林木树干呼吸变化及其影响因素研究进展

树干呼吸是森林生态系统碳平衡的重要组成部分,它每年消耗碳同化总量(NPP)的11%~33%。受测定技术所限,过去对树干呼吸的研究未能引起足够的重视。近十几年来,由于大气CO₂温室气体浓度的持续升高,树干呼吸已成为研究的热点。测定树干呼吸的方法较多,早期一般采用气体交换法和密闭方法,最近利用便携式光合测定系统(Li-Cor6400)或土壤碳通量测量系统(Li-8100)对树干呼吸采用开路系统测定方法。大量研究结果表明: 1)树干呼吸的日变化呈双峰型曲线,即从早晨开始,树干呼吸速率随温度的上升而增加,到午间有所降低,之后逐渐增加,达到峰值后又逐渐降低。2)树干呼吸的季节动态为:生长季的树干呼吸速率明显高于非生长季,即从春季到夏季树干呼吸速率呈持续升高态势,高峰值出现在7或8月,尔后逐渐下降。树干呼吸活动是一个复杂的生物学过程,其影响因子较多。直接影响因子有气象因子(如温度、湿度和CO₂浓度)和生物因子(如树种、树龄、径阶、边材积和树干氮含量等);而纬度、海拔和地形因子通过影响气象因子或生物因子而间接影响树干呼吸。诸多因子中,树干温度对树干呼吸的贡献最大(Q₁₀可描述树干呼吸对温度升高的敏感性)。树干呼吸机理及其影响因子乃是今后研究的主要内容,一方面要采用统一的测量方法和技术,另一方面要综合考虑影响树干呼吸的内外因素,建立树干呼吸的相关模型,为构建森林生态系统碳循环模型、了解森林生态系统碳收支状况及其对大气CO₂浓度变化的贡献和对全球变化的响应提供理论依据。     

亚热带地区马尾松树干呼吸碳同位素组成的时间变化特征及其控制因子

作为森林生态系统碳循环的重要组成部分,树干呼吸的时空变异性直接决定着全球碳库对气候变化的响应和反馈。然而,目前关于树干呼吸的时间变化特征,尤其是树干呼吸碳同位素组成(δ~(13)C)变化的控制机理还存在很大的不确定性。为探明树干呼吸及其碳同位素的时间变化特征,采用气室法并利用基于光腔衰荡光谱(CRDS)技术组装的Picarro观测系统,于2018年8月—2019年10月对6棵马尾松进行树干呼吸及其同位素的监测,同时测定树干液流速率和树干温度。结果表明:(1)树干呼吸速率及其δ~(13)C值均不存在明显的日变化模式,且与树干液流、树干温度相关性不显著;(2)树干呼吸速率季节变化趋势明显,变化范围为0.08～1.61μmol·m~(-2)·s~(-1),且树干温度解释了树干呼吸速率季节变化的82%;(3)树干呼吸δ~(13)C呈现先升高后下降的季节变化模式,非生长季的平均δ~(13)C为-23.25‰±0.91‰,显著高于生长季的-27.93‰±0.25‰。研究表明,树干呼吸及其碳同位素组成在不同时间尺度上其变化模式和可能的调控机制不同,尤其是树干呼吸碳同位素组成的季节变化模式为研究树干呼吸的生理生态过程提供了新的视角。     

森林碳利用效率研究进展北大核心CSCD

植物碳利用效率(CUE)指净初级生产力与总初级生产力的比率,它不仅反映了植被生态系统将大气中CO2转化为生物量的能力和固碳潜力,而且可确定呼吸对植被生产力的影响。CUE是比较不同生态系统碳循环差异的重要参数,了解生态系统CUE有助于分析陆地生态系统是碳源还是碳汇,对于预测全球变化和人类干扰对森林碳收支的影响具有重要意义。我国在森林CUE研究方面还十分欠缺。该文在介绍森林CUE计算方法和测定技术的基础上,综述了植被、气象、森林经营等因子对森林CUE的影响,得出主要结论:(1)关于不同森林植被类型CUE变化有两种截然相反的观点,即:恒定CUE和变量CUE。越来越多的研究支持第二种观点,不同生态系统、不同森林类型、不同物种和植物发育阶段的CUE存在较大差异,森林CUE较灌丛和草地低,落叶林比混交林和常绿林具有较高的CUE,热带森林CUE通常低于温带森林,CUE与植被演替和林龄相关,森林地上、地下部分和不同组织的CUE不同,以树干为最高;(2)植被的CUE与气温相关,全球尺度上,森林植被年平均CUE与年平均气温呈抛物线关系,温带、寒带、干旱地区植物呼吸的温度适应驱动其较高的CUE;CUE随着降水量的增加而减少,在水分充足或过剩的地区保持不变;光照减弱降低维持呼吸系数,增加生长呼吸系数,导致植物CUE降低,生长在高光照下的植物CUE高于低光照下的植物;(3)CO2浓度升高引起植物CUE的升高或降低,也有人认为CO2浓度升高对森林CUE没有影响,CO2浓度升高对CUE的影响可能取决于树木年龄或基因型;(4)生长在土壤瘠薄、低温、干旱等胁迫环境下的植物CUE通常比生长在适宜环境下的植物具有较大的可塑性,施肥、灌溉和择伐等管理措施影响森林CUE;(5)植物CUE具有明显的季节变化,温带森林以春季CUE为最高。建议今后森林CUE研究应着重围绕以下3个关键问题:(1)从不同空间尺度和生态系统层次,探讨森林CUE的变异特征及其驱动机制;(2)从不同时间尺度,探讨森林CUE动态过程与机制;(3)森林CUE对气候变化的响应与适应。     

树干液流对环境变化响应研究进展

随着大气中CO2浓度和其它温室气体的上升,预计全球和区域尺度的温度会增加,由于增温导致地球上一些地区降水增加,一些地区可能面临干旱的加剧.要分析气候、环境变化对植被的影响,需要深入了解植被和大气之间能量、水汽和CO2交换,蒸腾是这个交换过程的一个重要组成部分,是水分和能量离开森林生态系统的主要途径.目前,树干液流测定技术已经发展得比较成熟,能比较可靠的估计整树蒸腾,逐步被应用于研究树木水分利用对环境变化的响应.介绍比较成熟的树木(林分)蒸腾估算方法,就树木(林分)水分利用对环境变化响应研究中的几个热点问题进行了总结:(1) 大气中CO2浓度升高对树木水分利用、气孔导度和冠层结构的影响,环境条件决定树木水分利用对CO2的响应幅度.(2) 树木蒸腾对降雨的响应类型,降雨格局改变导致的土壤干旱对林分蒸腾的影响.(3) 树体储存水的生理意义.随着液流技术的发展和推广,其作为一种科学研究的技术与手段将会受到更多学者的重视,也必将推进树木水分利用对环境变化响应的研究.     

土壤异养呼吸的测定及其温度敏感性影响因子

土壤异养呼吸主要指土壤中微生物分解有机质释放CO2的过程,是陆地生态系统中土壤碳的主要净输出途径,土壤异养呼吸与净初级生产力的差值是决定生态系统碳源/汇的关键.本文介绍了土壤异养呼吸的测定方法--室内培养的去根土壤样品培养和原状土柱培养,以及野外原位测定的根排除法、环割法和同位素法等操作方法的优缺点以及适用范围.在土壤异养呼吸的研究方面,土壤异养呼吸温度敏感性(Q10)是碳循环研究的重要方面之一,温度、水分以及土壤呼吸底物是影响Q10的主要因子,一般情况下,随着温度的升高,Q10下降;土壤含水量过低或过高时,Q10降低;土壤有机碳的有效性影响着土壤异养呼吸对温度变化的响应程度,当有效性降低时Q10下降,不同周转时间的有机碳的温度敏感性也不相同,活性有机碳的温度敏感性较惰性有机碳的温度敏感性低.     

CO_2浓度升高和N沉降对中亚热带森林土壤呼吸的短期影响

大气CO2浓度升高和N沉降持续增加已是不争的事实,影响着森林生态系统碳循环。为深入了解CO2浓度升高和N沉降增加对中亚热带森林土壤碳循环的共同影响,本研究通过模拟CO2浓度升高和N沉降增加,利用Li-Cor 8100测定了土壤呼吸1年的变化。结果表明:CO2浓度升高和N沉降显著促进了土壤呼吸,其单独处理的土壤呼吸速率分别比对照高24.4%和27.9%(P0.01);CO2浓度升高和N沉降同时作用下,土壤呼吸速率比对照高46.5%(P0.01)。表明,N沉降和CO2浓度升高对土壤呼吸的促进作用存在非加和效应。相关性分析显示,土壤呼吸与土壤温度呈显著正相关,而与土壤含水量呈负相关。CO2浓度升高和N沉降增加改变了土壤呼吸的温度敏感性。CO2浓度升高略微增加了土壤呼吸的温度敏感性,而N沉降则降低了土壤呼吸的温度敏感性。因此,在全球CO2浓度升高和N沉降增加的背景下,中亚热带森林土壤有机碳向大气中的排放可能会增加,但有机碳分解对环境温度变化的敏感性降低。     

中国东北地区兴安落叶松林树干呼吸的研究

树干呼吸是森林碳平衡估计中的一个重要项目同时还能够显示树木的活力.对于如何准确估计森林树干呼吸释放CO2总量还存在争论.在本项研究中,2001～2002连续两年在一个33年生的兴安落叶松(Larix gmelini Rupr.)人工林内对树干呼吸进行了测定,同时测定了不同高度树干呼吸、呼吸的日变化、同龄落叶松林内不同个体的树干呼吸以及相关生长状态因子、水分因子和温度因子.结果显示:1)树干上部的呼吸速率在不同季节都高于下部呼吸速率,树干温度的差异能够一定程度上解释这种差异;2)树干呼吸有午间降低的现象,上午的测定结果树干温度与树干呼吸速率紧密相关,而下午则温度依赖性很小,土壤、空气、小枝木质部水势、叶片蒸腾速率和气孔导度都显示下午植物水分亏缺下午较上午严重,呼吸的这种上下午温度相关性的差异可能受这种水分亏缺的影响;3)在同龄林内,树木个体生长状态包括平均生长速率和树冠投影面积与树干呼吸速率有显著相关关系,而树干温度与之相关性很小.幂指数模型和S曲线模型能够产生较好的拟合效果;4)树干呼吸季节变化明显,7月份出现最大值,但同一月份的年间差异较大.自然指数模型能够较好地拟合温度与树干呼吸的季节变化规律.Q10值在2.22(2001年)和3.53(2002年)之间,与以往研究的结果相当.从以上结果可以看出,通过单一的Q10值估计森林树干呼吸总量会产生偏差,要想得到准确的估计,至少应该考虑生长状态的差异和水分状态的差异.     

绿藻CO2浓缩机制的研究进展

单细胞绿藻是淡水水体中浮游植物的重要组成部分,也是淡水生态系统中主要的初级生产者,其在适应外界CO2浓度变化的过程中,细胞内形成了一种主动转移无机碳的机制－CO2浓缩机制（CO2 concentrating mechanism,CCM）。该机制能使细胞在核酮糖－2－磷酸羧化氧化酶（rubiscol)固碳位点提高CO2浓度,以增加光合作用和减少光吸收。本文综述了这种机制中的无机碳转移模型和不同环境因子（光,温度,CO2浓度和营养水平）对它的调控作用,以期促进深入开展浮游植物对大气CO2浓度升高响应的研究。     

温带4种针叶树种春、秋季节树干维持呼吸的日动态

揭示树干维持呼吸(RM)的时间变化特征及其调控因子有助于理解树木碳代谢过程及其对环境变化的响应和构建森林碳循环机理模型。采用红外气体分析法原位测定东北东部山区4个针叶树种(红松、红皮云杉、樟子松和兴安落叶松)的春、秋季节RM日动态及其影响因子。结果表明:秋季和春季4个树种RM日变化多随树干温度(TW)而变化,但RM峰值大小和出现时间以及日变化幅度因树种和季节而异。TW解释了RM(除春季樟子松外)变异性的50%以上,但RM对TW响应滞后1.5 h(春季樟子松为3 h)。将RM标准化到TW为10℃(R10)时发现,秋季R10波动在0.54μmol CO2m-2s-1(兴安落叶松)—0.78μmol CO2m-2s-1(红皮云杉)之间,而春季R10则波动在0.87μmol CO2m-2s-1(红松)—1.10μmol CO2m-2s-1(樟子松)之间,前者平均低于后者约40%。然而,各树种秋季和春季RM的Q10值差异不显著(P0.05),波动在1.52(樟子松)—1.82(红皮云杉)之间。秋季和春季所有树种的R10与树木胸径(DBH)之间均呈显著的正相关关系(P0.05),而Q10与DBH则多呈负相关关系(P0.05),表明DBH可作为估测这些针叶树种RM的参数之一。     

中国东北地区兴安落叶松林树干呼吸的研究

树干呼吸是森林碳平衡估计中的一个重要项目同时还能够显示树木的活力。对于如何准确估计森林树干呼吸释放CO2总量还存在争论。在本项研究中,2001、2002连续两年在一个33年生的兴安落叶松(Larix gmelini Rupr.)人工林内对树干呼吸进行了测定,同时测定了不同高度树干呼吸、呼吸的日变化、同龄落叶松林内不同个体的树干呼吸以及相关生长状态因子、水分因子和温度因子。结果显示：1)树干上部的呼吸速率在不同季节都高于下部呼吸速率,树下温度的差异能够一定程度上解释这种差异;2)树干呼吸有午间降低的现象,上午的测定结果树干温度与树干呼吸速率紧密相关,而下午则温度依赖性很小,土壤、空气、小枝木质部水势、叶片蒸腾速率和气孔导度都显示下午植物水分亏缺下午较上午严重,呼吸的这种上下午温度相关性的差异可能受这种水分亏缺的影响;3)在同龄林内,树木个体生长状念包括平均生长速率和树冠投影面积与树干呼吸速率有显著相关关系,而树干温度与之相关性很小。幂指数模型和S曲线模型能够产生较好的拟合效果;4)树干呼吸季节变化明显,7月份出现最大值,但同一月份的年间差异较大。自然指数模型能够较好地拟合温度与树干呼吸的季节变化规律。Q10值在2．22(2001年)和3．53(2002年)之间,与以往研究的结果相当。从以上结果可以看出,通过单一的Q10值估计森林树干呼吸总量会产牛偏差,要想得到准确的估计,至少应该考虑生长状态的差异和水分状态的差异。