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。     

生态系统光合与呼吸拆分的同位素理论、方法和应用进展

生态系统光合和呼吸是构成净生态系统CO₂交换量(NEE)的重要组分。涡度相关技术可直接观测生态系统NEE,并通过建立温度回归或光响应曲线等函数将NEE统计拆分为生态系统光合和呼吸,但是存在自相关和高估白天呼吸等问题。稳定同位素红外光谱技术的进步使高时间分辨率大气CO₂及其稳定碳同位素组成(δ¹³C)的连续观测成为可能,与涡度相关技术观测的NEE数据相结合,可实现昼夜和季节尺度生态系统光合和呼吸拆分。本文系统阐述了生态系统光合与呼吸的同位素通量拆分方法的基本理论与假设,阐述了同位素通量观测技术的发展及其应用进展,综述了同位素通量拆分理论解析生态系统光合与呼吸过程的新机制认识,最后总结并展望了同位素通量拆分理论的不确定性以及开展多种拆分方法综合比较的必要性。     

氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制

氮沉降持续增加背景下土壤C∶N∶P化学计量比和pH环境等的改变及其可能的土壤微生物学机制已经成为陆地生态系统与全球变化研究的新生长点和科学研究前沿.以生态化学计量学和土壤微生物生态学为理论基础,综述了氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进全球变化背景下陆地生态系统地下生态学的研究.氮沉降持续增加会导致森林生态系统磷循环加速,导致磷限制.氮沉降不但改变森林土壤有机质和凋落物的C∶N∶P化学计量比和降低土壤pH值,而且改变土壤微生物生物量碳氮磷、细菌、真菌和放线菌的组成以及影响碳氮磷分解的关键酶活性.氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响表现为促进、抑制和无影响,其影响的差异可能来源于微生物效应的不同.叶片在凋落前有显著的氮磷养分回收,但是根无明显的养分回收,造成土壤有机质和凋落物的C∶N∶P化学计量比存在明显差异.基于DNA/RNA等分子生物学方法为土壤微生物生态学研究提供了强有力的手段,将促进氮沉降对森林土壤有机质和凋落物化学计量比改变的微生物学机制研究.     

中国四种森林类型主要优势植物的C:N:P化学计量学特征

为了评价不同森林类型的生态化学计量特征的差异, 以吉林长白山温带针阔混交林、广东鼎湖山亚热带常绿阔叶林、云南西双版纳热带季雨林和江西千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象, 通过对2007年4月-2008年5月4种典型区域森林植物叶片和凋落物的碳(C)氮(N)磷(P)元素质量比与N、P再吸收率的分析, 探讨了4种森林类型N、P养分限制和N、P养分再吸收的内在联系。结果表明: 1)从森林类型上看, 温带针阔混交林叶片的C : N : P为321 : 13 : 1, 亚热带常绿阔叶林叶片的C : N : P为561 : 22 : 1, 热带季雨林叶片的C : N : P为442 : 19 : 1, 亚热带人工针叶林叶片的C : N : P为728 : 18 : 1; 凋落物的C : N : P也是亚热带人工林最高, 达1 950 : 27 : 1, 温带针阔混交林的最低, 为552 : 14 : 1, 热带季雨林的为723 : 24 : 1, 亚热带常绿阔叶林的为1 305 : 35 : 1, 不同森林类型凋落物的C : N : P的计量大小关系与叶片的结果一致; 2)从植物生活型上看, 常绿针叶林叶片的C : N均显著高于常绿阔叶林及落叶阔叶林; 叶片C : P与森林类型的关系并不十分密切; 常绿阔叶林叶片的N : P最高, 常绿针叶林次之, 落叶阔叶林最低; 3)植物叶片的N : P与月平均气温有显著的负相关关系, 但叶片的C : P基本不受月平均气温影响, 叶片的C、N、P计量比与降水的线性关系不显著; 4)高纬度地区的植物更易受N元素限制, 而低纬度地区植物更易受P元素的限制; 但受N或P限制的植物并不一定具有高的N或P再吸收率。研究结果表明, 不同类型森林的叶片与凋落物的化学计量特征具有一致性, 但是环境因子对不同类型植物化学计量比的影响并不相同。     

植物源和土壤有机质源土壤呼吸组分的拆分原理、方法与应用进展

区分土壤呼吸组分并揭示其与环境因素的相关关系，对于准确评估土壤碳过程及其环境影响机制至关重要。根据底物来源和作用机制的差异，土壤呼吸主要包括根系呼吸、根际微生物呼吸、凋落物分解、自然条件下和激发效应下土壤有机质（SOM）分解。现有土壤呼吸组分拆分方法可以分为基于植物源CO₂测定或土壤有机质源CO₂测定的差分拆分方法，以及基于土壤呼吸组分同位素信号差异的拆分方法。土壤呼吸组分拆分研究可以解决不同土壤呼吸组分对环境变化的响应机制、植物光合碳输入与地下土壤呼吸组分的交互作用、土壤呼吸组分变化对土壤碳库周转的影响机制等科学问题，但其理论假设、观测技术方法、潜在的误差来源等仍需要继续关注并系统研究。     

中国四种森林类型主要优势植物的C∶N∶P化学计量学特征

为了评价不同森林类型的生态化学计量特征的差异,以吉林长白山温带针阔混交林、广东鼎湖山亚热带常绿阔叶林、云南西双版纳热带季雨林和江西千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象,通过对2007年4月-2008年5月4种典型区域森林植物叶片和凋落物的碳(C)氮(N)磷(P)元素质量比与N、P再吸收率的分析,探讨了4种森林类型N、P养分限制和N、P养分再吸收的内在联系.结果表明:1)从森林类型上看,温带针阔混交林叶片的C∶N∶P为321∶13∶1,亚热带常绿阔叶林叶片的C∶N∶P为561∶22∶1,热带季雨林叶片的C∶N∶P为442∶19∶1,亚热带人工针叶林叶片的C∶N∶P为728∶18∶1;凋落物的C∶N∶P也是亚热带人工林最高,达1950∶27∶1,温带针阔混交林的最低,为552∶14∶1,热带季雨林的为723∶24∶1,亚热带常绿阔叶林的为1305∶35∶1,不同森林类型凋落物的C∶N∶P的计量大小关系与叶片的结果一致;2)从植物生活型上看,常绿针叶林叶片的C∶N均显著高于常绿阔叶林及落叶阔叶林;叶片C∶P与森林类型的关系并不十分密切;常绿阔叶林叶片的N∶P最高,常绿针叶林次之,落叶阔叶林最低;3)植物叶片的N∶P与月平均气温有显著的负相关关系,但叶片的C∶P基本不受月平均气温影响,叶片的C、N、P计量比与降水的线性关系不显著;4)高纬度地区的植物更易受N元素限制,而低纬度地区植物更易受P元素的限制;但受N或P限制的植物并不一定具有高的N或P再吸收率.研究结果表明,不同类型森林的叶片与凋落物的化学计量特征具有一致性,但是环境因子对不同类型植物化学计量比的影响并不相同.     

长白山原始阔叶红松林土壤有机质组分小尺度空间异质性

土壤有机质(SOM)对于维持生态系统生产力具有非常重要的意义,有机质的组成、空间分布和空间关联性是影响和控制诸多生态系统过程的重要因素。应用地统计学方法,对长白山原始阔叶红松林局部尺度内0—20 cm土壤有机质与活性有机质的空间异质性进行了研究,并通过交叉半方差分析探讨了二者之间的相关性。研究结果表明:(1)总体上来说,土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、颗粒态有机碳(POC)和颗粒态有机氮(PON)空间异质性较小;而土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)和表层(0—10 cm)溶解性有机碳(DOC)的空间异质性较大;(2)SOC、TN、MBC、DOC、POC和PON随着深度的增加空间自相关性增加;而溶解性有机氮(DON)的空间自相关性随深度的增加变化不大;(3)SOC与TN在表层和下层(10—20 cm)均存在空间上的正相关关系;(4)SOC、TN在表层和下层分别与MBC、MBN、DOC、DON和POC呈空间上的正相关性,但是与PON之间的空间相关关系较差;(5)不同土层深度的土壤活性有机质之间的相关关系存在差异。在表层,除POC,PON外,其余土壤活性有机质组分在空间上两两相关;但是随着土壤深度的增加,活性有机质变量之间在空间上两两相关。研究结果表明土壤有机质组分在长白山原始阔叶红松林小尺度内存在不同空间异质性和空间关联性,这为人们更好的理解森林生态系统功能(如土壤养分循环)提供了重要的理论依据。     

冰雪灾害对中亚热带人工针叶林净初级生产力的影响

结合中亚热带江西千烟洲人工针叶林2005、2008和2011年3次树木清查数据以及树木相对生长方程,比较了2008年1月南方冰雪灾害前后的NPP,评价了森林生态系统灾后的恢复能力。结果表明:乡土树种马尾松(Pinus massoniana)与杉木(Cunninghamia lanceolata)比外来树种湿地松(Pinus elliottii)抗灾害能力强;在个体水平上,胸径(D)较大的树木抗灾害能力较差。灾后马尾松与杉木的D增长率降低,而湿地松增大。冰雪灾害导致大量碳(10.44 t C/hm2)从乔木层碳库转移到死生物量碳库,占乔木层碳储量的18.28%。灾前NPP和碳利用效率(CUE)分别为736.23 g C m-2a-1和0.41;灾后经过近4年的恢复,NPP和CUE分别为683.08 g C m-2a-1和0.38。     

中华水韭遗传多样性的RAPD分析

采用RAPD方法对珍稀濒危植物中华水韭(Isoetes sinensis)4个自然居群的48个样品进行了DNA多态性分析。从60个随机引物中筛选出14个有效引物,共产生124条DNA片段,其中72条为多态性条带,总的多态位点百分率(PPB)为58．06％。各居群间多态位点百分率差异显著(0．81％-12．90％)。AMOVA分析结果表明,4个居群间基因分化系数Фst=0．5894,即遗传变异中有相当一部分来源于群体间(58．94％)。日益缩小的种群规模而导致的居群内近交和遗传漂变的发生以及居群间有限的基因交流可能是中华水韭目前遗传结构的主要成因。鉴于目前中华水韭居群内个体数偏少、遗传多样性较低的现状,建议对其进行就地保护并保护尽可能多的生境,对不同自然居群内的个体进行植株相互移栽和育苗移栽,以提高不同居群间的基因交流,尽可能地保护中华水韭的遗传多样性。