湿地生态系统碳汇与碳源过程的控制因子和临界条件

湿地生态系统由于其自身的结构组分特征,已成为地球表层系统中最为重要的碳汇。但是近年来对于湿地系统的不合理开发利用、降水减少等原因使其碳汇功能减弱,湿地的碳蓄积能力下降且有转变为碳源的趋势。文章从湿地生态系统的水份、植物类型、土壤厚度、微生物(底物、pH、温度、氧化还原条件)等方面总结了影响湿地碳汇/源过程的控制因子和临界交替条件。湿地水位的高低决定湿地的氧气环境,与甲烷产生量成正相关,但却与二氧化碳产生量有一定的负相关关系。湿地植物通过通气组织与根系分泌物等影响湿地碳的吸收与排放通量,湿地植株的高度、覆盖率等也是影响湿地作为碳汇与碳源的重要因素。不同深度土层由于其产甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性不同导致各个土层碳吸收、排放通量的差异,通常浅层土壤中的CO2、CH4的产生率高于深层土壤。微生物的活跃程度直接影响到湿地碳的吸收与排放,影响活跃程度的因素包括湿地底物、pH、温度与氧化还原条件等。湿地底物浓度的增加会在一定程度上提高甲烷的产生率,中性或者是弱碱性环境是产甲烷菌的最适宜条件,在一定范围内温度越高,甲烷产生量越大,而温度对于二氧化碳的影响则是通过改变光合作用来实现。氧化还原电位与甲烷产生量成负相关关系,-...     

湿地甲烷的产生、氧化及排放通量研究进展

甲烷研究已倍受科学界关注,不仅由于其对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳,贡献率达25%,还因为单分子甲烷的增值潜势是二氧化碳的15~30倍.湿地是甲烷的重要来源,估计湿地生态系统对全球甲烷排放的贡献率约为20%,即为100~200Tg a?1.湿地甲烷在厌氧条件下产生,在土壤氧化层以及根际中部分氧化,然后通过土壤、水体和植物体排放到大气中去.就近10a来湿地甲烷产生、氧化、传输过程及其影响因素等的研究进展进行了综述.产甲烷菌的研究主要集中在其对环境因子的生理生态和分子生物学,尤其集中在稻田产甲烷菌的研究上,因此在深度和广度上都有待突破.产甲烷过程是一个复杂的生化过程,要对甲烷排放量估计、甲烷排放动态研究以及在甲烷排放建模等方面取得进展,必需在甲烷产生机制上进行突破.甲烷氧化菌的研究集中于菌群对环境的适应以及其自身氧化能力上,应用研究还不是很深入.甲烷氧化过程的研究已经有了一定的深度,但氧化过程具体机理的研究还有待进一步深入,这需要分子生物学以及基因组学等多学科的交叉.甲烷传输过程是研究甲烷排放动态的基础,目前相关研究较少,国内有关研究主要集中在稻田研究上,对高寒湿地的研究则几乎是空白.湿地甲烷通量的研究是目前温室气体研究的热点问题,但主要解决的问题是大气中甲烷气体浓度增加与湿地甲烷通量的关系.湿地甲烷通量是由多种因素决定的,对影响湿地甲烷通量的因素的研究相当丰富,特别是近年来对生物因素的关注.由于学科的发展,近10a在这方面的研究较之过去更为全面和系统.图1表1参68     

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。     

森林土壤氧化（吸收）甲烷研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,对全球气候变暖的贡献仅次于CO2,约为25%。大气甲烷可以被土壤中甲烷氧化细菌在有氧条件下吸收利用,陆地生态系统森林土壤氧化吸收甲烷的研究已有大量报道。甲烷氧化菌是以甲烷作为唯一的碳源和能源的一类细菌的总称。但森林土壤在全球甲烷核算中具有一定的不确定性,取决于产甲烷菌和甲烷氧化菌的相对活性。甲烷氧化菌的研究集中在环境对氧化能力的影响和自身氧化能力上。大气甲烷氧化过程为高氧化能力低亲力氧化,受到一些因子,如土壤温度、土壤通气状况、pH、氮肥等的影响,具体机理的研究还有待进一步深入。土壤通气状况受土壤质地与土壤水分影响,土地利用类型可能改变土壤容重、土壤结构和土壤水分,进而影响土壤甲烷氧化。植物可以通过自身对生境的作用或化感作用影响土壤甲烷氧化。土壤动物的研究则相对较少,目前排放清单中仅有白蚁是全球甲烷核算所包括的。从甲烷氧化菌的分类出发,对甲烷氧化菌氧化甲烷的机理、菌的生态分布及甲烷氧化的影响因素、时空异质性、观测方法等作出了综述,为正确认识和准确预测森林土壤在一定气候和土地利用类型条件下的甲烷氧化强度提供理论依据。     

土地利用对湿地土壤活性有机碳的影响研究进展

湿地生态系统土壤碳库的周转及碳源/汇过程对全球气候变化起着极其重要的作用,而土壤碳库中的活性碳组分对环境因子变化响应最为敏感,湿地土壤活性有机碳在湿地土壤碳、氮、磷等养分元素的生物地球化学循环方面起着十分重要的作用。不同的土地利用方式对湿地土壤活性有机碳组分的特征分布影响显著,综述了土壤活性有机碳内涵、组分及土地利用方式变化对湿地土壤活性有机碳多种组分的影响研究进展,展望不同土地利用方式下湿地土壤活性碳库的未来研究方向,并提出今后应加强不同土地利用方式下湿地生态系统土壤活性碳库与土壤微生物及土壤酶活性的关系研究,以期为评估湿地生态系统碳源/汇功能提供理论基础。     

崇明岛稻麦轮作生态系统主要温室气体排放特征及影响因素分析

采用静态箱——气相色谱法对崇明岛稻麦轮作生态系统主要温室气体CO2、CH4和N2O排放进行了田间原位观测,并分析了影响温室气体排放的主要因素.结果表明,崇明岛稻麦轮作生态系统中,CH4和N2O的显著排放仅出现在水稻生长季,且透明箱与暗箱测得通量季节变化趋势具有高度一致性;水稻田是CH4和N2O的排放源,是CO2的吸收汇;冬小麦生长季农田表现为CH4的吸收汇,是CO2和N2O的排放源.整个稻麦轮作周期内,CH4、N2O以及暗箱CO2(即呼吸排放CO2)通量与各温度因子呈现出显著或极显著正相关性;CH4通量与土壤含水率、土壤C/N比值均存在极显著正相关性.另外,稻田CH4通量与土壤有机质(SOM)含量之间存在极显著正相关性,与土壤NH+4-N含量呈显著正相关关系;而稻田N2O通量与NO-3-N含量存在极显著正相关关系.     

温度和土壤含水量对温带森林土壤温室气体排放的影响

全球温带森林土壤是影响陆地主要温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要源和汇,土壤温湿度的交互作用是影响温室气体吸收与释放的重要影响因素,但目前针对温带森林土壤的温湿度变化对温室气体的影响研究甚少。本研究用自动控制温湿度的人工气候箱模拟不同温度(5、10、15℃)和土壤水分含量(最大田间持水量的20%、40%、60%、80%)环境,比较研究3种我国温带典型森林土壤CO2、N2O、CH4的通量动态变化及其综合增温潜势(GWP)。结果表明:温度和土壤含水量增加会导致3种森林土壤的CO2和N2O表现为排放源、CH4为弱吸收汇。其中,阔叶林和针叶林土壤CO2排放通量变化幅度相近,针阔混交林的排放通量波动范围较小于二者;针阔混交林和阔叶林土壤的N2O排放通量变化幅度相近,而针叶林土壤的排放通量波动范围明显高于二者;阔叶林土壤CH4吸收通量随温度和土壤含水量增加的幅度较其他2种林型显著。3种林型土壤GWP受温度和土壤含水量影响的敏感性由高到低依次为阔叶林针叶林针阔混交林。     

水位对小叶章湿地CO2、CH4排放及土壤微生物活性的影响

湿地生态系统对全球碳平衡和气候变化起着极其重要的作用,而水位波动将影响湿地生物地球化学过程,导致温室气体通量变化,为了明确湿地生态系统温室气体通量以及土壤微生物活性对水位梯度的生态响应,通过野外盆栽培养试验,设T1:-5 cm,T2:0 cm,T3:5 cm,T4:10 cm 4种水位梯度,T1和T2模拟湿地非淹水的水分状况,T3和T4模拟淹水状况,研究了不同水位梯度下小叶章(Calamagrostis angustifolia)湿地CO2、CH4通量、土壤微生物量碳、氮及土壤酶活性的变化规律.结果表明:不同水位条件下,小叶章湿地系统CO2和CH4通量差异较大,-5 cm水位时小叶章湿地CO2通量为(643.35±61.89) mg·m-2·h -1,随着水位增加,CO2通量依次降低6.9%、12.1%、40.0%,且水位升高到10 cm时,小叶章湿地CO2排放量显著降低(P<0.05);而CH4通量则随水位增加呈显著增加趋势,通量变化为(1.52±0.12)~(5.34±0.61) mg·m-2·h-1;水位对微生物活性影响显著,非淹水条件下小叶章湿地土壤微生物量碳、氮含量以及土壤蔗糖酶、淀粉酶活性高于淹水土壤,且随着淹水位增加,微生物活性显著降低.     

浅论稻田甲烷的产生和排放

目前的研究结果表明,我国稻田甲烷排放通量大约在7.8—60mg/m~2·h。稻田甲烷的排放包含着甲烷在水田土壤中的生成和从土壤向大气释放这样两个过程。前者是通过土壤中微生物活动分解复杂的有机物质,在渍水还原条件(氧化还原电位低于-200mv)下,由产甲烷菌最后转化形成甲烷;后者主要是通过水稻植株向大气释放,只有少量通过气泡或分子扩散从水田土壤通过田面水层向大气排放。显然,稻田甲烷的生成、排放是一个以生物学过程为中心,并与土壤环境、土表水层和大气环境的一些物理、化学条件密切相关的过程。土壤温度、pH值、水稻品种的生物学特性及稻田的水浆管理、施肥措施等等都会影响稻田甲烷的排放。只有研究并掌握稻田甲烷排放的机理及其影响因素,才能真正做到在争取水稻优质、高产的同时,抑制或减少甲烷的排放。     

土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展

土壤是温室气体(如CO2、CH4和N2O)产生的重要源,土壤温室气体主要来自于微生物呼吸,植物根呼吸和土壤动物呼吸。土壤温室气体排放机制及其影响因素是研究全球碳氮循环的重要组成部分。研究表明,影响土壤呼吸的因素很多,土壤理化性质如温度、含水量、有机质含量、pH值、氧化还原电位(Eh)、土壤质地等因素都可以直接影响土壤微生物量及其生理生化过程,从而影响温室气体排放。其中,土壤温度,湿度、有机质含量是关键性因素。此外,地域气候、土地利用以及土地覆盖变化也可以通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放。文章重点论述了土壤温室气体排放机制,排放影响因素以及排放的日变化和季节变化规律。认为今后的研究方向应该是土壤微环境碳氮循环机制,土壤呼吸模型在尺度上的推延,以及注重中国陆地与近海生态系统碳固定及减少碳排放的对策和应用技术研究,特别在人工林碳固定及农业固碳减排方面加大研究力度等。     

湿地碳循环研究综述

湿地由于其巨大的碳库储存能力而成为碳循环研究的热点之一.从湿地CO_2/CH_4释放时空格局,CO_2/CH_4释放影响因子,碳"源""汇"评估及人类活动影响四个方而综述了国内外湿地碳循环方面的研究工作.认为当前对湿地碳排放过程各种潜在的影响因素比较清楚,但碳排放过程各种影响因子之间存在的交互作用有待于进一步深入研究.在进行不同湿地类型碳循环研究的同时,应加强包括微生物、植物根系等地下碳动态研究,加强碳、氮耦合研究.在评估人类活动对湿地碳循环的影响过程中,要综合考虑植被碳库、土壤碳库及土壤碳排的变化.另外,无论从认识不同湿地类型碳过程特征及机理的角度,还是从减少全球或区域碳收支估测不确定性的角度来看,加强数据缺乏地区的湿地类型的碳平衡及相关碳过程的研究都具有重要意义.     

基于DNDC模型评估水位变化对滨海湿地净生态系统CO2交换的影响

水位是影响滨海湿地生态系统蓝碳功能的重要因素。气候变化引起的海平面上升以及极端气候事件的频发,可能加快水位的变化,从而改变生态系统碳交换的过程。然而,滨海湿地碳汇功能响应水位变化的机制尚不清楚。为了评估水位对滨海湿地净生态系统CO₂交换(NEE)特征的影响,以及验证DNDC(denitrification-decomposition)模型对模拟预测滨海湿地生态系统碳交换的适用性,该研究设计了野外水位控制试验(自然水位,地下20 cm水位、地表10 cm水位),并利用DNDC模型模拟和预测水位变化对滨海湿地NEE的影响。结果表明:(1)不同水位处理之间NEE差异显著,地表10 cm水位处理促进CO₂吸收,地下20 cm水位则抑制CO₂吸收;(2)经过校准和验证的DNDC模型可以准确模拟水位变化对黄河三角洲湿地NEE的影响,NEE模拟值的日动态与田间观测结果显著相关(R²>0.6);(3)通过改变气候、土壤和田间管理等输入参数对DNDC模型进行灵敏度检验,生态系统碳交换过程对日均温、降雨和水位改变的响应最为显著,其中,水位对NEE的影响主要作用于土壤呼吸(Rs)。未来气候情境下,不同水位变化下的生态系统碳交换过程随年份增长呈现不同的规律,因此未来的模拟研究应关注DNDC中水文模块和植被演替过程的完善。该研究可为预测水文变化情境下滨海湿地碳汇功能的未来发展以及政策制定提供参考。     

秸秆还田条件下农田系统碳循环研究进展

秸秆还田是农田生态系统的固碳减排的一种措施,现已成为国内外学者研究的热点。本文在分析农田系统碳循环流通的基础上,将系统划分为土壤、植物和大气3个子系统,对秸秆还田条件下各个子系统中碳的流动变化情况进行讨论。在土壤子系统中,秸秆还田对土壤有机碳（SOC）、土壤矿化碳、土壤微生物碳（MBC）的变化都有作用。秸秆还田的初期可能会降低微生物利用碳源的能力,影响群落物种分布的均匀度,致使作物对碳、氮利用率下降;然而,长期的效应仍会增加土壤微生物的多样性和活性。研究亦认为秸秆还田特别是与有机肥配合使用,能够提高土壤有机碳的含量;对土壤有机碳矿化具有明显促进作用,但是对土壤原有的有机碳矿化影响尚不清楚。秸秆还田在植物子系统中的影响主要集中在植物光合碳变化。已有的研究表明秸秆还田对作物光合作用的影响表现为正效应;然而根际碳流通的变化尚不清楚。在大气子系统中,秸秆还田能够增强旱地耕作土壤的呼吸作用,促进CO2的排放;而淹水条件下,秸秆还田使土壤有机碳矿化受到了明显抑制,对CO2没有明显影响。与此类似,淹水条件促进CH4排放,排水良好可以减少CH4的释放。事实上对CH4的排放而言,水份的影响可能比秸秆还田所产生的影响更大。笔者认为秸秆还田后土壤有机碳流通变化机理,及根际碳的流通变化影响仍有待进一步解析。其次,农业机械使用所产生的 CO2气体在研究秸秆还田模式时也应被考虑在内。除此之外,秸秆还田这种减排措施（CO2）的减排潜力、适宜应用的区域、可能的协同作用和一些限制及不利因素还没有得到确切的评估,实施过程中应考虑社会和经济层面上的因素。     

Methane and carbon dioxide dynamics in wetland mesocosms: effects of hydrology and soils.

Methane and carbon dioxide fluxes in created and restored wetlands, and the influence of hydrology and soils on these fluxes, have not been extensively documented. Minimizing methane fluxes while maximizing productivity is a relevant goal for wetland restoration and creation projects. In this study we used replicated wetland mesocosms to investigate relationships between contrasting hydrologic and soil conditions, and methane and carbon dioxide fluxes in emergent marsh systems. Hydrologic treatments consisted of an intermittent flooding regime vs. continuously inundated conditions, and soil treatments utilized hydric vs. non-hydric soils. Diurnal patterns of methane flux were examined to shed light on the relationship between emergent macrophytes and methane emissions for comparison with vegetation-methane relationships reported from natural wetlands. Microbially available organic carbon content was significantly greater in hydric soils than nonhydric soils, despite similar organic matter contents in the contrasting soil types. Mesocosms with hydric soils exhibited the greatest rates of methane flux regardless of hydrology, but intermittent inundation of hydric soils produced significantly lower methane fluxes than continuous inundatation of hydric soils. Methane fluxes were not affected significantly by hydrologic regime in mesocosms containing non-hydric soils. There were no diurnal differences in methane flux, and carbon dioxide and methane fluxes were not significantly correlated. The highest rates of CO2 uptake occurred in the continuously inundated treatment with non-hydric soils, and there were no significant differences in nighttime respiration rates between the treatments. Implications for hydrologic design of created and restored wetlands are discussed.     

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。     

农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展

农田土壤通过微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸,释放大量温室气体,成为大气中主要温室气体(CO2、CH4和N2O)的重要来源.文章在阐述土壤温室气体产生机制的基础上,着重从土壤生物、土壤理化性质(主要包括温湿度、有机质、pH、Eh、土壤质地等)、水肥管理及耕作措施等角度对农田土壤温室气体释放的影响进行了综述,对土壤温室气体的减排措施进行了总结,并就今后农田土壤温室气体的研究重点和方向进行了展望.     

中国草地生态系统碳储量及碳过程研究进展

草地为陆地生态系统的主体,是陆地上最主要的碳储库和碳吸收汇之一。近年来,随着“草原承包责任制”、“退耕还林还草”和“封育禁牧”等重大生态工程项目的实施及草地生态系统的恢复和草地生产力的提升,草地生态系统碳储量、固持潜力、土壤碳循环机制及稳定性机制越来越受到学术界的关切。文章全面综述了近年来我国草地生态系统碳储量及其碳过程的研究工作,总结了不同研究中,我国不同草地类型碳库的特征及其储量、分析了草地生态系统碳过程等,评述了土壤碳过程相关科学问题的研究进展,指出了当前草地生态系统土壤碳储量及碳过程的研究进展、存在的问题,分析了未来草地生态系统土壤碳研究的重点研究方向和发展趋势。研究表明：草地生态系统在调节碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用。但是,由于草地类型的多样性、结构的复杂性以及草地对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对草地生态系统碳储量和变率的科学估算,以及草地生态系统土壤关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限,随着高分辨率的MODIS、TM数据、数学模型及不同草地类型实测点的建立,以及通过枯落物碳库将植物碳库与土壤碳库的有机连接,草地生态系统的土壤碳储量及固持潜力取得了重要进展;土壤有机碳来源、组成,有机碳化学结构以及环境因子是影响土壤有机碳稳定性的重要因素,而固体赫兹共振、碳同位素示踪等对破解有机碳稳定性提供了重要手段。未来,还将进一步厘清草地生态系统土壤固碳的驱动机制,构建草地生态系统土壤固碳量化方法体系等。     

陆地生态系统含硫气体释放研究进展

由自然生态系统释放的含硫气体在全球硫循环中起着重要作用。陆地生态系统主要的自然硫释放源有湿地、土壤、植被、内陆水体和火山等，由自然源释放的含硫气体主要产生于有机硫化物的降解和硫酸盐的还原，同时受温度、光照等环境因素的影响。文章主要综述了对人类有影响的几种含硫气体(DMS、H2S、COS、CH3SH、CS2和DMDS等)从各种自然源释放的情况，同时简要介绍了环境因素如温度、光照、土壤状况、氧化还原条件等对自然源释放含硫气体的影响，最后结合中国的研究现状，指出今后应开展和加强陆地生态系统含硫气体释放通量监测、释放机理及在大气中的转化等方面的研究，以及在此基础上建立含硫气体释放模型。