大兴安岭天然沼泽湿地生态系统碳储量

采用碳/氮分析仪测定法与标准木解析法,研究大兴安岭5种典型天然沼泽湿地(草丛沼泽、灌丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽和落叶松沼泽)的生态系统碳储量(植被和土壤)、净初级生产力、植被年净固碳量及其沿沼泽至森林方向过渡带水分环境梯度的分布格局,揭示其空间变异规律性,并定量评价寒温带5种典型天然沼泽湿地的碳储量与固碳能力及其长期碳汇作用。结果表明:①5种天然沼泽湿地的植被碳储量分布在(0.48±0.08)—(8.33±0.66)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度呈递增趋势;②土壤碳储量分布在(19.21±6.17)—(38.28±4.86)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度却呈递减趋势;③生态系统碳储量分布在(27.54±7.16)—(38.76±4.58)kgC/m2之间,沿过渡带环境梯度基本呈恒定分布规律性,且以湿地土壤碳储量占优势地位(69.8%—98.8%);④植被净初级生产力分布在(0.68±0.10)—(1.08±0.12)kg.m-.2a-1之间,毛赤杨沼泽最高,草丛沼泽、灌丛沼泽、白桦沼泽居中,落叶松沼泽最低,且总体上低于温带森林湿地而高于寒温带天然落叶松林;⑤植被年净固碳量分布在(0.32±0.09)—(0.51±0.06)kgC.m-.2a-1,毛赤杨沼泽最高(高于全球植被平均年净固碳量)、灌丛沼泽和白桦沼泽居中(达到或接近全球平均值)、草丛沼泽和落叶松沼泽最低(略低于全球平均值),故这5种沼泽湿地均属于碳汇功能相对较强的湿地植被类型。     

天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素

对森林土壤有机碳库含量的估测及其影响因素的研究一直是学术界关注的热点。在水热梯度上可能会存在森林土壤有机碳的分布规律,但多数在混交林内开展的工作因无法区分群落类型变化的影响而无法准确反映出森林土壤有机碳在水热梯度上的变化规律。天山云杉森林为纯林类型,在天山山脉巨大山体上呈带状分布(平均海拔下限1750 m至平均海拔上限2760m),存在水热梯度,能够排除混交林中群落类型变化对土壤有机碳的影响。因此,在天山云杉森林带按海拔梯度设置系列样地并采样,用重铬酸钾-氧化外加热法测定土壤有机碳含量并研究土壤有机碳密度沿海拔的分布规律,分析水热配比关系与植物群落(生物量)对该规律的影响。结果表明:①1 m深度的标准土壤剖面上,各海拔梯度的土壤有机碳密度随着剖面深度的增加呈减少的趋势;②各海拔梯度的有机碳主要集中在土壤表面0—40 cm范围内,所占的比例约占全剖面的60%—70%,具有明显的表聚现象;③在天山北坡中段云杉森林带的海拔下限到海拔上限标准剖面总土壤有机碳密度出现不显著的先下降后上升再下降的双峰变化,峰值出现在海拔1800—2000 m与海拔2400—2600 m,海拔2600—2800 m的有机碳密度最小;④云杉纯林在不同海拔的平均胸径呈先减少后增加再减少的趋势,与土壤总有机碳密度变化规律较吻合;⑤天山云杉森林土壤有机碳密度沿海拔的变化是水热梯度变化及受其影响的森林长势二者共同作用的结果。     

脱氮硫杆菌特异引物/探针的设计和评价

自脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)16S rRNA基因V3可变区中发现一条27 bp的特异序列, 以该序列为反向引物, 对高效同步脱硫反硝化系统污泥DNA进行了温度梯度PCR扩增和基因文库构建, 结果证实了该引物的高度专一性。应用该探针在去离子甲酰胺和NaCl的浓度分别为35%和100 mmol/L, 杂交/洗脱温度为48°C条件下对污泥样品杂交得到较好的阳性结果, 软件分析表明脱氮硫杆菌在污泥中约占15%。脱氮硫杆菌专一性引物/探针的提出, 将为不同生态环境中该种微生物的时空分布、结构动态以及实时定量等研究提供分子生物学工具。     

白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响

随着生物反应器和海洋生态系统中厌氧氨氧化反应的发现,自然生态系统的氮循环过程被重新认识,但是目前厌氧氨氧化过程是否也存在于富营养化湖泊湿地并发挥着重要作用,还未见报道。结合15N同位素示踪与分子生物学技术研究了白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化菌的分布、菌群结构特性、生物多样性及其活性。结果表明,在藻类影响导致的高氨氮沉积物中,厌氧氨氧化菌具有广泛存在性。通过构建16S rRNA克隆文库发现,沉积物中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,在2%差异度的条件下,30个克隆序列只分为5个操作分类单元(OTUs),代表序列与Genebank数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia fulgida和Candidatus Brocadia anammoxidans同源性最高,分别可达97%和96%。同位素示踪结果表明,白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化活性为0.19—7.78 nmol N g-1h-1,空间差异较大,产生的氮气占此沉积物总氮气生成量的0.64%—20.65%,体现了湿地的异质性。通过得出的厌氧氨氧化反应速率推算每年由厌氧氨氧化反应损失的氮量为1.8—78gN m-2a-1,对白洋淀氮循环起到非常重要的作用。富营养化湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化反应的发现为研究厌氧氨氧化对氮循环的重要影响提供了新证据。     

潮虫消耗木本植物凋落物的可选择性试验

近年来,越来越多的学者关注外来植物入侵对土壤生态功能的影响效应及其相应反馈机制的探索与研究,然而本地原生土壤生物群落对不同入侵程度下的外来植物种以及本地原生植物种之间是否存在消耗差异却尚不明了.通过等足目潮虫的选择性喂养试验来测试10个本地种、5个非入侵性外来种和5个强入侵性外来种之间的适口性差异,试图求证外来植物的入侵性是否与植物落叶被消耗率呈现必然联系.数据分析结果显示潮虫对本地种、非入侵性外来种和入侵性外来种的消耗并无显著差异;而潮虫对不同生活型下木本植物的取食却存在显著差异,即灌木消耗率显著高于乔木.其次,通过植物初始性状指标(包括木质素、纤维素、半纤维素、碳、氮含量)与相应消耗率的相关比较,消耗量总体上与植物凋落物的氮含量呈正相关关系(R2 =0.358).由此,研究结论强调植物落叶的降解速率并不一定与植物入侵性或入侵阶段呈绝对相互关连,但是氮含量,抑或各种形式的植物氮元素成分都可能在一定程度上参与并影响着外来植物的入侵进程.     

瘠薄红壤中有机物质的分解特征

通过田间定位试验观测,研究了瘠薄红壤条件下主要有机物质的分解速率和过程特征及控制因素。结果表明：瘠薄红壤中有机物质的分解速率较慢,不同有机物质的腐殖化系数在0.28-0.64之间,平均为0.45,此值约比一般红壤高34%;这与瘠薄红壤粘粒含量较高,酸度较大,原土有机质含量低有关,但在红壤地区导致有机物质分解速率差异的土壤性质诸因素中,土壤酸度占主导地位,其次是原土有机碳含量,瘠薄红壤中有机物质的分解速率在第1年比一般红壤中慢,第2年反而分解较快,其后这种差异逐渐缩小,瘠薄红壤条件下每100kg有机物质每年所能形成的土壤有机质量约在30kg左右,因此,适当施用有机肥可以较快地增加瘠薄红壤的有机碳含量。     

植被恢复对退化红壤表层土壤颗粒中有机碳和Pb、Cd分布的影响

采用原状土壤水稳性团聚体分离方法提取不同粒径的土壤颗粒,测定其有机碳及重金属元素Pb、Cd的含量,研究了退化红壤在植被恢复下表层(0～10cm和10～20cm)土壤颗粒中有机碳与重金属分布及其关系.这些土壤颗粒中有机碳和重金属元素Pb、Cd的含量范围分别介于7.5～15g/kg,11～20mg/kg和20～70μg/kg,且粒组间有显著差异.尽管所测组分的含量以＜0.002mm粒组中最高,但2～0.25mm的粒组占其总量的50%左右,其次约20%存在于0.25～0.02mm粒组中.以土壤粒组中分量而言,有机碳和所测的重金属元素间有密切的依存关系.与荒地相比,植被恢复措施降低了各土层2～0.25mm粒组中Pb的含量和分量,但提高了0～10cm土层Cd的含量和分量.在所研究的几种处理中,玉米-包菜处理显著地促进了有机碳和重金属在各颗粒粒组中的均衡分布.因此,退化红壤植被恢复措施改变了上壤颗粒中有机碳和重金属的分布,因而可能影响着土壤环境中有机碳和重金属的形态及其活性.对于这些措施下土壤环境中有机碳和重金属的生物有效性机制尚需进一步研究.     

黄土丘陵区退耕还林地刺槐人工林碳储量及分配规律

采用样地调查与生物量实测方法,研究了甘肃黄土丘陵区不同坡向(阳坡、阴坡)和退耕年限(退耕5a、8a和11a)刺槐人工林乔木不同器官、灌草层、枯落物层和土壤层的碳含量,以及刺槐人工林乔木层、灌草层、枯落物层和土壤层碳储量及其分配特征。结果表明:刺槐不同器官碳含量均值变化范围为43.02%—50.89%%,从高到低排列顺序为树干细枝中枝粗枝叶根桩大根粗根小根中根树皮细根;灌木层碳含量为35.76%—42.74%;草本层碳含量为35.83%—43.64%;枯落物层碳含量为39.55%—41.77%;土壤层(0—100 cm)碳含量均值变化范围0.22%—0.99%,随退耕年限增加而增大,土壤深度的增加而逐渐下降。刺槐人工林生态系统碳库空间分布序列为土壤层(0—100 cm)植被层枯落物层。阳坡和阴坡退耕5a、8a、11a刺槐林生态系统碳储量分别为52.52、58.93、73.72 t/hm2和49.95、61.83、79.03 t/hm2。退耕年限和坡向是影响刺槐人工林碳储量增加的主要因素。刺槐人工林具有良好的固碳效益,是黄土丘陵区的理想树种。     

全球气候变暖对凋落物分解的影响

凋落物分解作为生态系统核心过程,参与生态系统碳的周转与循环,影响生态系统碳的收支平衡,调控生态系统对全球气候变暖的反馈结果。全球气候变暖通过环境因素、凋落物数量和质量以及分解者3个方面,直接或间接地作用于凋落物分解过程,并进一步影响土壤养分周转和碳库动态。气候变暖可通过升高温度和改变实际蒸散量等环境因素直接作用于凋落物分解。气候变暖可引起植物物种短期内碳、氮和木质素等化学性质的改变以及群落中物种组成的长期变化从而改变凋落物质量。在凋落物分解过程中,土壤分解者亚系统作为主要生命组分(土壤动物和微生物)彼此相互作用、相互协调共同参与调节凋落物的分解过程。凋落物分解可以通过改变土壤微生物量、微生物活动和群落结构来加快微生物养分的固定或矿化,以形成新的养分利用模式来改变土壤有机质从而对气候变化做出响应。未来凋落物分解的研究方向应基于大尺度跨区域分解实验和长期实验,关注多个因子交互影响下,分解过程中碳、氮养分释放、地上/地下凋落物分解生物学过程与联系、分解者亚系统营养级联效应等方面。     

神农架海拔梯度上4种典型森林的乔木叶片功能性状特征

研究植物群落叶片功能性状沿环境梯度的变化可以更好地认识群落对环境的适应机制,海拔梯度在较小的空间范围内浓缩了不同的群落类型和环境梯度,是研究和理解群落与环境关系的理想场所。以神农架海拔梯度上4种典型森林为研究对象,分析了4种典型森林优势乔木树种的LMA、LDMC、N_area、N_mass、叶片厚度及叶片叶绿素含量等主要叶片功能性状随海拔的变化规律及各功能性状之间的相关性,以期从叶片功能性状角度揭示群落适应环境的机制。研究结果表明:在780-1970 m范围内,神农架海拔梯度上典型森林乔木优势种叶片的、N_area和叶片厚度随海拔升高而下降,而海拔2570 m的亚高山针叶林的LMA、N_area和叶片厚度最高,分别为187.37 g/cm²、1.92 g/m²和385.31 um,且针叶林的LMA是常绿阔叶林的2倍、落叶阔叶林的3.7倍;除常绿落叶阔叶混交林的N_mass小于落叶阔叶林外,N_mass随海拔升高(780-2570 m)而下降;海拔最高(2570 m)的针叶林和海拔最低(780 m)的常绿阔叶林的LDMC和叶绿素含量最高,分别为454.93 g/kg、407.64 g/kg和48.84、44.12;而海拔介于二者之间的常绿落叶阔叶混交林和落叶阔叶林的LDMC和叶绿素含量则最低,分别为338.93 g/kg、337.3 g/kg和38.73、38.19。叶片各功能性状之间存在着显著的相关性:叶片厚度与LMA/LDMC及LMA显著正相关。叶片叶绿素含量与N_area显著正相关。LMA与LDMC、N_area、叶片厚度、叶绿素含量显著正相关,LDMC与N_area、叶绿素含量、叶片厚度显著正相关,N_area与叶片厚度、叶绿素含量显著正相关,叶片厚度、叶绿素含量显著正相关。本研究进一步表明,随着海拔梯度上升环境条件的变化,森林群落不同物种功能性状间的相互作用共同决定着森林群落对环境的适应性。