森林生态系统碳循环对全球氮沉降的响应

森林土壤和植被储存着全球陆地生态系统大约46%的碳,在全球碳平衡中起着非常重要的作用。过去几十年来,森林生态系统的碳循环和碳吸存受到了全球氮沉降的深刻影响,因为氮沉降改变了陆地生态系统的生产力和生物量积累。以欧洲和北美温带森林区域开展的研究为基础,综述了氮沉降对植物光合作用、土壤呼吸、土壤DOM及林木生长的影响特征和机理,探讨了森林生态系统碳动态对氮沉降响应的不确定性因素。热带森林C、N循环与大部分温带森林不同,人为输入的氮对热带生态系统过程的影响也可能不同,因此指出了在热带地区开展碳氮循环耦合研究的必要性和紧迫性。     

中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展

森林是陆地生态系统的主体,是陆地上最大的碳储库和碳吸收汇。国内外研究表明,土壤亚系统在调节森林生态系统碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用。但是,由于森林类型的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对森林土壤碳储量和变率的科学估算,以及土壤关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限。综述了近十几年来我国森林土壤碳储量和土壤碳过程的研究工作,主要包括不同森林类型土壤碳储量、土壤碳化学稳定性、土壤呼吸及其组分、土壤呼吸影响机制、气候变化与土地利用对土壤碳过程的影响等;评述了土壤碳过程相关科学问题的研究进展,讨论了尚未解决的主要问题,并分析了未来土壤碳研究的发展趋势,以期为促进我国森林土壤碳循环研究,科学评价森林土壤碳固持潜力及其稳定性维持机制和有效实施森林生态系统管理提供科学参考。     

气候变化对森林土壤有机碳贮藏影响的研究进展

森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响陆地生态系统的碳贮藏与全球的碳平衡.气候变化将影响植物光合作用及土壤有机碳的分解和转化过程,进而影响森林土壤有机碳贮量及土壤碳动态.温度、降水、大气CO2浓度等气候因子对森林土壤碳贮藏均具有重要影响.了解气候变化对森林土壤有机碳贮藏的影响有助于人们科学管理森林碳库以及进一步寻找缓解气候变化的可行途径.为此,本文综述了森林土壤有机碳贮量的分布以及升温、降水变化和大气CO2浓度升高对森林土壤有机碳贮藏影响的国内外研究进展,并提出了有关的研究展望.     

森林生态系统可溶性碳和颗粒碳通量

可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和颗粒碳(particulate carbon,PC)通量作为森林生态系统碳收支的重要组分,在森林固碳功能的评价和模型预测中具有重要意义,但常因认识不足、测定困难等而在森林碳汇研究中被忽略。综述了森林生态系统DC和PC的组成、作用、相关生态过程及其影响因子,并展望了该领域应该优先考虑的研究问题。森林生态系统DC和PC主要包括可溶性有机碳、可溶性无机碳和颗粒有机碳,主要来源于生态系统的净初级生产量。DC和PC是森林土壤的活性碳库,主要以大气沉降、穿透雨和凋落物的形式输入森林土壤系统,并通过土壤呼吸、侧向运输及渗透流失的方式输出生态系统。从局域尺度看,DC和PC通量受根系分泌、细根分解、微生物周转等生物过程的影响较大;从区域尺度看,它们受土壤和植被特性、生态过程耦联关系、气候因子以及全球变化的综合影响。该领域应该优先考虑:(1)探索不同时空尺度下森林生态系统DC和PC通量的控制因子及其耦联关系,揭示其中的驱动机理;(2)探索DC和PC与其它森林生态系统碳组分的相互关系及转化,阐明DC和PC通量与其它养分之间潜在的生态化学计量关系;(3)探索全球变化,特别是人类活动(如森林经营)和极端干扰事件(如林火、旱涝、冰冻、冻融交替等)对森林生态系统DC和PC通量的影响。     

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。     

氮沉降对森林土壤磷循环的影响

磷是生物体必需的大量元素之一,也是许多生态系统的主要限制因子。近年来,大气氮沉降日益加剧,已对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响。关于氮沉降对生态系统磷循环的影响已开展了一系列的研究,然而尚缺少对其整体的认识。因此,通过收集国内外已发表的相关文章,从以下五个方面综述氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响及其机理:1)阐述了森林生态系统土壤磷循环的概念;2)介绍了氮沉降对森林土壤磷循环影响的研究方法,包括长期定位模拟氮沉降法、自然氮沉降梯度法和同位素示踪法等;3)概述了氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响。目前的研究结论趋向于认为长期氮沉降使森林土壤磷循环速率加快。长期氮输入易于使土壤中可溶性磷向非活性磷酸盐库迁移而难以被利用。因此,为了满足需求,土壤磷酸酶活性将增加以加速有机磷的矿化,从而加速磷素在土壤-植物-微生物之间的周转。4)探讨了氮沉降影响森林土壤磷循环的机制。氮沉降可通过改变土壤有机质的性质、微生物群落组成、磷酸酶活性以及阳离子的流动性等途径影响森林土壤磷循环;5)指出了当前研究存在的问题及未来的研究方向。     

林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。     

氮添加对森林土壤有机碳库固存及CO2排放的影响研究进展

氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变。受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分。与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO₂排放。但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO₂排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制。这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO₂排放相关途径提供参考。同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望。     

森林土壤有机碳分解对模拟增温的响应

由化石燃料燃烧和土地利用变化引起的全球气候变暖是地球上最严重的人为干扰之一,对陆地生态系统结构和功能产生重要的影响。土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统最大的碳库,其微小变化都会影响全球碳平衡和气候变化。近30年来,国内外学者在不同森林生态系统相继开展了野外模拟增温对SOC分解的影响及其调控机制研究。基于在全球建立的26个野外模拟气候变暖实验平台,系统分析增温对森林生态系统SOC分解的影响格局和潜在机制,发现增温通常促进森林SOC的分解,对气候变暖产生正反馈作用。然而,因增温方式和持续时间、土壤微生物群落结构和功能的多样性、SOC结构和组成的复杂性、植物-土壤-微生物之间相互作用以及森林类型等不同而存在差异,导致人们对森林SOC分解响应气候变暖的程度及时空格局变化缺乏统一的认识,且各类生物和非生物因子的相对贡献尚不清楚。基于已有研究,从土壤微生物群落结构和功能、有机碳组分以及植物-土壤-微生物互作3个方面构建了气候变暖影响SOC分解的概念框架,并进一步阐述了今后的重点研究方向,以期深入理解森林生态系统碳-气候反馈效应,为制定森林生态系统管理措施和实现"碳中和"提供科学依据。1）加强模拟增温对不同森林生态系统（特别是热带亚热带森林生态系统） SOC分解的长期观测研究,查明SOC分解的时空动态特征;2）加强土壤微生物功能群与SOC分解之间关系的研究,揭示SOC分解对增温响应的微生物学机制;3）形成统一的SOC组分研究方法,揭示不同碳组分对增温的响应特征和机制;4）加强森林生态系统植物-土壤-微生物间相互作用对模拟增温的响应及其对SOC分解调控的研究;5）加强模拟增温与其他全球变化因子（例如降水格局变化、土地利用变化、大气氮沉降）对SOC分解的交互作用,为更好评估未来全球变化背景下森林土壤碳动态及碳汇功能的维持提供理论基础。     

氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响

由于人类活动的干扰,通过沉降和施肥形式进入陆地生态系统的氮素持续增加,中国已经成为继欧洲和北美之后的第三大氮沉降区,同时也是最大的化肥消费国。氮输入与陆地生态系统生物地球化学循环的一系列过程都相互联系,碳循环及其格局也受到氮输入的影响。土壤有机碳库在全球碳循环中具有重要作用,氮输入能否或在多大程度上对土壤碳库产生影响已经成为全球变化和氮沉降研究中不可回避的问题。东北地区是世界三大黑土带之一,土壤碳的变化不仅对于土壤肥力维持具有重要意义,而且对区域碳收支具有重要影响。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型,基于我国能源消费、施氮数据和降水数据生成了一套中国大气氮沉降的时空网格数据,结合大气CO_2浓度、气候、土地覆被、土壤类型和质地的时空数据,模拟评估了1961-2010年氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响。结果表明:(1)1961-2010年东北地区的平均氮沉降速率为1.00gNm~(-2)a~(-1),年增长率为0.047 gN m~(-2)a~(-1)。东北农田总氮输入速率达到5.78 gN m~(-2)a~(-1),从20世纪80年代开始显著增加。(2)氮输入促进了东北地区土壤碳的蓄积,东北陆地生态系统的土壤碳密度平均增加了135 gC/m~2,50a氮输入共增加土壤碳蓄积0.16 PgC。(3)氮输入引起的东北地区土壤碳蓄积量的变化呈现出东高西低、南高北低的空间格局,辽河平原、松嫩平原和三江平原的土壤碳密度增加量超过了300 gC/m~2。(4)不同植被类型下的土壤碳密度对氮输入的响应存在较大差异,农田土壤碳密度平均增加了230 gC/m~2,森林、灌丛和草地则分别增加了76、169 gC/m~2和89 gC/m~2。氮输入的空间差异和不同植被类型对氮输入响应的差异共同决定了东北地区土壤碳增加量的空间格局。通过本研究阐明了氮输入对东北农田土壤碳蓄积的影响,从而为农田生态系统的固碳减排和农田土壤碳氮管理提供了决策依据。     

Continental‐scale nitrogen pollution is shifting forest mycorrhizal associations and soil carbon stocks

Most tree roots on Earth form a symbiosis with either ecto‐ or arbuscular mycorrhizal fungi. Nitrogen fertilization is hypothesized to favor arbuscular mycorrhizal tree species at the expense of ectomycorrhizal species due to differences in fungal nitrogen acquisition strategies, and this may alter soil carbon balance, as differences in forest mycorrhizal associations are linked to differences in soil carbon pools. Combining nitrogen deposition data with continental‐scale US forest data, we show that nitrogen pollution is spatially associated with a decline in ectomycorrhizal vs. arbuscular mycorrhizal trees. Furthermore, nitrogen deposition has contrasting effects on arbuscular vs. ectomycorrhizal demographic processes, favoring arbuscular mycorrhizal trees at the expense of ectomycorrhizal trees, and is spatially correlated with reduced soil carbon stocks. This implies future changes in nitrogen deposition may alter the capacity of forests to sequester carbon and offset climate change via interactions with the forest microbiome.     

森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述

在大气CO2浓度升高和氮沉降增加等全球变化背景下,森林生态系统减缓CO2浓度升高的作用及其对全球变化的响应和反馈存在诸多不确定性.森林生态系统碳氮循环相互作用及功能耦合规律的研究是揭示这些不确定性的基础,也是反映森林生态系统生物产量与养分之间作用规律,涉及林地持久生产力（sustainability of long-term site productivity）的生态学机理问题.森林生态系统碳氮循环的耦合作用表现在林冠层光合作用的碳固定过程,森林植物组织呼吸、土壤凋落物与土壤有机质分解、地下部分根系周转与呼吸等碳释放过程,这些过程存在反馈机理和非线性作用,最终决定森林生态系统的碳平衡.着重在生态系统尺度上,综述了碳氮循环耦合作用研究的一些进展与存在的问题,对今后研究方向进行了展望.     

栲-木荷林凋落叶混合分解对土壤有机碳的影响

用网袋法在20℃条件下将润楠、栲、木荷凋落叶及其混合物(润楠+栲、润楠+木荷、栲+木荷、润楠+栲+木荷)进行室内培养,测定在培养第14、42和84天时凋落叶残留率及其培养下土壤总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC),研究其相关性。结果表明:培养到14d,润楠+栲、栲+木荷、润楠+栲+木荷混合凋落叶显著提高了土壤TOC;润楠、栲、木荷、润楠+栲凋落叶显著抑制了土壤DOC;润楠+栲+木荷凋落叶显著增加了土壤MBC,润楠+栲和润楠+木荷凋落叶显著降低了土壤MBC。在培养到42d,仅润楠+木荷、栲+木荷混合凋落叶显著提高了土壤TOC和DOC;仅润楠+栲、润楠+木荷和润楠凋落叶显著减少了土壤MBC。在培养到84天,所有凋落叶都对土壤TOC与DOC无显著影响,栲+木荷、润楠+栲+木荷、木荷、润楠+栲凋落叶显著增加了土壤MBC,栲凋落叶显著减少了土壤MBC;凋落叶分解快慢为栲+木荷>木荷>润楠+栲+木荷>润楠+栲>栲>润楠+木荷>润楠。凋落叶分解率和土壤TOC、DOC及MBC在不同培养时期,具有不同的相关性。结果显示,凋落叶种类和混合对凋落叶分解以及对土壤TOC、DOC和MBC的影响效应包括促进、抑制和无显著影响,这种效应与凋落叶的质量及其分解过程中的养分释放有关。     

桂北不同林龄桉树人工林土壤碳库管理指数和碳组分的变化特征

采用时空互代法,以广西北部低山丘陵地区不同林龄(1、2、3、4、5和8 a)桉树人工林为研究对象,探讨林龄对桉树人工林地土壤碳库管理指数的影响及其规律。结果表明:(1)随着林龄的增加,土壤有机碳总体表现为增加的趋势,1～8 a桉树土壤有机碳范围在5.79～15.57 g· kg^-1之间,随着土层的加深而降低; 0～40 cm土层土壤有机碳平均含量表现为8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a。(2)土壤非活性有机碳、碳储量随林龄和土层的变化规律与土壤有机碳基本一致。土壤活性有机碳含量大小依次表现为8 a>5 a>4 a>3 a>2 a>1 a,占土壤有机碳的比例随林龄变化无明显规律,8 a和其他林龄间均具有显著差异。(3)碳库管理指数随林龄增加整体呈上升趋势,8 a桉树人工林土壤碳组分含量及碳库管理指数均高于10 a对照马尾松林。碳库管理指数与土壤有机碳、非活性有机碳、活性有机碳、碳储量、碳库活度、全氮、容重呈极显著或显著的相关性,不同林龄和土层间碳库管理指数有差异性。适当延长桉树人工林的轮伐周期,减少人为对林地凋落物和林下植被的干扰,将有利于提高土壤的有机碳含量,进而改善土壤质量。     

模拟氮沉降对典型阔叶红松林土壤有机碳和养分的影响简

为探讨氮沉降对典型阔叶红松（Pinus koraiensis）林的影响,从2008年6月~2010年8月进行了人工模拟氮沉降实验,实验分为对照、低N、中N、高N4个处理,每个处理3个重复。所施氮肥为CO(NH₂)₂,以溶液的形式喷施,4个处理浓度分别为0、30、60、120 kg·hm^-2·a^-1。在氮沉降进行1年后,采集各处理0～20、20～40和40～60 cm的土壤样品,测定其土壤有机C、全N、碱解N和速效P、速效K。结果表明：相同处理下,有机C和全N含量随土层的加深均逐渐减少。总体上低、中N处理显著增加了土壤有机C、碱解N和速效K含量,中、高N处理显著降低了土壤速效P含量（P<0.05）,而对全N含量影响不显著（P>0.05）。土壤有机C与土壤全N、碱解N、速效P、速效K之间存在极显著正相关关系（P<0.001）。有机C和土壤养分对氮沉降的响应说明氮沉降在短期内可能影响阔叶红松林土壤碳库积累和土壤肥力水平。     

抚育间伐对长白落叶松人工林土壤碳、氮及其组分的影响

抚育间伐作为重要的森林经营措施之一,能够改变林分结构和稳定性,进而影响森林生态系统的生物地球化学循环.然而,抚育间伐对森林土壤碳、氮循环的影响程度如何尚不明确,尤其缺少长期试验结果报道.本研究以黑龙江省孟家岗林场经过4种不同强度和频度的抚育间伐处理后的60年生长白落叶松人工林为研究对象(4次低强度的间伐,LT4;3次中等强度的间伐,MT3;2次高强度间伐,HT2;不进行间伐的对照,CK),从酸水解法划分土壤碳、氮库(活性碳、氮库Ⅰ,活性碳、氮库Ⅱ和惰性碳、氮库)的角度研究了抚育间伐对长白落叶松人工林土壤总有机碳、全氮的影响机制.结果表明: 抚育间伐显著增加了土壤有机碳和全氮含量,增幅分别高达48.7%～50.3%和28.9%～42.7%.抚育间伐均增加了3种碳、氮组分的含量,而增加的程度因碳、氮组分和抚育间伐措施的不同而异.与活性碳库Ⅰ和活性碳库Ⅱ的增加程度相比,惰性碳库的增加程度最大,LT4、MT3和HT2处理下惰性碳库分别增加71%、69%和75%.此外,抚育间伐也显著增加了惰性碳占土壤总有机碳的比例.LT4显著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵,而MT3和HT2对微生物生物量碳、氮和微生物熵却无显著影响.抚育间伐可能通过产生较多的粗木质残体于土体中,增加土壤木栓质和木质素等顽固组分的输入,进而导致土壤惰性碳含量增加,降低有机质的分解,最终导致土壤有机碳增加.