陆地生态系统氮饱和监测指标及氮沉降控制研究进展

土壤和大气中存在较多的氮,但大多以稳定态的有机氮和氮气形式存在,被植物生长利用的可获得性氮素较少。工业革命以来,人口数量剧烈增长及生活方式的改变带来的化石燃料燃烧、化肥施用和畜禽养殖等活动向大气中排放了大量活性氮,提高了植物可获得性氮水平,并影响到陆地生态系统氮循环和碳循环。长期的氮沉降在全球多个地区引起了氮饱和问题,使得全球工业发达地区及其周边陆地生态系统面临退化风险,我国所在的东亚地区逐步成为继欧洲和北美之后的第三大氮沉降区。严峻的事实及不断加重的氮沉降污染趋势,迫使我们亟需借鉴发达国家的经验以开展相关研究。文章综述了从20世纪80年代起在氮饱和研究中采用的多种氮饱和监测指标,涵盖了陆地生态系统土壤、植被、水体、气体等多个部分的最新进展。文章还总结了我国氮饱和研究的现状,并提出了一些改进措施,以期对我国开展氮沉降观测、氮沉降模拟实验及氮沉降控制有所借鉴。     

我国西南地区氮饱和马尾松林土壤和植物15N自然丰度对长期氮施加的响应

我国快速增长的氮沉降可能造成森林生态系统的氮饱和,进而导致一系列严重的环境后果.为了深入研究氮沉降对我国森林生态系统的影响,进而评价和预测森林生态系统的氮状态,本研究选取我国西南地区典型的马尾松林生态系统,对土壤和植物的15N自然丰度(δ15N)进行了测定,探讨用15N富集因子(εp/s)作为氮状态指标的可行性.对该马尾松林连续7 a施加NH4NO3或Na NO3的控制实验结果表明,长期的高氮输入显著增加了土壤和植物的δ15N.同时,该生态系统对不同形态的氮输入有不同的响应,即在NH+4沉降下δ15N显著高于NO-3沉降下的值.15N富集因子与氮沉降量、净硝化速率和淋溶量均呈显著的正相关关系,特别是本研究与之前研究的所有马尾松林的15N富集因子与氮沉降量之间线性相关,表明15N富集因子可用来表征氮状态.由于在相同氮沉降的情况下,NH+4的效应强于NO-3,建议我国在未来控制氮氧化物排放的同时也应当重视氨的排放控制.     

光伏电站建设对陆地生态环境的影响：研究进展与展望

随着全球能源消耗的快速增长,环境将进一步恶化,各国减排的竞争将更加激烈,而利用太阳能作为清洁能源的光伏发电对于实现地球碳中和具有重要战略意义.陆地生态系统中的集中式光伏电站大范围覆盖地球表面,导致土地利用发生变化,对地表能量平衡和降水的再分配产生显著影响,进而改变土壤养分循环和植物生产力,并最终带来明显的生态环境效应.通过回顾近20年来国内外光伏电站生态环境影响研究的相关文献,综述了光伏电站建设对微气候、土壤和动植物等的影响强度和方向,以及对陆地生态系统功能的潜在影响.光伏电站可以通过调节微气候因子中的太阳辐射强度、空气温湿度、风速和风向等,进一步影响植物生产力、土壤抗蚀性和土壤碳固存等多项生态系统功能.尽管已有文献报道中有关光伏电站建设对陆地生态系统的影响并不一致,但总体而言,可以提高植被盖度和植物生产力;特别在荒漠等生态系统中可在一定程度上改善生态环境.目前,尽管有大量研究报道了光伏电站对生态系统可能具有的效应,但实验性论据尚不充分,对生态系统功能影响机制的研究更为少见.在后续的工作中,可进一步关注光伏电站对生态环境影响的区域差异性,以及对生态系统功能潜在的影响途径,结合生态效应为...     

氮素影响陆地生态系统碳循环过程的模型表达方法

氮素是植物生长所必需的重要营养元素。人类活动引起的大气氮沉降增加对陆地生态系统碳循环过程具有重要影响。准确地定量表达氮素对陆地生态系统碳循环过程的影响是预测未来全球碳循环变化的关键环节。论文系统地归纳总结了国内外多个知名生物地球化学模型中氮素影响光合作用、呼吸作用、同化物分配等碳循环过程的数学表达方法,分析了不同碳循环过程中模型表达方法的不确定性及其原因。指出未来模型的发展需在加强机理研究的基础上,发展能反映氮饱和现象、能显式表达氮素与光合速率关系的光合作用过程算法,发展能显式表达氮素与植物体根、茎和叶呼吸速率关系的维持呼吸算法以及发展显式表达氮素对同化物分配过程影响的动态同化物分配方案。指出当今大部分主流模型在模拟氮素对光合作用影响时没有考虑氮饱和现象,因此利用模型预测未来陆地生态系统对氮素增加的响应时可能会高估氮沉降对光合速率的影响。研究综述可为准确评价陆地生态系统碳氮相互作用和发展碳氮耦合模型提供参考。     

重金属污染对土壤生化过程的影响

大多数重金属是作为微量元素而天然存在于土壤中的。一些重金属由于人类的活动而被过多地排入环境中,改变并损害了自然的和人工的生态系统,对人类健康造成威胁。土壤生化过程在维持碳、氮大循环及其它元素的代谢转化、为植物提供可用性养分等方面起着不可缺少的作用。大量重金属在土壤中沉积,破坏了土壤生态系统原有的微量元素的动态平衡,土壤的生物化学过程也随之受到影响,而其中尤以氮的矿化作用、纤维素降解、土壤酶活性和氮固定作用等最为敏感。本文就重金属污染对土壤主要生化过程的影响作一概述。     

植物吸收土壤有机氮的研究进展

传统的氮循环模式认为,土壤有机氮只有经过微生物分解转化为无机氮(NH₄⁺+NO₃^-)后才能为植物吸收利用。然而,近年来许多研究证实多种陆地植物具有从土壤中获取小分子有机物质(如自由态氨基酸)的能力,对传统的氮循环模式形成巨大的挑战。论文从土壤中氮素的形态、植物吸收有机氮的证据、有机氮吸收的机制、以有机氮为重要氮源的生态系统类型以及根系吸收与分泌有机氮之间的平衡等5个方面进行了综述,分析了当前研究方法的优缺点,针对本领域内核心科学问题,提出了未来植物吸收有机氮的改进方法及研究方向,为进行植物利用有机氮的研究提供方法基础。     

有机质提升对酸性红壤氮循环功能基因及功能微生物的影响

外源有机物质输入是提升酸性红壤有机质含量的主要方式,氮素是土壤肥力的重要限制因子.有机质提升后土壤生态系统的变化会影响土壤氮循环过程及功能微生物,但目前还未见报道.本研究选择长期施有机肥的酸性旱地红壤及不施肥对照土壤作为研究材料,基于宏基因组测序及氮循环功能基因数据库比对,研究32 a的连续有机物质输入导致的土壤有机质含量上升对酸性红壤氮循环功能基因及相关功能微生物的影响.结果表明,酸性红壤有机质提升显著增加了土壤总有机碳和总氮含量,缓解了土壤酸化.有机质提升增加了土壤净硝化活性和氨氧化潜势.有机质提升显著增长了编码古菌氨单加氧酶amoA基因和反硝化过程还原酶的功能基因nar、nap、nir、nor和nos的丰度,降低了编码羟胺氧化酶hao基因及执行硝酸盐异化还原成铵过程的功能基因nrf的丰度,提升了有机氮代谢功能基因glnA、gdh、glsA、ansB和nao丰度,改变了硝酸盐同化过程功能基因丰度以及硝化过程功能微生物群落组成.有机质提升后土壤酸化的缓解和总有机碳含量的提升是影响氮循环各过程功能基因丰度及功能微生物组成的最主要因子.本研究全面研究了无机氮和有机氮循环功能基因,关联了氨氧化过程的功能基因、功能微生物类群和功能活性,可为把握酸性红壤氮循环特征提供数据依据,也可为酸性土壤改良提供思路.     

氮沉降的全球化:对于陆地生态系统的意义

人类活动产生的氮(N),包括农田氮肥施肥和矿物燃料燃烧过程中所固定的氮,其来源和分布正在迅速地扩展到全球范围.这部分氮进入到陆地生态系统中,将会促进植物的生长,并产生过量的氮,最终通过淋溶和痕量气体排放的形式,增加了氮的损失.在某种情况下,还会导致物种组成的变化和生态系统功能的衰减.但并非所有的生态系统都对氯沉降具有类似的响应.它们的响应情况,取决于氮沉降的连续性、生态系统的类型,生态系统对氮的需求或保持能力、土地利用的历史、土壤状况、地形条件、气候背景以及氮沉降的速度、时间和类型等因素.我们认为,起重要作用的是:一些对人类影响具有显著意义的条件、一些控制生态系统响应变化的因素以及一些由于资料缺乏而使不确定性增大的地方.     

气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响

论文利用通用陆面模式CLM4.0-CN对全球陆地生态系统生物地球化学循环过程进行模拟,分析气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响。结果表明：气溶胶直接辐射效应使2007年全球陆地生态系统平均总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）、异养呼吸（R_H）、自养呼吸（R_A）以及净生态系统生产力（R_eco）都呈现出增加的态势。具体的变化特征则随着地区不同而表现出极大的差异,在非洲中西部、中国中东部、美国东南部和欧洲中南部地区GPP增加,在南美洲亚马逊地区及东南亚等地区GPP减少。NPP和R_A与GPP的分布基本一致。分析发现,气溶胶直接辐射效应导致陆地生态系统碳循环发生变化有如下两方面原因： 1）散射施肥效应,即植被阴生叶可以吸收的散射辐射（光合有效辐射）增加使其光合速率增加;2）辐射变化导致温度和湿度条件发生变化,从而改变植物生物物理和化学过程速率。     

近期和长远时段内北极生态系统功能受到的影响

长期以来,就营养物质和碳循环而言,北极生态系统降低了初级生产力；能量,水和温室气体交换的水平已引起了局部和区域性的小幅度降温.大气CO2中的碳沉积在广袤而寒冷的有机土壤中,冰雪覆盖的低矮植被产生高的反射率,都影响了局部气候.然而,北极生态系统功能的许多方面都对气候变化及其产生的生物多样性影响敏感.当前的北极气候导致了低的有机物质分解速率,因此,尽管有机物和元素输入量较低,但北极生态系统还是趋向于积累有机物和元素,土壤中氮和磷等可利用元素结果成为促进碳固定以及生物量和有机物进一步积累的关键性限制因素.气候变暖可能增加特别是土壤中的碳和元素的周转,起初可能导致元素的丢失,但最后会慢慢的恢复.在北极生态系统中,单个物种和物种多样性已经明显地影响了元素的输入和滞留,另一方面,从长远来看,尽管CO2和紫外线增加对植物组织化学、分解和氮固定的影响可能变得重要,但对整个生态系统来说,影响可能很小.碳循环的示踪气体主要形式是CO2和CH4,大多数碳以CO2的形式损失,这些CO2是由植物和土壤生物产生.来自潮湿苔原生态系统以CH4形式释放的碳大约是CO2形式的5％,而且在没有任何其他变化的情况下,对变暖作出响应.冬天过程和植物类型也影响CH4释放和能量在生物圈和大气之间的交换,因为反射率从冬末到夏天存在很大的变化,在冬末,雪反射了入射的大部分光线,在夏天,生态系统吸收了入射的大部分光线,所以在所有的陆地生态系统中,北极生态系统在能量交换方面表现出巨大的季节性变化.植被深刻地影响北极生态系统水和能量交换.在冰雪覆盖期间,反射率从苔原、森林苔原、落叶林、常绿林依次降低.灌木和树增加了雪的深度,反过来又使冬天的土壤温度增加,因此,由气候变化而引起的未来植被方面的变化很可能深远地改变区域的气候.