细菌与古菌之间的直接电子传递

冰川占地球陆地表面的11%,储存了约10⁴ Pg有机碳。随着冰川消融有机碳被释放至下游生态系统中,刺激海洋、湖泊和径流的初级生产力进而影响其生态系统。微生物参与的固碳过程决定了冰川有机碳储量及向下游输出碳量。研究冰川固碳微生物群落构成及其生态功能,可为估算冰川碳积累量和保护下游生态系统提供数据基础。本文综述了冰川碳储量和释放量、冰川生态系统主要固碳途径、固碳微生物群落组成、固碳速率以及影响固碳速率的环境因素。最后基于研究现状展望了冰川生态系统固碳微生物的未来研究和发展方向。     

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。     

陆地植被的固碳功能与适用于碳贸易的生物固碳方式

碳贸易的核心问题是要有足够的碳封存量在抵消CO₂的排放之后还能有碳额度进入市场买卖。该文结合固碳概念,从固碳技术、减量成本、对生态系统碳汇功能的影响等多方面对目前存在的和有潜力的各种减排与固碳途径进行了比较分析,认为陆地植被对CO₂的吸收是最安全有效的固碳过程,它们能够在一定的浓度范围内吸收CO₂,从而节省分离、提纯等技术的费用。进而该文分别对森林、草地、农田等3种陆地植被的固碳功能与不同固碳策略对固碳效果的影响两个方面进行详细具体的比较分析,得出森林生态系统具有强大的碳吸收能力,草地与农田土壤有机碳库在固碳方面的作用也十分显著。最后结合我国实际,提出4项适用于碳贸易的生物固碳方式,即保护天然林,推广种植速生丰产人工林;保育天然草地、建设人工草地;建立规模化沼气产业链;注重利用边际土地种植生物质能源,促进生物质能源的开发。     

体外苏氨酸循环固碳途径的构建

乙酰CoA是生物体代谢过程中重要的代谢物,也是许多有价值产品合成的前体物质。然而传统途径中通过丙酮酸脱羧生成乙酰CoA碳得率较低,因此构建一条高效的乙酰CoA合成途径具有重要的意义。由于在体外验证文献报道的高碳摩尔得率合成乙酰CoA的苏氨酸循环固碳途径,有较重要的理论意义和应用价值。因此在体外构建了苏氨酸循环固碳途径合成乙酰CoA,通过分段加酶的方式将其在体外进行了验证。在体外验证时,以丙酮酸为底物,则丝氨酸脱氨酶(Tdc B)为循环途径的最后一步反应。结果表明,当加入途径中除丝氨酸脱氨酶之外的酶时,测得的乙酰CoA浓度约1.5 mmol/L,待反应达到平衡时,加入丝氨酸脱氨酶,丝氨酸转化为丙酮酸,丙酮酸再次进入循环,乙酰CoA的量增加了约0.2 mmol/L,由此得出结论在体外苏氨酸循环实现了固碳。     

黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估

苜蓿草地作为黄土高原草地的重要组成部分,在黄土高原草地生态系统碳循环占有重要地位。同时由于苜蓿具有固氮和固碳的双重作用,使它在低碳农业的发展中具有重要意义。本文以一年生（建植初期）、三年生（盛产期）、五年生（稳产期）和十年生（衰败期）的人工苜蓿草地为研究对象,利用地上地下生物量和土壤碳贮量,定量分析了人工苜蓿草地不同发育阶段的固碳能力;结合种植面积,对黄土高原区人工苜蓿草地的总固碳效应进行了评价。研究结果表明：苜蓿草地地上生物固碳能力以三年生和五年生最强,并显著高于其他年限;地下生物固碳和土壤固碳量均以十年苜蓿草地最高,且显著高于其他年限。总体而言,人工苜蓿草地以土壤固碳为主,并集中在0~80cm土壤,各年限0-80cm土层土壤固碳量分别占到总固碳量的41.02%、39.43%、41.56%、39.59%;而地下生物固碳主要发生在0~20cm土层,各年限该层生物固碳量分别占到地下生物总固碳量的45.74%、 55.68%、53.12%和 43.28%。苜蓿草地在整个生命周期中总固碳量随生长年限逐年增长,但增长速度不明显,各年限单位面积总固碳量分别为12.69kg/m2、13.49 kg/m2、13.31 kg/m2和14.83 kg/m2。估算得到黄土高原的人工苜蓿草地年总固碳量为1.430?1011 Kg（143.0 Tg）,其中地上、地下、土壤分别为5.43Tg、1.15Tg和136.4Tg。本研究结果为正确分析区域碳循环和发展低碳大农业提供了重要理论参考。     

非光合固碳微生物的碳源组合优化

二氧化碳(CO_2)过量排放而引起的全球变暖是目前全球面临的重大环境问题。微生物固碳是实现二氧化碳资源利用的一种重要方式。探索无需光照的高效固碳微生物对于更广泛环境条件下的微生物固碳具有重要意义。在从全球各大海域筛选富集出非光合微生物茵群的基础上,本文构建了在不同的电子供体条件下(铵和氢气)促进非光合微生物茵群生长的最佳混合碳源组合,得到如下结果:在以NH_4~+为电子供体的条件下,优化后的碳源组合为374.24 mgC/L碳酸钠(Na_2CO_3),54.76 mgC/L碳酸氢钠(NaHCO_3)和0 mgC/LCO_2时,最佳响应值TOC为3.06 mg/L。最佳响应值TOC低于以Na_2CO_3为单一碳源时,但高于以CO_2或NaHCO_3为单一碳源时;在以H_2为电子供体条件下,使用优化后的混合碳源为0.26 mg/L Na_2CO_3、0.59mg/L NaHCO_3和71.48mL/L CO_2时,非光合微生物菌群的固碳效率可达27.62 mg/L,较以CO_2为单一碳源提高35%左右。这可能意味着有H_2条件下非光合微生物菌群中的微生物可能以羟基丙酸固碳途径为主,而且多条固碳途径均能被混合菌群利用。     

丛枝菌根途径的土壤有机碳固存机制研究进展

菌根真菌已被认为是土壤碳库的重要部分,陆地植物中至少78%与丛枝菌根真菌(AMF)形成共生关系,故研究AMF途径的土壤有机碳(SOC)固存机投对提高生态系统碳汇具有重要意义,但目前缺乏系统探讨AMF途径的SOC固碳机制。AMF具有显著的生态特性,包括较根系更高的周转速度、广泛的菌丝扩展范围以及将代谢产物转化为土壤中的稳定碳源等,这些特征共同构成了AMF在固碳机制中的作用路径。AMF从植物根系获得碳源,经过菌丝生长、代谢产物(尤其球囊霉素相关蛋白)和残体形成,将其转化为AMF源碳。AMF的根外菌丝还能与其他微生物共存并协同作用,通过分解凋落物、促进微生物的合成代谢及其物质周转,不仅增加植物源碳输入和微生物源碳积累,还促进团聚体形成,有效保护土壤中的碳不被分解,从而实现AMF途径的土壤碳固存。AMF途径的土壤固碳能力在森林、草地和农田依次减弱,这与气候变化、土壤的生物与非生物因素、地下的共生菌根网络及人类活动紧密相关。还探讨了这些因素对AMF途径SOC固存的影响,并针对现有研究的不足提出了未来的研究展望。本综述以期更深入地理解AMF途径的SOC固存机制,为菌根途径提升生态系统碳汇能力的研究提供理论支持。     

黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应

研究了黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征,分析了退耕还林草对土壤有机碳的近期影响和长期效应。结果表明,1)从黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应整体而言,相对于坡耕地,退耕还林和退耕撂荒具有显著的土壤碳增汇效应,而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。以天然草地土壤有机碳密度为目标,撂荒地表层土壤有机碳增汇潜力可达8.3 t/hm2。2)以10a为界,退耕还林草的近期土壤碳增汇效应不明显,而10a后土壤碳增汇效应逐渐明显,退耕还林、还灌、撂荒和坡耕地的固碳效应差异显著。3)在评估黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应时应当注重长期固碳效应。4)退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释55.6%和24.1%的有机碳变异性;地形因子可解释8.5%的有机碳变异性。在评估该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑退耕年限和地形因子的影响。5)人工刺槐林地、人工柠条林地以及撂荒地深层土壤(100—200 cm)有机碳密度占2 m土体有机碳密度的35%—40%,而且随着植被恢复深层土壤有机碳密度显著增加。6)在估算黄土丘陵区退耕还林土壤固碳效应时应该考虑深层碳累积。如果按1 m土层的土壤有机碳密度计算,会严重低估退耕还林草的土壤固碳量。     

混合电子供体促进非光合微生物菌群固碳效率的分子生态机制

前期研究已从全国各地的表层海水中分离驯化得到了能有效固碳的非光合固碳微生物菌群(Non-photosynthetic microbial community,NPMC),并发现在好氧条件下,混合电子供体(Mixture of Electron Donors,MEDs)(配比为0.46%NaNO_2、0.50%Na_2S_2O_3和1.25%Na_2S)能显著提高其固碳效率。但其与最佳H_2作为电子供体相比促进效果如何,其促进机制是什么,尚未见有报道。本文在比较了NPMC以MED和H_2为电子供体的固碳效率基础上,从NPMC的固碳基因丰度和表达活性角度分析了MED促进NPMC固碳效率的分子生态学机制。结果表明:(1) MED系统的固碳效率可以达到H_2系统的水平,并显著高于传统的NH_4~+系统的固碳效率;(2)卡尔文循环关键基因cbbL和cbbM在MED系统中的较高基因丰度和同时较高的表达可能是MED促进NPMC固碳效率的一个重要原因;(3)由于MED系统含有不同价态的N和S,有利于多种微生物生长,丰富了微生物多样性,为形成不同菌种之间的相互作用促进cbbL和cbbM的同时高表达提供了条件。     

非光合固碳微生物菌群的耐盐特性及其影响因素

从海洋中分离驯化得到的非光合固碳微生物菌群(NPMC)是无需光照和供氢的化能自养微生物,若能用于贫瘠盐碱地改良,实现其在盐碱土壤中的二次固碳,对于盐碱土壤的低碳化改良具有重要的意义.本实验初步验证了NPMC的耐盐特性,以及微量元素和磷酸盐缓冲液两单因素在次高盐条件下对NPMC固碳效率的影响.并通过响应面法研究了微量元素与盐浓度对NPMC固碳效率的交互作用.结果表明,非光合固碳微生物拥有耐受高盐浓度的特性,可耐受高达100g/L以上的总盐度,因此可用于重盐碱土壤的改良.微量元素和磷酸盐缓冲液浓度的增加,都可增强NPMC的固碳效率,微量元素的促进效应高于磷酸盐缓冲液.微量元素和盐度对NPMC固碳效率的影响存在交互作用.     

Forest biomass energy: assessing atmospheric carbon impacts by discounting future carbon flows

Although forest biomass energy was long assumed to be carbon neutral, many studies show delays between forest biomass carbon emissions and sequestration, with biomass carbon causing climate change damage in the interim. While some models suggest that these primary biomass carbon effects may be mitigated by induced market effects, for example, from landowner decisions to increase afforestation due to higher biomass prices, the delayed carbon sequestration of biomass energy systems still creates considerable scientific debate (i.e., how to assess effects) and policy debate (i.e., how to act given these effects). Forests can be carbon sinks, but their carbon absorption capacity is finite. Filling the sink with fossil fuel carbon thus has a cost, and conversely, harvesting a forest for biomass energy – which depletes the carbon sink – creates potential benefits from carbon sequestration. These values of forest carbon sinks have not generally been considered. Using data from the 2010 Manomet Center for Conservation Sciences ‘Biomass sustainability and carbon policy study’ and a model of forest biomass carbon system dynamics, we investigate how discounting future carbon flows affects the comparison of biomass energy to fossil fuels in Massachusetts, USA. Drawing from established financial valuation metrics, we calculate internal rates of return (IRR) as explicit estimates of the temporal values of forest biomass carbon emissions. Comparing these IRR to typical private discount rates, we find forest biomass energy to be preferred to fossil fuel energy in some applications. We discuss possible rationales for zero and near‐zero social discount rates with respect to carbon emissions, showing that social discount rates depend in part on expectations about how climate change affects future economic growth. With near‐zero discount rates, forest biomass energy is preferred to fossil fuels in all applications studied. Higher IRR biomass energy uses (e.g., thermal applications) are preferred to lower IRR uses (e.g., electricity generation without heat recovery).     

草地土壤固碳潜力研究进展

土壤固碳功能和固碳潜力已成为全球气候变化和陆地生态系统研究的重点。草地土壤有机碳库,作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分,其较小幅度的波动,将会影响整个陆地生态系统碳循环,进而影响全球气候变化。因此,深入研究草地土壤固碳功能和固碳潜力对于适应和减缓气候变化具有重要意义。在土壤固碳潜力相关概念界定基础上,结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,从样点及区域尺度上综述了目前关于草地土壤固碳潜力的一般估算方法,同时对各类方法的特点及适用性进行了评述,提出了草地生态系统固碳潜力研究概念模型。最后在对草地土壤固碳的影响因素及固碳措施总结的基础上,阐明了草地土壤有机碳固定研究中存在的问题和发展前景。     

Vegetation carbon sequestration in Chinese forests from 2010 to 2050

Forests store a large part of the terrestrial vegetation carbon (C) and have high C sequestration potential. Here, we developed a new forest C sequestration (FCS) model based on the secondary succession theory, to estimate vegetation C sequestration capacity in China's forest vegetation. The model used the field measurement data of 3161 forest plots and three future climate scenarios. The results showed that logistic equations provided a good fit for vegetation biomass with forest age in natural and planted forests. The FCS model has been verified with forest biomass data, and model uncertainty is discussed. The increment of vegetation C storage in China's forest vegetation from 2010 to 2050 was estimated as 13.92 Pg C, while the average vegetation C sequestration rate was 0.34 Pg C yr^?1 with a 95% confidence interval of 0.28–0.42 Pg C yr^?1, which differed significantly between forest types. The largest contributor to the increment was deciduous broadleaf forest (37.8%), while the smallest was deciduous needleleaf forest (2.7%). The vegetation C sequestration rate might reach its maximum around 2020, although vegetation C storage increases continually. It is estimated that vegetation C sequestration might offset 6–8% of China's future emissions. Furthermore, there was a significant negative relationship between vegetation C sequestration rate and C emission rate in different provinces of China, suggesting that developed provinces might need to compensate for undeveloped provinces through C trade. Our findings will provide valuable guidelines to policymakers for designing afforestation strategies and forest C trade in China.     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

甘肃省森林碳储量现状与固碳速率

针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性, 该研究依据全国森林资源连续清查结果中甘肃省各森林类型分布的面积与蓄积比重以及林龄和起源等要素, 在甘肃省布设212个样地, 经野外调查与采样、室内分析, 并对典型样地信息按照面积权重进行尺度扩展, 估算了甘肃省森林生态系统碳储量及其分布特征。结果表明: 甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 其中植被生物量碳为179.04 Tg C, 土壤碳为433.39 Tg C。天然林是甘肃省碳储量的主要贡献者, 其值为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。天然林和人工林的植被碳密度均表现为随林龄的增加而增加的趋势, 同一龄组天然林植被碳密度高于人工林。天然林土壤碳密度从幼龄林到过熟林逐渐增加, 但人工林土壤碳密度最大值主要为近熟林。全省森林植被碳密度均值为72.43 Mg C·hm^-2, 天然林和人工林分别为90.52和33.79 Mg C·hm^-2。基于森林清查资料和标准样地实测数据, 估算出全省天然林和人工林在1996年的植被碳储量为132.47和12.81 Tg C, 2011年分别为152.41和26.63 Tg C, 平均固碳速率分别为1.33和0.92 Tg C·a^-1。甘肃省幼、中龄林面积比重较大, 占全省的62.28%, 根据碳密度随林龄的动态变化特征, 预测这些低龄林将发挥巨大的碳汇潜力。     

基于森林清查资料的江西和浙江森林植被固碳潜力

以我国江西、浙江两省的森林植被为研究对象,基于1999-2003年间第六次全国森林清查数据及收集的1030个亚热带森林样地文献资料,依据林分生长的经验方程,估算了两个地区森林2004-2013年的固碳潜力,并基于455个样点的调查数据研究了不同森林管理措施(纯林间种、间伐、施肥)对森林未来固碳潜力的影响.结果表明:第六次森林清查以来的10年(2004-2013)间,江西森林植被年均自然固碳潜力约11.37 Tg C·a-1(1Tg=1012g),而浙江省森林植被年均自然固碳潜力约4.34 Tg C·a-1.纯林间种对江西、浙江两省森林植被固碳潜力影响最大,其次为间伐抚育,施肥的影响最小,纯林间种、间伐和施肥3种森林管理措施使江西省森林植被固碳潜力分别提高(6.54±3.9)、(3.81±2.02)和(2.35±0.6) Tg C·a-1,浙江省森林植被固碳潜力分别提高(2.64±1.28)、(1.42±0.69)和(1.15±0.29) Tg C·a-1.     

Current stocks and rate of sequestration of forest carbon in Gansu Province,China

Aims
Carbon sequestration is the basic function and most primary service of forest ecosystems, and plays a vital role in mitigating the global climate change. However, carbon storage and allocation in forest ecosystems have been less studied at regional scales than at forest stand levels, and the results are subject to uncertainty due to inconsistent methodologies. In this study we aim to obtain relatively accurate estimates of forest carbon stocks and sequestration rate at a provincial scale (regional) based on plot surveys of plants and soils.
Methods
In consideration of the areas and distributions of major forest types, 212 sampling plots, covering different age classes and origins (natural forests vs. planted forests), were surveyed in Gansu Province in northern China. Field investigations were conducted for vegetation layers (trees, shrubs, herbs and litter), soil profiles, and sampling of both plant materials and soils for laboratory analyses. Regional carbon stocks were calculated by up-scaling the carbon densities of all forest types with their corresponding areas. Carbon sequestration rate was estimated by referencing the reports of national forest inventory data for different periods.
Important findings Forest carbon stocks at the provincial scale were estimated at 612.43 Tg C, including 179.04 Tg C in biomass and 433.39 Tg C in soil organic materials. Specifically, natural forests stored 501.42 Tg C, approximately 4.52 times than that of the plantations. Biomass carbon density in both natural forests and plantations showed an increasing trend with stand age classes, and was greater in natural forests than in plantations within the same age classes. Soil carbon density also increased with stand age classes in natural forests, but the highest value occurred at the pre-mature stage in plantations. The weighted average of regional biomass carbon density was at 72.43 Mg C·hm^-2, with the average value of 90.52 Mg C·hm^-2 in natural forests and 33.79 Mg C·hm^-2 in plantations, respectively. In 1996, vegetation stored 132.47 Tg C in natural forests and 12.81 Tg C in plantations, respectively, and the values increased to 152.41 and 26.63 Tg C in 2011, with the mean carbon sequestration rates of 1.33 and 0.92 Tg C·a^-1. Given that young and middle-aged forests account for a large proportion (62.28%) of the total forest areas, the region is expected to have substantial potential of carbon sequestration.     

农林复合系统固碳潜力研究进展

农林复合系统是解决当前资源枯竭、农林用地紧张和实现环境保护的一种可持续土壤管理模式。自《京都议定书》签订以来, 农林复合系统因其较高的固碳潜力引起了科学家的广泛关注。深入理解农林复合系统的固碳过程及其对气候变化、环境条件的改变和管理措施的响应, 是准确地预测农林复合系统在全球变化情景下固碳潜力的关键。该文综述了农林复合系统的概念和分类, 探讨了农林复合系统相比单一系统的固碳潜力及固碳机理, 分析了农林复合系统固碳潜力的测定方法和当前面临的挑战, 综述了气候因子、环境条件和人为管理措施对农林复合系统固碳潜力的影响。我国农林复合系统的固碳潜力相比全球其他区域还处于较低水平, 为提高我国农林复合系统的固碳潜力, 未来需要加强以下四个方面的工作: 扩大农林复合系统的分布面积、加强农林复合系统的合理配置和管理、选择适宜的物种组合和优化系统的群体结构。     

氮沉降对森林生态系统碳吸存的影响

工业化带来的大气氮沉降增加是影响森林生态系统碳吸存的重要因素。将森林碳库分为地上和地下两部分,从3个方面综述了国内外氮沉降对森林生态系统碳吸存影响的研究现状。(1)地上部分:氮限制的温带森林,氮沉降增加了地上部分碳吸存。氮丰富的热带森林,氮沉降对地上部分碳吸存没有影响。过量的氮输入会造成森林死亡率的上升,从而降低地上部分碳吸存。(2)地下部分:相比地上部分研究得少,表现为增加、降低和没有影响3种效果。(3)目前的结论趋向于认为氮沉降促进森林生态系统碳吸存,然而氮沉降所带来的森林生态系统碳吸存能力到底有多大依然无法确定,这也将成为未来氮碳循环研究的重点问题。分析了氮沉降影响森林生态系统碳吸存的机理,介绍了氮沉降对森林生态系统碳吸存影响的4种研究方法。探讨了该领域研究的不足及未来的研究方向。     

植物功能性状与湿地生态系统土壤碳汇功能

湿地生态系统碳平衡对气候变化极为敏感,是陆地生态系统碳循环响应全球变化的重要环节。然而,湿地生态系统碳汇调节机制仍不十分清楚,并且对影响因子的研究多集中在非生物因子上。综述了植物功能性状和功能性状多样性对湿地生态系统土壤碳汇功能的影响,阐明了生物因子对生态系统碳循环响应全球变化的重要性,介绍了植物功能性状对生态系统碳输入和输出过程的影响,简述了植物功能性状多样性的研究现状及其在指示生态系统碳汇功能现状和预测未来趋势等方面的应用。从优势植物、植物种间关系和植物-微生物种间关系3方面总结了植物功能性状多样性直接和间接影响生态系统碳循环的途径。展望了植物功能性状和功能性状多样性与湿地生态系统土壤碳汇功能的研究前景。