基本呈下降趋势,全N具有波动变化,而全P变化不显著。随与农田边缘垂直距离的增加,各养分含量基本呈递减趋势。对同一土层(共选择三层)不同土地利用方式下土壤养分具体分析表明,棉花-玉米地这一利用方式在农田内部具有最高的土壤有机C和全N含量,其次为桑田。随着与农田边缘垂直距离的增加,土壤C、N含量优势减弱。除农田内部样地(0 m)外,三层土壤全P含量基本呈桑田柽柳林棉花-玉米地趋势。表层有效N含量在农田内部样地(0 m)瓜地最高,其他距离处(大于等于20 m)棉花-玉米地高,下层土壤有效氮含量在农田内部各土地利用方式间无差异。在各距离样点处不同土地利用类型间土壤有效P含量的变化无明显规律,在农田内部以瓜地有效P含量最高。棉花-玉米地土壤全量N/P在农田内部和与农田边缘垂直距离20 m处含量最高。三土层土壤有效N/P在农田内部以柽柳林最高,随着与农田边缘垂直距离增加,土壤有效N/P显著改变。综合来看,土地利用对荒漠绿洲过渡带土壤营养含量的增加具有正向作用,由土壤养分变化带来的生态效应值得关注。     

碳排放影响下的中国省域土地利用效率差异动态变化与影响因素

土地利用效率是衡量区域经济社会系统运行质量的重要参数。在构建了考虑非期望产出的土地利用效率评价指标体系基础之上,综合运用Super SBM-undesirable DEA和多元统计等研究方法,分析了2003—2016年碳排放影响下的中国省域土地利用效率的时空特征及其影响因素。研究结果表明:中国区域土地利用效率处于中低水平,碳排放非期望产出降低了15%的土地利用效率水平;与全国发展水平空间格局一致,土地利用效率省际差异在空间上呈现出自东向西逐渐递减的分异特征;2003—2016年,土地利用效率演化呈现出"U"型演进特征,区域差异呈现收敛态势;不考虑非期望产出的土地利用效率水平呈现下降态势;非期望产出和能源消费投入过大成为土地利用效率提升的主要限制因素。经济发展水平、对外开放程度以及固定资产投资对土地利用效率的提升起到了显著的正向作用;现阶段城镇化水平的增加对土地利用效率的提升具有微弱促进作用,且仅在东部地区具有显著性。基于松弛变量冗余度和影响因素分析,针对不同区域土地利用效率低效的差异性因素,提出了相应的对策措施。     

大口黑鲈池塘工程化循环水养殖系统的溶解氧时空变化及菌群响应特征

采用基于Illumina Miseq测序平台的高通量测序技术, 从不同角度(密度、区域、溶氧、季节)分析大口黑鲈(Micropterus salmoides)池塘工程化循环水养殖系统中溶解氧和水温对细菌群落结构和丰富度的影响。结果表明: 菌群丰富度在9月份最高, 在10月份最低。在昼夜变化中, 溶解氧最低时的菌群丰富度整体上高于溶解氧最高时。在不同区域中, 粪便收集区的菌群丰富度高于养殖区。在7—11月份的季节变化中, 变形菌、放线菌、拟杆菌和蓝细菌的相对丰度占据前四位; 在属水平上, 假单胞菌、黄杆菌和聚球菌为优势物种; 几乎每种细菌都具有显著或极显著的月份差异。假单胞菌的相对丰度与溶解氧和水温皆具有极显著的相关性。聚球菌、蓝细菌、CL-500_marine_group和Alpinimonas皆与水温具有极显著相关性。分枝杆菌、MNG7与溶解氧极显著相关。此外, 不同菌群之间也具有显著或极显著的相关性。实验结果表明放养密度、养殖区域、溶氧浓度和季节变化都会影响水体菌群丰富度。     

基于土地利用变化情景的生态系统服务价值评估: 以钱江源国家公园体制试点区为例

土地利用变化是生物多样性与生态系统服务变化的主要原因之一。评估土地利用变化对生物多样与生态系统服务影响对于政府决策具有重要作用。钱江源国家公园体制试点区是钱塘江的源头, 也是国家的重点生态功能区。本研究以钱江源国家公园体制试点区为研究区, 首先设计自然发展情景、规划情景、生态保护情景和开发利用情景等4种2025年不同土地利用变化情景, 随后采用InVEST模型和CLUE-S模型分析不同情景下钱江源国家公园水资源供给、涵养水源、固碳释氧、土壤保持、环境净化和生境质量等生态系统服务及其价值变化。结果表明: (1)核心保护区和生态保育区的生态系统服务价值占钱江源国家公园总价值的88.30%。(2)生态保护情景下钱江源国家公园生态系统服务价值最高, 有129.17亿元; 规划情景下生态系统服务价值次之, 有126.92亿元。(3)规划情景下钱江源国家公园水资源供给服务优于生态保护情景, 其他生态系统服务则次于生态保护情景。考虑到钱江源国家公园为下游提供重要的水资源这一功能, 将规划情景作为试点区2025年最优的土地利用变化情景。     

全球森林土壤微生物生物量碳氮磷化学计量的季节动态

土壤微生物生物量在森林生态系统中充当具有生物活性的养分积累和储存库。土壤微生物转化有机质为植物提供可利用养分, 与植物的相互作用维系着陆地生态系统的生态功能。同时, 土壤微生物也与植物争夺营养元素, 在季节交替过程和植物的生长周期中呈现出复杂的互利-竞争关系。综合全球数据对温带、亚热带和热带森林土壤微生物生物量碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量比值的季节动态进行分析, 发现温带和亚热带森林的土壤微生物生物量C、N、P含量均呈现夏季低、冬季高的格局。热带森林四季的土壤微生物生物量C、N、P含量都低于温带和亚热带森林, 且热带森林土壤微生物生物量C含量、N含量在秋季相对最低, 土壤微生物生物量P含量四季都相对恒定。温带森林的土壤微生物生物量C:N在春季显著高于其他两个森林类型; 热带森林的土壤微生物生物量C:N在秋季显著高于其他2个森林类型。温带森林土壤微生物生物量N:P和C:P在四季都保持相对恒定, 而热带森林土壤微生物生物量N:P和C:P在夏季高于其他3个季节。阔叶树的土壤微生物生物量C含量、N含量、N:P、C:P在四季都显著高于针叶树; 而针叶树的土壤微生物生物量P含量在四季都显著高于阔叶树。在春季和冬季时, 土壤微生物生物量C:N在阔叶树和针叶树之间都没有显著差异; 但是在夏季和秋季, 针叶树的土壤微生物生物量C:N显著高于阔叶树。对于土壤微生物生物量的变化来说, 森林类型是主要的显著影响因子, 季节不是显著影响因子, 暗示土壤微生物生物量的季节波动是随着植物其内在固有的周期变化而变化。植物和土壤微生物密切作用表现出来的对养分的不同步吸收是保留养分和维持生态功能的一种权衡机制。