碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

农田作物同化碳输入与周转的生物地球化学过程

作物同化碳在“大气-植物-土壤”系统中流通的生物地球化学过程,显著影响全球陆地生态系统碳循环过程。作物同化碳是土壤有机碳的重要来源,与根际环境及作物生长发育有密切联系,但由于其复杂性和多变性,作物生长期内同化碳在土壤中的分配、转化与稳定的机理尚不十分清楚。因此,综述了作物同化碳向土壤碳库输入及其对土壤有机碳库的贡献,在土壤碳库中的分配与转化特征,在土壤中流通的微生物机制以及同化碳在土壤-微生物系统分配、稳定的微观机制。探讨同化碳在地上部-根际-土壤系统中的分配及调节机制,土壤界面同化碳流动过程与土壤微生物多样性形成的关系;提出了在不同生态系统尺度上加强作物同化碳在土壤-作物系统中分配过程的定量研究对于明确陆地生态碳循环过程的重要意义;指出了研究作物同化碳向土壤碳库迁移、分配定量过程与机制的重要性,以及应用显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术、和微生物分子与群落生态相偶联的技术是未来研究作物同化碳生物地球化学特性的有效手段。     

土壤微生物碳泵概念体系2.0

土壤微生物在陆地生态系统元素循环中扮演着关键角色,对土壤健康、粮食安全和全球气候变化发挥着重要的调节作用。土壤微生物同化代谢产物对土壤碳储存与有机质维持的贡献不容忽视。近年来,以微生物代谢和死亡残体生成过程为核心提出的土壤微生物碳泵概念体系得到了广泛关注,它主要描述了以土壤异养微生物代谢为驱动的土壤有机碳形成和稳定化过程,是目前陆地生态系统碳固存的重要机制体系与研究热点。本文对该体系的研究进展进行了梳理,并提出了引入自养微生物固碳通道与结合土壤矿物碳泵概念的土壤微生物碳泵概念体系2.0,以期丰富和完善现有的微生物介导的陆地生态系统土壤碳循环与固持机制,为实现我国“双碳”目标提供理论支撑。     

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.     

陆地生态系统地下碳输入与输出过程研究进展

生态系统地下碳输入与输出过程是陆地生态系统碳分配和转化的核心,并直接影响着全球碳循环。陆地生态系统凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸是地下碳输入与输出过程中的重要组成部分。由于这些组分非常复杂且其研究技术和方法受到限制,目前人们对陆地生态系统地下碳输入与输出过程尚缺乏全面的认识,故在陆地生态系统碳循环研究中存在诸多的不确定性。该文概述了凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸的研究方法,以及它们对气候变化的响应,探讨了陆地生态系统地下碳输入与输出过程中的研究难点,并对未来需要深入探究的一些领域进行了展望。     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

在陆地生态系统中,土壤、植被与大气之间有着可观的碳交换通量,陆地生态系统碳循环也和全球气候变化密切关联。菌根真菌可与绝大多数陆地植物建立菌根共生关系,通过矿质养分-碳交换连接起生态系统地上与地下部分,深度参与和影响陆地生态系统的碳循环过程。该文从碳的输入,土壤有机质的形成、稳定和分解等4个关键环节分别论述了菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用。研究表明,菌根真菌在陆地生态系统碳的输入过程中扮演关键角色,其通过改善植物矿质营养,参与植物逆境响应,影响植物的光合作用强度,以及调控植物多样性与生产力之间的关系等多种途径,维持或提高植被初级生产力;大气中的CO₂被植物固定后,一部分碳经由菌丝网络输送到土壤中,随后经微生物的分解和转化,与矿物结合或被团聚体包裹而被稳定在土壤中;同时,菌根真菌通过影响根际激发效应和菌丝际生物化学过程,如分泌特定胞外酶,与菌丝际微生物互作,驱动芬顿反应,以及与腐生微生物竞争等,调控土壤有机质的分解和转化过程。考虑到菌根真菌对环境和气候变化的敏感性,该文还探讨了全球变化因子对菌根真菌介导的碳循环过程的影响。最后,该文对未来研究方向进行了展望,并提...     

作物生育期内光合碳在地下部的分配及转化

光合碳是"大气-植物-土壤"系统碳循环的重要组成部分,也是土壤有机碳的重要来源.在农田生态系统中,作物生长期内光合碳在地下部的去向及代谢机理易被忽视,此方面的研究对于全面认识植物-土壤-微生物间的互作关系、农田土壤质量变化及全球碳循环规律却是必不可少的.本文综述了作物生育期内光合碳在地下部的动态分配、其对土壤有机碳的贡献及微生物在光合碳转化中的作用,总结了碳示踪技术;提出应加强在典型土壤类型上的光合碳研究,明确其对不同土壤有机碳组分贡献;重点开展大豆、玉米等作物光合碳在地下部动态分配研究;探讨根系分泌含碳化合物与微生物利用的关系;强调气候条件和农艺措施等综合因素对碳分配的影响.     

碳同位素在湿地碳循环研究中的应用及进展

湿地碳库是区域生态系统中最重要的碳库之一,湿地碳循环是全球碳循环的重要环节。在湿地碳循环研究中,传统方法越来越不能满足人们对湿地中碳循环微观机理的了解,而碳同位素方法因其特殊的物源和过程示踪价值成为湿地碳循环研究的重要手段。本文从湿地碳循环的主要研究对象和基本研究方法出发,讨论了碳同位素方法的基本原理及其在碳循环研究中的优势,分析了碳同位素方法在湿地生物过程、水体、沉积物和土壤以及温室气体排放等方面的应用,归纳总结了碳同位素在我国湿地生态系统碳循环研究中的不足及未来发展方向。     

干湿交替下草地生态系统土壤呼吸变化的微生物响应机制研究进展

草地是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,对全球碳循环和气候调节有着重要的作用和效应.我国拥有极为丰富的草地资源,是巨大的陆地碳储存库,也是全球碳循环重要组成部分.干湿交替是土壤中普遍发生的自然现象,这种现象的发生可能会加速土壤的碳矿化过程、激增土壤呼吸以及影响微生物的活性和群落结构等.在全球变化日趋显著的背景下,降雨量、降雨强度以及降雨频率的变化将会加速土壤干湿交替进程,进而带来微生物活性、群落结构以及土壤呼吸的变化,并对全球碳循环过程产生重要影响.本文综述了近十年来国内外的相关文献,对干湿交替条件下,土壤释放CO₂消耗碳源、土壤呼吸随时间的动态变化趋势以及土壤呼吸与微生物量、微生物活性和微生物群落结构之间的关系进行了分析和总结,以期为更好地理解干湿交替过程中草地生态系统土壤呼吸的微生物学响应机制,更准确地预测和评估未来的全球陆地生态系统的碳收支与气候变化提供一定的理论基础.     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤-植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（13C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤-植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤-植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤-植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物-根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤 植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（¹³C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤 植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤 植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤 植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物 根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

自养微生物同化CO_2的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化

大气中CO2浓度持续升高和全球气候变暖是亟待解决的重大环境问题。自养微生物在环境中广泛分布,能直接参与CO2的同化,因此研究自养微生物同化CO2的分子生态学机制具有重大的科学意义。以往对自养微生物的研究多针对基因组DNA,从DNA水平揭示了不同生态系统中碳同化自养微生物的种群结构和多样性,但这些微生物在生态系统中的具体功能有待进一步的研究。近年来,随着转录组学研究技术和稳定同位素探针技术(SIP)的发展,自养微生物同化CO2的生态机理研究不断深入,这些研究明确揭示了碳同化自养微生物是河流、湖泊和海洋生态系统中CO2固定作用的驱动者,并新发现了一些具有CO2同化功能的微生物群落。基于国内外有关研究进展,从DNA和RNA水平上对自养微生物同化CO2的分子机理以及稳定同位素探针技术(SIP)在碳同化微生物研究中的应用进行了分析和总结,初步展望了RNA-SIP技术在陆地生态系统碳同化微生物分子生态学研究中的前景。同时,探讨了陆地生态系统同化碳的转化和稳定性机理,以期为深入了解生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。     

土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用

土壤溶解性有机碳(DOC)是有机碳库的活跃组分,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.本文从碳循环重要性着手,综述了土壤DOC在土壤碳固持与温室气体排放中的作用;结合我国的现实情况(如土壤酸化、气候变暖等),探讨了土壤DOC的相关影响因素如土壤性质、环境因素、人为活动对土壤DOC的影响及作用机制,对进一步理解土壤DOC在陆地生态系统碳循环与温室气体减排中的作用具有重要意义.     

土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

森林溶解性有机碳淋溶驱动机制及模拟研究进展

溶解性有机碳(DOC)淋溶是陆地生态系统碳循环中一个关键环节。森林生态系统是陆地生态系统DOC的主要来源之一。DOC通过淋溶作用进入底层土壤,引起底层土壤有机碳变化。森林生态系统DOC通过地表径流汇集和地下水渗漏进入水体,最终参与海洋碳循环。因此,探索森林生态系统DOC淋溶驱动机制对理解全球碳循环关键过程具有重要意义。本文阐述了森林生态系统DOC来源和去向,总结了DOC淋溶的几种重要驱动机制,包括土地利用、气候变化、酸沉降、大气CO_2增加和土壤铁铝氧化物等影响因素,并归纳了模拟DOC淋溶及输出通量的经验统计模型和过程机理模型的优缺点。结合目前中国森林生态系统DOC研究现状和不足,我们建议建立中国森林生态系统DOC淋溶观测网络,为模型预测DOC变化提供准确和可靠的观测数据。此外,在未来研究中,需要将野外观测-室内实验-模型模拟相结合,深入研究森林生态系统DOC淋溶驱动机制,尤其要加强环境变化情境下典型区域或国家尺度DOC淋溶的模拟研究。     

浮游植物稳定碳同位素分馏机制及环境应用

浮游植物驱动水体碳循环,是解释全球碳生物地球化学过程的关键因素。相对于陆地植物,浮游植物碳在合成过程中的分馏机制较为复杂。为了系统了解藻类碳同位素分馏过程及其同位素在环境中的应用,本文调研了国内外的相关研究进展,并以蓝藻、绿藻和硅藻为代表,阐述了浮游植物碳浓缩及其同位素分馏的机制。此外,本文还总结了目前藻类碳同位素信号的变化范围及其影响因素,并探讨了藻类碳同位素在古海洋、水生食物网与水体碳循环研究中的应用。     

外源碳输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响及其微生物学驱动机制

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性氮素的过量积累,进而带来微生物对碳源需求的增加。通过人为调控碳源的可利用性,改善微生物的碳限制状况,将对科学的增加陆地生态系统固碳能力具有极为重大的意义。综述了国内外有关外源碳输入对土壤碳排放、凋落物分解以及土壤碳库影响及其主要的微生物作用机制的相关研究结果,以期能够为未来氮沉降持续增加情景下,如何科学有效地提高生态系统的碳汇潜力提供一定的参考。