气候变化背景下中国陆地生态系统碳储量及碳通量研究进展

全球气候变化对全球生态系统的结构、功能和过程产生了重要影响,成为各国政府、社会公众以及科学界共同关心的焦点问题。陆地生态系统碳循环又是当前气候变化和区域可持续发展研究的核心内容之一,影响到经济和社会发展的各个方面。因此,开展陆地生态系统碳储量和碳通量的研究仍将是气候变化研究中的重点内容。总结了近年来国内森林、土壤、草地、农田四种陆地生态系统在碳储量、碳通量方面取得的研究成果和不足：随着遥感、GIS及模型的发展和应用,森林、草地生态系统碳储量的研究精度和范围要高于农田和土壤,而农田和土壤生态系统碳储量的研究多基于典型性样地和大量实验数据,结果受制于样点布设和采样密度;目前,土壤生态系统碳储量结果多基于上世纪80年代全国二次土壤普查数据计算所得,且总有机碳库的估算存在较大差异,土壤有机碳的组分研究中易氧化有机碳库研究滞后于总有机碳,迫切需要对我国现有土壤有机碳进行研究;农田生态系统受人类活动干扰强烈,从一个或几个站点到全国尺度都有对农田土壤有机碳贮量的研究成果,与国外相比,我国试验田的设置时间短,资料积累较少,更多侧重不同施肥方式下农作物产量和农田合理的施肥培肥模式研究,农田土壤有机碳含量关系我国农业生产和粮食安全,对农田土壤固碳机理的研究仍将是今后关注的焦点。各生态系统碳通量的监测取得了一定成果,近年来涡度相关系统在森林、土壤、草地、农田生态系统中得到了广泛的应用。并从气候、人类活动两个因素分析了其对生态系统碳储量、碳通量的影响。针对目前存在的问题,进一步指出了目前国内不同生态系统中碳循环在现状研究、有机碳变化机制、模型建立及气候变化和人类活动影响下的碳库时空格局方面得到加强。     

丛枝菌根在草原生态系统碳固持中的重要作用

草地生态系统在全球碳循环中作用重大,而丛枝菌根广泛存在于草原生态系统中,对碳固持有着重要作用.目前菌根碳固持研究的特点表现为研究对象进一步扩大、丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,简称AMF)的功能逐渐定性量化、研究转变为植物-微生物-土壤三维立体等,向大背景、多理论和模型化方向发展.总结丛枝菌根在草原碳固持中的作用机制,主要包括以下五个方面:1)丛枝菌根是生态系统的一个重要组成部分;2)AMF淀积了植物光合产物一定数量的碳,是土壤中一个不容忽视的碳库;3)AMF能促进土壤团聚体的形成,改善土壤结构,增加土壤碳固持;4)AMF产生的球囊霉素相关土壤蛋白是土壤中一个重要碳库;5)AMF提高了草原生态系统的初级生产力和物种多样性,间接增加了生物碳固持,巩固了土壤碳库的碳储存.由于AMF对于调控碳循环具有不可替代的作用,因此全球气候变化下AMF的碳固持潜力研究、草地生态系统中不同AMF的量和菌丝在土壤结构中的功能及菌丝网在生态系统碳固持中的作用必将成为重点热点研究.     

土地利用/覆被变化对土地生态系统有机碳库的影响——以吉林省通榆县为例

土地利用/覆被变化对陆地碳循环影响显著.文章基于实地采集的土壤、植物样品的测试数据和1989、2004两年8月陆地卫星TM遥感影像数据,采用生态系统类型法分析吉林省通榆县1989-2004年耕地、林地、草地、盐碱地、沙地等11 种地类之间土地利用变化对土地生态系统有机碳库的影响.计算结果表明1989-2004年通榆县土地生态系统有机碳库共损失了3.18 TgC(1Tg=106t),年均损失约为0.265 Tgc.其中,湿地、草地有机碳库分别损失5.54 TgC和3.71 TgC,盐碱地面积的增加导致有机碳库损失4.75 TgC.林地面积增加和沙地面积减少分别使有机碳库增加了4.58 TgC和3.75 TgC.研究区总体上为一个碳失汇,草地退化、湿地萎缩、土地沙化和盐碱化造成了有机碳库的碳损失,而植树造林、草地植被的恢复和重建等活动则可以显著增加土壤有机碳储量.该研究对于评估自然环境与人为活动影响下,特别是大规模土地整治与生态修复对土壤有机碳的增汇潜力和固碳效应的影响具有重要的理论意义和应用价值.     

农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响

温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一,是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源,也是重要的吸收汇。因此,寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向,应用颗粒分组13CNMR或CPMAS-NMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物-粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式,揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平,且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因,为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量,土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手,加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。     

保护性耕作对农田土壤有机碳库的影响

农田土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,对维持全球碳平衡具有重要意义。有机碳库的储量除了受气候和环境因素的影响外,还受农业耕作措施的影响。综述了保护性耕作对土壤有机碳库的影响,并从碳输入、碳分解和碳固持3个方面讨论了保护性耕作影响有机碳库的途径。大量实验结果表明,保护性耕作在表层土壤中能提高作物根系生物量1.0%~142.9%;增加土壤微生物的生物量2.2%~140%。免耕还显著降低土壤的呼吸强度,在0.9%~72.6%之间,从而减少碳的损失。免耕还提高了土壤团聚体数量,从而有利于有机碳在土壤中的固持。今后的研究应该在如下几方面加强：（1）加强区域性对比研究;（2）加强长期定位研究;（3）加强对固碳机理的研究;（4）建立模型加强对多种因子综合效应的研究。     

不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳及其组分的影响

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全球的碳平衡。果园是我国重要的土地利用类型之一,果园面积占我国土地总面积的1.15%。因此,研究果园土壤有机碳库的演变规律,对于准确评估我国陆地生态系统的固碳潜力具有重要的科学意义。利用时空替代和物理、化学分组的方法比较研究不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳库及其组分的影响,旨为果园土壤固碳增汇机理研究提供科学依据。利用时空替代法和物理化学分组的方法比较研究经营年限对柑橘果园土壤有机碳库及其组分的影响。结果表明：50年代柑橘果园0~20 cm和20~40 cm土层颗粒有机碳和轻组有机碳含量分别比80年代柑橘果园提高了9.6%和23.60%、2.57%和3.63%,其中对0~20 cm土层的影响显著高于20~40 cm,说明果园经营干扰对土壤活性有机碳的影响随着土层的加深而降低。50年代柑橘果园0~20 cm土层土壤有机碳含量比80年代果园提高27.2%,可溶性有机碳提高20.1%,微生物生物量碳提高5.3%;50年代柑橘园0~100 cm土层有机碳储量比80年代柑橘园提高30.3%,但50年代柑橘园的土壤颗粒有机碳、轻组有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳占总有机碳的比率均低于80年代柑橘园,说明当种植年限超过30年后,随着种植年限增加,果园土壤有机碳质量存在退化的风险。     

土壤有机碳储量估算的影响因素和不确定性

土壤作为陆地生态系统最大的碳库和碳循环过程的关键环节,其源、汇的变化直接影响全球碳平衡,因此,土壤有机碳储量估算成为生态领域的重要研究内容之一。通过比较不同研究者在不同研究尺度上报道的有机碳储量的研究结果,发现这些研究结果较不一致。分析认为导致土壤有机碳储量评估结果存在较大差异的原因,主要是来自于采样过程中人类干扰以及气候变化等环境要素的波动,特别是研究者所采取的不同估算方法和背景资料。从环境要素（外因）和估算方法（内因）两个角度出发,提出了土壤有机碳储量的研究意义,阐述了造成土壤有机碳储量估算的不确定性和目前研究中存在的问题,并在此基础上,对其未来研究方向和重点进行了展望。     

燕山典型流域两种造林树种生态系统碳储量及固碳潜力研究

选择燕山典型流域6个林龄序列的小叶杨（Populus simonii）和5个林龄序列的山杏（Prunus sibirica）主要造林树种为研究对象,利用时间替代空间样地测量法量化退牧还林后生物量碳储量、凋落物碳储量和土壤碳储量及生态系统碳储量的变化规律,同时以各组成碳库-林龄序列中的最大碳储量之和作为生态系统饱和碳储量,以未退牧的天然草地生态系统碳储量作为初始植被类型的碳储量,分析总结了退牧还林对生态系统碳储量和碳循环的影响。结果表明,退牧还林后生态系统的生物量碳储量、凋落物碳储量基本随退牧年限的增加而增加,土壤碳储量随退牧年限的增加呈现先减小后增加的趋势。在没有人为干扰的情况下,9、15、18、22及29 a生小叶杨林的生态系统碳储量分别为7147.45、7461.67、7509.895、8468.375及8247.85 g·m^-2,9、15、18、22及26 a生山杏林的生态系统碳储量分别为6695.44、6700.82、8011.86、8001.92及7981.92 g·m^-2;9、15、18、22、29及36 a生小叶杨林的生态系统固碳潜力分别为757.08、1071.3、1119.53、2078.01、1857.48及1312.21 g·m^-2,9、15、18、22及26 a生山杏林的生态系统固碳潜力分别为310.45、1621.49、1611.55、1591.55及757.08 g·m^-2。长期来看,研究区退牧还林对提高生态系统碳汇能力是可观的、积极的。研究结果对提高造林对碳汇影响的估测能力提供数据支持,也为政府参与国际全球气候变化的谈判提供一个很好的案例研究和科学根据。     

江西省表层土壤有机碳库储量估算与空间分布特征

土壤中碳较小幅度的变化能引起全球气候较大的变化,而表层土壤有机碳库易受人类活动的影响而发生变化,因此估算土壤有机碳库储量,对土壤碳库变化及土壤固碳潜力的研究具有重大意义.根据2006年江西省各县市典型土壤GPS定点采样样点的理化分析数据计算出有机碳密度并进行空间插值,利用江西省第二次土壤普查相关数据建立土壤空间数据库,结合各土壤类型分布面积,估算表层(0～20 cm)土壤有机碳密度和储量,并探讨其空间分布特征.研究表明:江西省表层土壤平均有机碳密度介于2.655～6.877 kg·m-2之间,有机碳库总储量为640 355.653×106 kg,其中,仅红壤和水稻土的土壤有机碳储量已占90.71%.表层土壤有机碳密度具有高度的空间变异性,赣西、赣东如萍乡、宜春、上饶地区土壤有机碳密度较高,赣南、赣北地区如九江、赣州等地区土壤有机碳密度较低,总体上呈东西走向高,南北走向低的趋势.江西省是一个农业大省,人类干扰下的土壤碳库研究却很少,其碳库动态变化还值得进一步的探讨.     

中国主要人工林土壤有机碳的比较

区域和全球碳循环是全球变化研究中的核心内容之一,其中估算并量化区域乃至全球土壤碳储量已经成为碳循环研究中的重大科学问题。森林生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用,而人工林是重要的人工森林生态系统。中国对小尺度区域内一个或数个人工林土壤有机碳含量、密度和储量等已进行了大量研究,但缺乏对全国尺度下主要人工林土壤有机碳的比较研究。本文通过对近10 a内的橡胶（Hevea brasiliensis）、桉树（Eucalyptus spp.）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys edulis）、马尾松（Pinus massoniana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、杨树（Populus spp.）、油松（Pinus tabulaeformis）和落叶松（Larix spp.）等9种人工林土壤有机碳53篇文献资料的统计分析,估算了中国主要人工林的土壤有机碳含量、密度及储量等。结果表明,9种人工林0-60 cm土壤有机碳含量介于4.0-31.1 g·kg^-1,平均14.8 g·kg^-1;0-60 cm土壤有机碳密度为2.8-15.1 kg·m^-2,平均8.7 kg·m^-2;0-60 cm的土壤有机碳储量介于28.2-158.1 Mg·hm^-2,平均84.5 Mg·hm^-2。以落叶松最高,毛竹、马尾松、桉树、杉木和油松等人工林居中,杨树和橡胶仅高于刺槐,刺槐最低。中国人工林土壤有机碳储量具有较为明显的经度分布性,从西向东逐渐升高;同时也具有一定的纬度分布性,大致表现为南低北高;9种人工林土壤有机碳储量虽明显低于同气候带的天然林,但仍具有很高的固碳潜力。人工林生产管理中,亟待寻找能有效增加土壤碳固定及减少碳损失的途径和措施。     

不同林分土壤有机碳密度研究

在全球气候变化背景下,森林土壤有机碳作为土壤碳库的重要组成部分,已成为森林生态系统碳循环研究的重点之一;而森林土壤有机碳在剖面上具有明显的垂直分布差异,根据土壤发生层次特点,分别研究各层土壤有机碳含量分布规律,对于准确确定森林土壤碳储量具有重要意义。2008年7月在北京西山妙峰山林区侧柏（Platycladus orientalis）林、刺槐（Robinia pseudoacacia）林、栓皮栎（Quercus variabilis）林和侧柏、油松（Pinus tabulaeformis）混交林内,分别随机选取3个位置挖土壤剖面,然后根据土壤发生层次性特点,把各剖面划分为四个土层（0～10 cm,10～20 cm,20～40 cm和40～60 cm）,每层用环刀取样测定土壤容重,用土壤袋采集1 000 g的土壤样品,经除杂、风干、过筛等程序后,对土样的有机碳含量和碳密度进行了测定和初步研究。结果表明：4种林分下土壤有机碳平均含量和土壤有机碳密度不同,不同林分土壤0～10 cm有机碳含量和碳密度最高,并且均随土壤深度增加呈降低的趋势;其土壤有机碳密度的大小顺序为：栓皮栎林〉侧柏、油松林〉侧柏林〉刺槐林。4种林分类型0～20 cm土层单位面积有机碳储量占总有机碳储量分别为：栓皮栎林51.1%,刺槐林44.2%,侧柏林43.0%,侧柏、油松混交林37.7%,平均为44.0%。     

气候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展

由人类活动引起的温室效应以及由此造成的气候变暖对森林牛态系统的影响已引起人们的普遍关注.森林土壤碳循环作为全球碳循环的重要组成部分,是决定未来陆地牛物嘲表现为碳源/碳汇的关键环节,揭示这一作用对于准确理解全球变化背景下陆地生态系统碳循环过程具有重要的指导意义.本文主要通过论述影响土壤碳循环过程的5个方面(土壤呼吸、土壤微生物、土壤酶活性、凋落物输入与分解、土壤碳库),综述了近10 a来全球气候变暖对土壤碳循环过程的影响.近年来,尽管已开展了大量有关土壤碳循环对气候变暖的响应及反馈机制的研究,并取得了一定的成果,但研究结果仍然存在很大的不确定性.整合各种密切关联的全球变化现象,完善研究方法和实验手段,加强根际微生态系统碳循环过程与机理研究将是下一步研究的方向和重点.参70     

海南岛甘什岭低地次生雨林土壤有机碳及影响因素

热带雨林是世界上最复杂的森林生态系统,在全球碳循环中发挥着重要作用。热带低地次生雨林是受人类干扰较为严重的雨林类型,而关于其土壤有机碳库的研究甚少。以海南岛甘什岭热带低地次生雨林为研究对象,通过野外调查采样与室内分析相结合等方法,研究了经人为采伐干扰后自然更新恢复形成的3种林分类型(Ⅰ为较大采伐强度下恢复的灌丛与低矮乔木,Ⅱ为经中等采伐强度恢复成林分密度较大的次生雨林,Ⅲ为因交通条件不便,受采伐干扰较小的次生雨林)的土壤有机碳含量、碳密度的垂直分布特征及其影响因素,旨在为热带低地次生雨林恢复与土壤固碳能力研究提供科学依据。研究结果表明:(1)3种类型低地次生雨林的土壤有机碳含量均随土层深度的增加而降低,垂直分布特征为0—20 cm土层有机碳含量最高(3.07—4.49 g·kg^?1),在类型Ⅲ的变异系数最大为5.60%;(2)土壤有机碳密度的分布特征与有机碳含量基本一致,0—100 cm土层土壤有机碳密度为4.14—6.42 kg·m^?2,仅为全国平均水平的50.8%;(3)土壤有机碳与土壤全氮、碱解氮、有效磷均呈极显著正相关性(P<0.01),与林分凋落物厚度和物种丰富度呈显著正相关性(P<0.05)。热带雨林特有的水热条件、物种丰富度、土壤质地和极度缺磷现象的综合作用是形成其土壤有机碳积累特征的主要因素,加强受干扰破坏热带雨林的保护与修复,有助于土壤有机碳的积累。     

密云水库上游流域不同林分土壤有机碳分布特征

在全球气候变化背景下,森林土壤有机碳库作为全球土壤碳库的重要组成部分,已成为全球碳循环研究的重点之一。以密云水库上游流域天然次生山杨（Populus davidiana Dode）、白桦（Betula platyphylla Suk.）混交林、天然次生辽东栎（Quercus wutaishanica Blume）林、人工华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）林、人工油松（Pinus tabulaeformis Carr.）林和灌丛等5种典型林分为研究对象,选取典型样区,进行密集采样和试验分析,探讨了不同林分土壤有机碳质量分数和密度的分布特征。结果表明：在整个土壤剖面上（0~40 cm）,不同林分土壤有机碳质量分数和密度大小顺序均为：杨桦林〉辽东栎林〉灌丛〉落叶松林〉油松林,总体上呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而降低的变化趋势,即天然次生林比人工林更有利于土壤有机碳的储存和积累;不同林分类型土壤有机碳质量分数和密度均在表层（0~10 cm）最大,并随着土层深度的增加呈下降趋势,剖面分布差异明显;此外,不同林分在0~20 cm土层中的单位面积土壤有机碳储量均占其剖面总储量的57%以上,即土壤有机碳富集在0~20 cm深的表层土体中。因此,为增加森林土壤固碳,应加强对天然次生林的保护,减少人类活动对森林及其表土层的干扰。     

不同发育阶段杉木人工林土壤碳库稳定性研究

森林土壤有机碳在全球碳循环中的重要作用主要取决于有机碳的稳定性。为科学评价杉木人工林土壤的碳汇功能及固碳潜力,对湖南省会同县不同发育阶段的杉木人工林土壤有机碳的生化特征和物理保护程度进行了研究。结果表明,在杉木人工林发育过程中,土壤总有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、活性碳库Ⅰ(LPⅠ)、活性碳库Ⅱ(LPⅡ)和重组有机碳(HOC)含量以及微生物熵(MQ)均在中龄林阶段出现最低值,而轻组有机碳(LOC)和顽固性组分(RF)随林龄增加呈现持续上升趋势。土壤RF占SOC的比例(顽固性碳指数,Ir,C)则表现为先增加后减少,即在中龄林阶段比例最高,在成熟林阶段为41.9%~57.6%,高于幼龄林阶段的38.7%~43.0%;HOC占SOC的比例从幼龄林阶段的86.4%~87.5%下降到成熟林阶段的82.5%~83.9%。总体而言,杉木人工林的发育过程是土壤有机碳积累的过程,在这个过程中,土壤有机碳自身的顽固性增强,但受到的物理保护程度减弱。此外,各组分中以LP I对土壤微生物的有效性最高。     

Effects of different mowing frequencies on soil carbon and nitrogen changes in leymus chinensis steppe of Hulun Buir北大核心CSCD

Mowing is the main management of Hulun Buir grasslands in Inner Mongolia; therefore, understanding the changes of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and carbon sequestration under different mowing frequencies will provide an important scientific basis for grassland carbon sink management in Inner Mongolia. Three treatment plots were devised in the study area, including enclosed sample (Y), mowing every other year (2G), and mowing once a year (1G), where SOC, TN content and storage were investigated. The results showed that with increased mowing frequency, the SOC and TN content showed a decreasing trend in the 0-30 cm depth soil layer. The SOC and TN content were different in each soil layer, which decreased gradually with increasing soil depth in Y and 2G plots, whereas increased gradually in 1G plots. The soil carbon storage was significantly correlated with the soil nitrogen storage, and both showed a significant linear decrease with increased mowing frequency, which showed as carbon and nitrogen loss. In 2G plots, the soil carbon storage decreased by 17.1% and soil nitrogen storage decreased by 20.8%. In 1G plots, the soil carbon storage decreased by 21.6% and soil nitrogen storage decreased by 29.3%. The results showed that the change of soil carbon and nitrogen was sensitive to mowing frequency for the Hulun Buir grassland. It is possible to reduce the loss of carbon and nitrogen by reasonably controlling mowing frequency, and the sustainable use of grassland could be achieved with appropriate fertilization. Keywords. © 2018 Science Press. All rights reserved.     

基于地理探测器的中国陆地生态系统土壤有机碳空间异质性影响因子分析

中国陆地生态系统土壤有机碳库对全球生态系统碳平衡具有显著影响。为揭示土壤碳库空间分布的潜在主控因子并为今后建立碳库空间分布模型提供依据,利用地理探测器对中国陆地生态系统表层土壤(0—20 cm)有机碳密度的影响因子(气温、降水量、DEM、NDVI、陆地生态系统类型、人口密度)进行空间分异性探测和定量归因。结果表明:自然因素是全国和区域尺度陆地生态系统表层土壤有机碳密度的主要因素,而人为因素影响较小。全国尺度各影响因子按解释程度大小排序分别为:温度(0.22)>NDVI(0.16)>DEM(0.12)>陆地生态系统类型(0.09)>降水量(0.06)>人口密度(0.04);自然因素中的气候因素是中国陆地生态系统表层土壤有机碳密度空间分异性的主要影响因子,温度与降水量交互作用的解释程度为0.37,其中温度的作用尤为重要;气温因子与土壤有机碳密度在相对寒冷的地区(均温<15℃)呈负相关,但在更热的地区则呈正相关,意味着生态系统碳平衡对未来气候变暖可能表现出异质性的响应特征;强烈的因子互作效应表明,中国陆地生态系统表层土壤有机碳空间分异性是由多种因子共同作用影响而非单一因素决定;中国六大分区(东北、华北、华东、西北、中南、西南)陆地生态系统表层土壤有机碳密度的各影响因子解释程度存在差异,体现出土壤有机碳密度的主控因子的空间异质性。