陆地碳平衡对大气CO_2升高的响应及其机制

研究陆地碳平衡对大气CO2浓度升高的响应,能为揭示碳失汇之迷提供有力证据,为制定缓解全球变化的合理政策措施提供理论依据.综述了陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应及其町能的机制,由于陆地生态系统的复杂性,以及不同的研究在具体的对象、时间、地点、方法和角度的差异,目前有关陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应还存在很大的分歧.陆地碳库主要可分为植被碳库和土壤碳库,大气CO2浓度升高主要是通过影响光合作用、土壤养分、水分供应、光照条件、群落组成、光合产物分配等方式影响植被碳库;而土壤碳库的响应机理主要包括光合产物向土壤的输入量、脱落物质量、养分循环、光合产物分配、根系周转期、微生物活性等的响应.关于陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应今后应该主要集中在:(1)不同生态系统影响全球植被碳库变化的主导因子;(2)大气CO2浓度升高与其他环境因子的互作效应;(3)大气CO2浓度升高对植物光合作用的促进效应与光合作用适应性间的关系;(4)地上碳库与地下碳库间的相关性,及其对大气CO2浓度升高的分别响应;(5)克服目前实验方法存在的局限性.     

农田土壤呼吸对大气CO2浓度升高的响应

大气CO2浓度急剧升高引起的全球气候变暖是人们关注的环境问题之一.随着气候变化对全球生态环境的影响日益增大,全球碳循环研究已经成为各国科学家研究的热点之一.模拟大气CO2浓度升高试验技术先后经历了人工气候室、开顶式气室、FACE技术(Free Air carbon dioxjde eariclament)阶段,FACE技术因其无限接近自然条件而成为研究大气CO2浓度增加对整个生态系统影响的最理想试验平台.土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节,农田生态系统是陆地生态系统的重要组成.研究农田生态系统的土壤呼吸对大气CO2浓度增加的响应是预测和评价农田系统乃至整个陆地生态系统土壤碳周转和碳收支的重要前提与基础.文章根据现有研究成果.阐述了模拟大气CO2浓度升高的试验技术,比较了农田土壤呼吸的测定方法,总结了以FACE研究成果为主的高CO2浓度条件下农田土壤呼吸、不同地下来源贡献及环境因子影响,提出了进一步研究的方向,以期为全球气候变化背景下的农田土壤呼吸和碳固定及全球碳循环研究提供帮助.     

不同形态氮输入对湿地生态系统碳循环影响的研究进展

人类活动导致湿地生态系统氮负荷明显增加,引起生态系统碳循环过程发生诸多变化。外源氮输入对湿地生态系统土壤碳库稳定性的影响已成为当今国际研究的前沿问题之一。文章综述了不同形态氮素对湿地植物固碳潜势、土壤自养与异养呼吸速率的影响、土壤甲烷排放及不同形态氮与全球变暖对土壤有机碳及其组分矿化速率的交互作用的研究进展。研究表明,(1)植物对不同形态氮素的选择性吸收,会影响植物叶片的光合速率,改变植物的固碳潜势,影响植物根系的自养呼吸速率;同时,会影响凋落物归还量,改变植物对土壤的有机碳输入;此外,还可能影响凋落物的质量(如C/N),改变凋落物的分解速率,影响土壤异养呼吸速率。(2)各种形态氮输入对土壤p H产生不同的影响,改变土壤微生物及酶活性,影响有机碳的分解及土壤异养呼吸速率。(3)土壤有机碳组分对各种形态氮素的不同响应,也会改变土壤有机碳的矿化速率。(4)植物对不同形态氮素的选择性吸收,及各种形态氮输入对土壤p H产生的不同影响,会影响土壤中可利用C、N源的供应,改变土壤的酸碱环境及氧化还原电位,影响土壤CH4排放。(5)大气氮沉降与全球变暖同时影响土壤碳循环过程,但不同形态氮素与全球变暖对湿地土壤碳循环过程的交互作用研究仍较少见。迄今为止,氮沉降对湿地土壤碳库稳定性的影响效应仍存在很大的不确定性,仅有少量研究区分氮素形态对土壤碳库稳定性的影响,而关于湿地生态系统的研究鲜有报道。今后应着重区分不同形态氮素对湿地土壤碳库稳定性的影响机理研究,以便深入了解氮沉降与湿地土壤碳库稳定性之间的关系。     

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。     

土壤生态系统中黑碳研究的几个关键问题

因人类活动的影响,全球大气C02浓度自1750年以来呈现逐步上升的趋势。农业生产活动与气候变化紧密相关,因土地利用方式的改变以及高度集约化的粮食、食物生产等农业活动都有可能增加CO2等温室气体的排放。如何遏制和减少大气中的CO2浓度是当前的热点问题,黑碳这一物质形式有可能为这一问题的缓解或解决提供新途径。生物质黑碳是生物质材料在低氧或无氧状态下经热裂解而形成的一种富含碳元素的有机连续体,其中碳（C）元素的含量高达70％-80％,并且大多以稳定的芳香环形式而存在。人类生存环境中所形成黑碳的80％以上最终都要归于土壤,且由于其较强的抗分解能力而长期滞留于土壤环境中。利用黑碳的这些特性及其碳封存能力,实施积极而有效的土壤管理措施,有可能增加土壤生态系统中的碳储存,从而为人类社会应对全球气候变化提供新的机遇。在文献资料调研的基础上,描述了土壤中黑碳的来源及其增加土壤碳储存、减缓陆地生态系统碳循环的潜力;阐释了量化土壤中黑碳的重要性以及精确测定土壤黑碳含量的关键所在;揭示了黑碳在土壤环境中的稳定性,探讨了外源黑碳与土壤本体有机碳的相互作用关系,并分析了黑碳对土壤温室气体排放的影响及其不确定性。揭示这些问题有助于客观评价黑碳能否作为一个有效的土壤有机碳库,也益于明确黑碳在全球碳循环以及中国农业减排过程中的作用与地位。     

土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，了解它对大气CO2浓度升高的响应，是全面评价大气CO2浓度对陆地生态系统影响的关键。文章主要从土壤微生物呼吸和生物量两个方面总结了大气CO2浓度升高时土壤微生物的反应，结果发现，(1)在目前实验室进行的大多数研究中，随着CO2浓度升高，土壤微生物的呼吸速率加快了。这意味着随着CO2的增多，植物生长加快，进而又使得进入土壤的C质量分数增大；这些额外增加的底物被土壤微生物的代谢活动所利用。(2)土壤微生物生物量则存在着很大的变异性(变异系数为193％)，这可能与植物种类以及生活型的差异有关，也可能是进入土壤的底物的性质改变的结果。但是目前仍有许多问题未能解决，需要加强以下几个方面的研究：对土壤微生物活动有限制作用的植物有机底物在CO2浓度升高时输入量的变化状况，定量分析这一动态变化过程；在生态系统各个水平上土壤微生物的反应；在其他全球变化因子综合作用下，CO2浓度升高对土壤微生物的影响。     

氮沉降对森林土壤碳收支机制的影响

森林土壤储存着全球陆地生态系统大约45%的碳,在维持全球碳平衡方面具有重要的作用。不断加剧的全球氮沉降对森林生态系统碳循环和碳吸存产生了深刻的影响,进而改变了森林生态系统的生产力和生物量积累。本文以欧洲和北美温带地区开展的有关氮沉降对森林生态系统影响的研究为基础,提炼出最可能决定加氮影响碳输入、输出效应方向和大小的因素：凋落物分解、细根周转、外生菌根真菌、土壤呼吸及可溶性有机碳淋失,并探讨了森林生态系统碳动态对氮沉降响应的不确定性。陆地生态系统碳氮循环密切相关,由于氮循环的复杂性,尽管以往碳循环研究都考虑了氮对碳循环的限制作用,但在碳氮循环耦合机理方面的研究还比较少见。在未来研究中,应通过探寻森林土壤碳氮相互作用特征,及土壤微生物、土壤酶等与土壤碳氮过程的互动机制,来增进氮沉降对森林碳储量和碳通量的理解。     

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     

贺兰山东坡典型植物群落土壤微生物量碳、氮沿海拔梯度的变化特征

土壤微生物量是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,在生态系统物质循环和能量转化中占有特别重要的地位。开展土壤微生物量与海拔高度的关系的研究,能促使人们对土壤微生物空间分布格局及其形成机制的认识,预测全球变化对生态系统功能的影响。本文对贺兰山不同海拔梯度具有代表性的荒漠化草原（HM）、蒙古扁桃灌丛（BT）、油松林（YS）、青海云杉林（QH）和高山草甸（CD）等5种植物群落土壤微生物生物量及其微生物商进行了研究。结果表明：表层土壤（0～20 cm）微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）大小次序为：CD〉QH〉YS〉BT〉HM,MBC、MBN随海拔梯度的升高显著增加,与土壤有机碳、氮含量有着一致的变化规律,但是微生物商（qMB）表现出沿海拔梯度先增加后减小的变化趋势,最大值出现在蒙古扁桃灌丛土壤,MBC/MBN则没有明显的变化规律。相关分析表明,不同海拔高度的土壤微生物量碳氮不仅与年均降水量、土壤含水量,而且与土壤有机碳、全氮呈显著线性正相关关系（P〈0.01）,但是与年均气温、土壤容重呈显著线性负相关关系（P〈0.01）。贺兰山土壤微生物量碳、氮随海拔高度升高而增加,降水量、气温、土壤湿度、土壤有机碳和全氮可能是影响土壤微生物量沿海拔梯度变化的关键因子。     

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。     

菌根真菌对土壤呼吸的影响

土壤是陆地生态系统的重要组成部分,是地球最大的碳库之一。土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放CO2的主要途径之一,其微小的变化将导致大气CO2浓度的较大波动。菌根是土壤真菌与植物根系形成的共生体,存在于绝大多数植物（90％）的根系和生境中。菌根共有7种类型,其中,在自然界中以丛枝菌根和外生菌根为主。众多研究表明,菌根对土壤呼吸有着至关重要的影响,是预测土壤CO2释放速率必须考虑,但却是难以估算的因素。文章总结了有关菌根（包括丛枝菌根和外生菌根）对土壤呼吸影响的研究进展,对目前所得到的研究结果进行了分析,表明菌根真菌侵染植物根系形成菌根后,能提高土壤呼吸的速率,其可能的途径有3条：（1）增强了根系的呼吸,（2）菌根真菌自身呼吸的组分,（3）根外菌丝促进了非根际区土体的呼吸。但是,菌根侵染对根系呼吸敏感性（Q10）影响的研究,大多数则表现为不显著。同时,菌根对土壤呼吸的影响受到各种因素的制约。通过对不同温度下菌根真菌呼吸速率的分析,表明菌根真菌对温度的升高具有适应性。从目前已发表的报道来看,目前关于菌根对土壤呼吸影响的研究还非常少,但可喜的是,近年来,越来越多的研究已经意识到了菌根在土壤呼吸中的重要作用。准确评估菌根在土壤呼吸中的贡献,将有助于预测未来在气候变化下,土壤cO2的排放量。     

城市化对土壤呼吸作用影响的研究进展

土壤呼吸是指土壤产生CO2的所有代谢作用,是碳素由陆地生态系统进入大气的主要途径和大气CO：的重要来源,是影响全球碳循环的途径之一,它的变化可能会对大气CO2浓度产生显著的影响。城市化的推进引起世界范围内土地利用／覆盖方式的变化,这种变化对土壤的理化性质、生物学特性等产生深刻影响,从而影响土壤的呼吸作用。因此,研究城市化引起的土壤呼吸变化对于精确地估测陆地碳循环有着重要意义。国外在20世纪90年代就开始了城乡梯度上土壤碳动态的研究,而我国在这这方面的研究还处在起步阶段,尤其是关于由自然土壤转变为城市土壤后,土壤呼吸变化的机制研究较少。已有的研究表明,在干旱和半干旱地区,城市化引起土壤呼吸降低,而非干旱区则相反。此外,城市化过程中,土壤呼吸变化的方向和强度因所处的气候区域、利用的土地来源、城市内部的土地利用方式及植被类型的不同等而存在差异,但仍存在许多不确定的影响因素,如与气候变化的耦合作用等。因此,在未来城市化过程对土壤呼吸作用的研究中,应加强土壤呼吸作用的直接影响因子和间接影响因子、时空差异及其他更精细的研究。     

森林土地利用变化及其对碳循环的影响

由于人口剧增，人类活动的影响不断加大，在过去100年全球土地利用／土地覆被发生了巨大的变化。最常见的土地利用变化是由森林转变为农业用地。森林砍伐使森林生态系统地上部生物量大大减少，砍伐后作农业用地，降低了植被生产力，减少了土壤有机质的输入，增强了腐殖质的矿化作用，有机质分解速率增加，有机碳贮量随之降低，从而影响到森林生态系统的碳循环，使大量碳元素释放到大气中，引起温室效应，导致全球变暖。另一个常见的土地利用变化是植树造林和森林恢复，这一过程可以增加森林生态系统的碳储量，从而减缓大气CO2体积分数的上升。     

二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响

从入侵植物和入侵植物群落两个方面,综述了大气二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响。二氧化碳浓度升高,可以增加C3植物的入侵性,提高入侵植物的生物量、资源利用率以及繁殖能力,直接影响植物入侵;还可以通过改变土壤水分、氮循环、干扰体系等其它环境因子间接地影响植物入侵。此外,二氧化碳浓度升高,对入侵群落的初级生产量、组成与结构以及群落动态产生重要影响,改变群落的可入侵性。今后应当着重从群落水平,结合其它全球变化因子的共同作用研究二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响,同时深入探讨其作用机制以及不同植物类群对二氧化碳的响应,为入侵种的预防和控制提供理论指导。     

Atmospheric CO2 and O3 alter the flow of 15N in developing forest ecosystems

Anthropogenic O3 and CO2-induced declines in soil N availability could counteract greater plant growth in a CO2-enriched atmosphere, thereby reducing net primary productivity (NPP) and the potential of terrestrial ecosystems to sequester anthropogenic CO2. Presently, it is uncertain how increasing atmospheric CO2 and O3 will alter plant N demand and the acquisition of soil N by plants as well as the microbial supply of N from soil organic matter. To address this uncertainty, we initiated an ecosystem-level 15N tracer experiment at the Rhinelander (Wisconsin, USA) free air CO2-O3 enrichment (FACE) facility to understand how projected increases in atmospheric CO2 and 03 alter the distribution and flow of N in developing northern temperate forests. Tracer amounts of 15NH4+ were applied to the forest floor of developing Populus tremuloides and P. tremuloides-Betula papyrifera communities that have been exposed to factorial CO2 and O3 treatments for seven years. One year after isotope addition, both forest communities exposed to elevated CO2 obtained greater amounts of 15N (29%) and N (40%) from soil, despite no change in soil N availability or plant N-use efficiency. As such, elevated CO2 increased the ability of plants to exploit soil for N, through the development of a larger root system. Conversely, elevated O3 decreased the amount of 15N (-15%) and N (-29%) in both communities, a response resulting from lower rates of photosynthesis, decreases in growth, and smaller root systems that acquired less soil N. Neither CO2 nor 03 altered the amount of N or 15N recovery in the forest floor, microbial biomass, or soil organic matter. Moreover, we observed no interaction between CO2 and 03 on the amount of N or 15N in any ecosystem pool, suggesting that 03 could exert a negative effect regardless of CO2 concentration. In a CO2-enriched atmosphere, greater belowground growth and a more thorough exploitation of soil for growth-limiting N is an important mechanism sustaining the enhancement of NPP in developing forests (0-8 years following establishment). However, as CO2 accumulates in the Earth's atmosphere, future O3 concentrations threaten to diminish the enhancement of plant growth, decrease plant N acquisition, and lessen the storage of anthropogenic C in temperate forests.