植物光合与呼吸过程CO_(2)及其δ^(13)C的变异特征与影响因素研究进展

植物光合与呼吸作用是生态系统碳循环的关键过程,其CO_(2)δ^(13)C的变异特征与影响因素分析是解析植物碳分配模式、代谢关键过程以及生态系统光合与呼吸组分拆分的理论基础。然而,关于不同时间尺度上光合与呼吸CO_(2)及其δ^(13)C的变异特征及其影响因素仍然缺少清晰认识。从植物碳过程及其同位素效应、观测技术与方法、变异特征与影响因素以及应用实践与研究进展等方面论述了植物光合与呼吸碳过程及其δ^(13)C的时间变化特征,揭示了气孔、叶肉和羧化限制等生物因素以及温度、湿度和光照等非生物因素对碳过程及其同位素效应的影响。总结了存在的问题,并展望了未来的研究方向,以期为今后该领域的研究提供理论依据和有效支撑。

氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制

氮沉降持续增加背景下土壤C:N:P化学计量比和pH环境等的改变及其可能的土壤微生物学机制已经成为陆地生态系统与全球变化研究的新生长点和科学研究前沿。以生态化学计量学和土壤微生物生态学为理论基础,综述了氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进全球变化背景下陆地生态系统地下生态学的研究。氮沉降持续增加会导致森林生态系统磷循环加速,导致磷限制。氮沉降不但改变森林土壤有机质和凋落物的C:N:P化学计量比和降低土壤pH值,而且改变土壤微生物生物量碳氮磷、细菌、真菌和放线菌的组成以及影响碳氮磷分解的关键酶活性。氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响表现为促进、抑制和无影响,其影响的差异可能来源于微生物效应的不同。叶片在凋落前有显著的氮磷养分回收,但是根无明显的养分回收,造成土壤有机质和凋落物的C:N:P化学计量比存在明显差异。基于DNA/RNA等分子生物学方法为土壤微生物生态学研究提供了强有力的手段,将促进氮沉降对森林土壤有机质和凋落物化学计量比改变的微生物学机制研究。

中国三种水韭属植物的地理分布与生境特征

水韭属 (Isoetes)是水韭科中的孑遗属 ,分类上属拟蕨类 ,对研究蕨类植物的系统演化具有重要价值。由于人类活动对其水生生境的破坏 ,水韭属植物在我国的分布范围及其种群数量日趋减少 ,濒临灭绝 ,其中 ,高寒水韭(I.hypsophila)、云贵水韭 (I.yunguiensis)和中华水韭 (I.sinensis)已被列为国家一级重点保护野生植物。对原产中国的 3种水韭的地理分布与生境特征进行调查 ,将为合理保护该属植物提供相关基础数据和科学依据。本文野外实地考察了原产中国的 3种水韭属植物的现存种群及历史记载曾经分布但现已绝迹的水韭属植物种群 (绝迹种群 )所在地。在每一调查点 ,测定了各样点的海拔高度、水体基底状况以及水体pH值等生境特征 ;在现存种群所在地 ,分别记载了所见水生植物种类、水韭种群规模及其生长状况 ,并采集和鉴定了 3种水韭属植物及其伴生种。调查发现 3种水韭属植物种与种之间为间断分布 ,且具有垂直梯度差异 ;种内各种群之间相互隔离 ,各种群的个体数均偏少 ;现存种群所生长的水体及其水体基底的pH特性无明显差异 ,为酸性或中性 ;绝迹种群所在的原生境已遭到严重破坏 ,一些地点的水体pH和基底pH与以往存在水韭的时期相比已明显升高。此外 。

中华水韭遗传多样性的RAPD分析

采用 RAPD方法对珍稀濒危植物中华水韭(Isoetes sinensis)4个自然居群的48个样品进行了DNA多态性分析。从60个随机引物中筛选出14个有效引物,共产生124条DNA片段,其中72条为多态性条带,总的多态位点百分率(PPB)为58.06％。各居群间多态位点百分率差异显著(0.81％-12.90％)。AMOVA分析结果表明,4个居群间基因分化系数Φ_(st)=0.5894,即遗传变异中有相当一部分来源于群体间(58.94％)。日益缩小的种群规模而导致的居群内近交和遗传漂变的发生以及居群间有限的基因交流可能是中华水韭目前遗传结构的主要成因。鉴于目前中华水韭居群内个体数偏少、遗传多样性较低的现状,建议对其进行就地保护并保护尽可能多的生境,对不同自然居群内的个体进行植株相互移栽和育苗移栽,以提高不同居群间的基因交流,尽可能地保护中华水韭的遗传多样性。

冰雪灾害对中亚热带人工针叶林净初级生产力的影响

结合中亚热带江西千烟洲人工针叶林2005、2008和2011年3次树木清查数据以及树木相对生长方程,比较了2008年1月南方冰雪灾害前后的NPP,评价了森林生态系统灾后的恢复能力。结果表明:乡土树种马尾松(Pinus massoniana)与杉木(Cunninghamia lanceolata)比外来树种湿地松(Pinus elliottii)抗灾害能力强;在个体水平上,胸径(D)较大的树木抗灾害能力较差。灾后马尾松与杉木的D增长率降低,而湿地松增大。冰雪灾害导致大量碳(10.44 t C/hm2)从乔木层碳库转移到死生物量碳库,占乔木层碳储量的18.28%。灾前NPP和碳利用效率(CUE)分别为736.23 g C m-2a-1和0.41;灾后经过近4年的恢复,NPP和CUE分别为683.08 g C m-2a-1和0.38。

不同生长时期极端降水事件对人工针叶林净生产力的影响--以江西省吉安市千烟洲生态试验站为例

[目的]研究不同生长时期极端降水事件对生态系统碳通量的影响,为准确评估江西省吉安市千烟洲人工针叶林生态系统应对极端天气的响应机制提供理论基础。[方法]对比2008年与2010年植物生长初期(4月)与生长旺盛期(6月)碳通量对环境因子(净辐射RN、温度TA、土壤含水量SWC与增强型植被指数EVI)变化的响应差异。[结果] 4月份净生态系统生产力(NEP)降低22.87%,主要是初级生产总量和生态系统呼吸分别降低17.36%[GEP, 9.56 g/(m^2·d)]和2.84%[RE,2.86 g/(m^2·d)]导致,而6月份GEP降低3.58%[7.17 g/(m^2·d)]以及RE增长12.8%[20.37 g/(m^2·d)]导致NEP降低65.77%[27.55 g/(m^2·d)]。[结论]生长季初期TA降低对RE的抑制大于土壤含水量增加的影响,而生长旺盛期土壤含水量增加则会抵消降温对呼吸的抑制,造成更大的碳损失,因此后续研究森林生态系统碳通量对极端气候响应时还需要考虑植物生长时期的影响。

长白山原始阔叶红松林土壤有机质组分小尺度空间异质性

土壤有机质(SOM)对于维持生态系统生产力具有非常重要的意义,有机质的组成、空间分布和空间关联性是影响和控制诸多生态系统过程的重要因素。应用地统计学方法,对长白山原始阔叶红松林局部尺度内0—20 cm土壤有机质与活性有机质的空间异质性进行了研究,并通过交叉半方差分析探讨了二者之间的相关性。研究结果表明:(1)总体上来说,土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、颗粒态有机碳(POC)和颗粒态有机氮(PON)空间异质性较小;而土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)和表层(0—10 cm)溶解性有机碳(DOC)的空间异质性较大;(2)SOC、TN、MBC、DOC、POC和PON随着深度的增加空间自相关性增加;而溶解性有机氮(DON)的空间自相关性随深度的增加变化不大;(3)SOC与TN在表层和下层(10—20 cm)均存在空间上的正相关关系;(4)SOC、TN在表层和下层分别与MBC、MBN、DOC、DON和POC呈空间上的正相关性,但是与PON之间的空间相关关系较差;(5)不同土层深度的土壤活性有机质之间的相关关系存在差异。在表层,除POC,PON外,其余土壤活性有机质组分在空间上两两相关;但是随着土壤深度的增加,活性有机质变量之间在空间上两两相关。研究结果表明土壤有机质组分在长白山原始阔叶红松林小尺度内存在不同空间异质性和空间关联性,这为人们更好的理解森林生态系统功能(如土壤养分循环)提供了重要的理论依据。

1958-2017年太湖蒸发量年际变化趋势及主控因子

湖泊蒸发对气候变化非常敏感,是水文循环响应气候变化的指示因子,因此研究湖泊蒸发的控制因素,对于理解区域水文循环有重要意义.本文利用太湖中尺度涡度通量网避风港站观测数据校正JRA-55再分析资料,驱动CLM4.0-LISSS模型,并利用2012-2017年涡度相关通量数据和湖表面温度数据检验模型模拟蒸发结果,验证了该模型在太湖的适用性;估算了1958-2017年间太湖的湖面蒸发量,并利用Manner-Kendall趋势检验分析了湖面蒸发的变化趋势,寻找太湖实际蒸发的年际变化的主控因子.结果如下:校正后的JRA-55再分析资料模拟的太湖蒸发与观测值之间存在季节偏差,但是季节偏差在年尺度上相互抵消,再分析资料可用于年际尺度太湖蒸发变化的模拟;1958-2017年间太湖蒸发量以1977年为界,先下降(-3.6 mm/a),后增加(2.3 mm/a);多元逐步回归结果表明,向下的短波辐射是太湖1958-2017年间太湖蒸发变化的主控因子,向下的长波辐射、气温、比湿也对湖泊蒸发年际变化有一定影响,但是风速对蒸发量的年际变化影响不大.

植物源和土壤有机质源土壤呼吸组分的拆分原理、方法与应用进展

区分土壤呼吸组分并揭示其与环境因素的相关关系,对于准确评估土壤碳过程及其环境影响机制至关重要。根据底物来源和作用机制的差异,土壤呼吸主要包括根系呼吸、根际微生物呼吸、凋落物分解、自然条件下和激发效应下土壤有机质(SOM)分解。现有土壤呼吸组分拆分方法可以分为基于植物源CO_(2)测定或土壤有机质源CO_(2)测定的差分拆分方法,以及基于土壤呼吸组分同位素信号差异的拆分方法。土壤呼吸组分拆分研究可以解决不同土壤呼吸组分对环境变化的响应机制、植物光合碳输入与地下土壤呼吸组分的交互作用、土壤呼吸组分变化对土壤碳库周转的影响机制等科学问题,但其理论假设、观测技术方法、潜在的误差来源等仍需要继续关注并系统研究。

全球氮添加实验设计方法现状的定量分析

氮添加控制实验是研究全球氮沉降对陆地生态系统影响的最有效手段之一。目前数百个氮添加实验由于其实验设计和方法的差异给不同实验结果之间的比较以及全球数据整合分析带来很大的不确定性。我们搜集全球302个氮添加控制实验,并定量分析其实验设计方法和现状,发现全球氮添加控制实验中仅有8%的实验数量分布于苔原、湿地和荒漠;氮添加量低于2 g·m^(-2)·a^(-1)的实验仅占到4.4%;单独使用NH^(+)_(4)或NO^(-)_(3)态肥料的实验占17.5%;超过每年6次氮添加的实验数量仅占1.4%;氮添加实验持续时间基本小于5年,大于20年的实验占13.6%;全球84.9%的实验中氮添加水平数目在2个以内,4个以上的实验仅占5.1%。针对目前氮添加实验的设计方法和现状,我们对未来氮添加实验设计和方法提出了参考建议。

南京降水氢氧同位素监测特征

基于2018年7月—2019年6月南京降水同位素观测数据和中国气象局气象观测数据,研究南京降水稳定同位素组成的变化特征,对比热带气旋降水、梅雨降水和其他降水的降水同位素组成特征,研究降水同位素组成与热带气旋移动路径关系。结果表明:南京降水氧同位素组成(δ^(18)O)和氢同位素组成(δ^(2)H)的变化范围分别为-16.3‰~4.0‰和-103.0‰~32.9‰,雨季降水氢氧同位素组成相对贫化,非雨季相对富集;降水氘盈余的降水加权平均值为15.5‰,表明南京降水受陆面过程影响大。从降水量权重看,热带气旋降水和梅雨降水强度大,降水氢氧同位素组成严重贫化;其他降水的强度相对较弱,降水氢氧同位素组成比较富集;受水汽源地和陆面循环等过程的综合影响,热带气旋降水氘盈余小于全球平均值(10‰),梅雨降水氘盈余略高于全球平均值,其他降水氘盈余远高于全球平均值。登陆前仅在海洋上移动的热带气旋,降水氘盈余维持在7.5‰~8.6‰,但二次登陆的热带气旋降水氘盈余远大于10‰,可能是受到陆地蒸散过程的影响。

高寒草甸植物叶片钾含量对多种养分添加的响应及机理

【目的】钾是植物体内含量仅次于氮的大量元素,对于维持植物生长和适应低温环境具有重要的意义。近期研究表明植物生长受到多种养分的共同限制,而本研究旨在揭示植物叶片钾含量对钾、氮、磷养分添加及其交互作用的响应及机理。【方法】以川西北高寒草甸为研究对象,开展钾、氮、磷添加及交互控制试验,以揭示高寒草甸优势植物叶片钾对多种养分及其交互作用的响应及机理。【结果】本研究发现钾、氮、磷3种养分添加对4种植物(垂穗披碱草、发草、无脉薹草、草玉梅)的叶片钾含量均不存在显著的交互作用。单独磷添加不影响植物叶片钾,钾添加促进无脉薹草和草玉梅叶片钾含量,而氮添加均促进4种植物的叶片钾。尽管氮添加产生的直接效应(土壤有效氮增加)对部分植物叶片钾有显著影响,但是氮添加处理下叶片钾含量的增加主要是由氮添加的间接作用驱动的,即氮添加显著增加植物群落生物量,进而由于遮荫作用降低土壤温度,而结果表明较低土壤温度一致地增加了所有植物的叶片钾含量。与钾、磷养分相比,氮添加对植物叶片钾含量的影响更大。【结论】不同于传统观点认为土壤养分是主要影响植物叶片钾的因素,本研究发现氮添加引发的间接作用(土壤温度降低)是驱动养分富集背景下叶片钾含量变化的主要机理。该研究结果指示出高寒草甸植物由于长期受到低温胁迫,其钾利用策略可能与低温适应性密切相关。

南京梅雨降水同位素组成从事件到年际尺度的变化特征

梅雨降水量占季风区全年降水量的40%~50%,为了厘清梅雨降水同位素从事件到年际尺度上的变化特征及其影响因素,本研究分析了2015—2022年南京梅雨期间降水同位素特征,使用具有比湿分析的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型(HYSPLIT)分析了南京梅雨降水同位素的水汽来源和影响因素。结果表明:1)南京大气降水同位素组成夏季贫化、冬季富集,氘盈余(d_(x))夏低冬高,梅雨降水同位素组成较全年平均水平更为贫化;2)梅雨降水δ^(2)H和δ^(18)O与局地气象条件无显著相关关系;但雨量较小的降水事件中d_(x)较低,反映出云下二次蒸发的影响;梅雨降水量较多的年份,梅雨期间平均d_(x)明显较高;3)低纬度南海源区和西太平洋源区为梅雨提供水汽,水汽源地的转换会导致连续降水过程中同位素信号的突变。本研究能为季风区降水同位素研究提供数据支持,并为深入理解梅雨降水机理和研究东亚季风区大气环流季节变化提供参考。

中国四种森林类型主要优势植物的C:N:P化学计量学特征

为了评价不同森林类型的生态化学计量特征的差异,以吉林长白山温带针阔混交林、广东鼎湖山亚热带常绿阔叶林、云南西双版纳热带季雨林和江西千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象,通过对2007年4月–2008年5月4种典型区域森林植物叶片和凋落物的碳(C)氮(N)磷(P)元素质量比与N、P再吸收率的分析,探讨了4种森林类型N、P养分限制和N、P养分再吸收的内在联系。结果表明:1)从森林类型上看,温带针阔混交林叶片的C:N:P为321:13:1,亚热带常绿阔叶林叶片的C:N:P为561:22:1,热带季雨林叶片的C:N:P为442:19:1,亚热带人工针叶林叶片的C:N:P为728:18:1;凋落物的C:N:P也是亚热带人工林最高,达1950:27:1,温带针阔混交林的最低,为552:14:1,热带季雨林的为723:24:1,亚热带常绿阔叶林的为1305:35:1,不同森林类型凋落物的C:N:P的计量大小关系与叶片的结果一致;2)从植物生活型上看,常绿针叶林叶片的C:N均显著高于常绿阔叶林及落叶阔叶林;叶片C:P与森林类型的关系并不十分密切;常绿阔叶林叶片的N:P最高,常绿针叶林次之,落叶阔叶林最低;3)植物叶片的N:P与月平均气温有显著的负相关关系,但叶片的C:P基本不受月平均气温影响,叶片的C、N、P计量比与降水的线性关系不显著;4)高纬度地区的植物更易受N元素限制,而低纬度地区植物更易受P元素的限制;但受N或P限制的植物并不一定具有高的N或P再吸收率。研究结果表明,不同类型森林的叶片与凋落物的化学计量特征具有一致性,但是环境因子对不同类型植物化学计量比的影响并不相同。

浑善达克沙地榆树干液流动态研究

应用Granier热扩散技术对内蒙古浑善达克沙地榆(Ulmus pumila var.sabulosa)疏林林分进行树干液流通量研究。选择该区占林分80%以上林木的3种胸径级(小径级,15—25cm;中等径级,25—35cm;大径级,>35cm)榆树,使用Granier探针进行每隔15min的树干液流测定,同步测定各林分环境因子。林分中不同胸径级榆树树干液流通量特征表现为:树干液流密度峰值大径级树>中等径级树>小径级树,且差异明显;大径级树由于林龄较大,液流密度曲线变化平缓,没有明显的峰值,呈弧形曲线;液流密度随季节推移在生长季中液流密度均值逐渐减小,在生长季末期(10月)基本处于微弱波动状态。液流通量最大月平均值一般出现在6—8月,不同径级树月液流通量变化差异较大。对样木的日液流通量比较发现,胸径对液流有显著影响。对不同胸径树木各树种影响较大的环境因子为饱和水汽压差(VPD),光合有效辐射(PAR),气温(Ta);在不同生长季节,对不同胸径类型树木起主要作用的环境因子也不尽相同,但是PAR和VPD是其中起主要作用的两个因子。

土壤CO_(2)通量梯度观测技术和方法的理论、假设与应用进展

土壤呼吸主要包括大气-土壤界面CO_(2)释放量和土壤中CO_(2)储存量变化两部分,深入理解土壤CO_(2)的产生和迁移过程是全面认识陆地生态系统碳循环的基础。通量梯度法是基于测量扩散驱动的CO_(2)浓度梯度和扩散系数计算CO_(2)通量的方法,依据菲克第一定律可以计算出不同深度土壤CO_(2)及其稳定碳同位素组成(δ^(13)C)通量,进而得到土壤CO_(2)释放量和不同深度土壤CO_(2)储存量。地下土壤CO_(2)浓度(^(13)CO_(2)和^(12)CO_(2)浓度)主要受孔隙曲折度、根分布深度、微生物活性和土壤总CO_(2)产生量控制。地下CO_(2)传输过程受不同深度CO_(2)浓度、孔隙度和含水量等的共同控制,上述土壤理化性质和生物因素是土壤通量梯度法应用过程的关键影响因素,直接决定了CO_(2)及其δ^(13)C通量计算的精度和准确度。通量梯度法是箱式法的有益补充,可以明确不同深度土壤CO_(2)产生和运移过程以及对土壤CO_(2)释放量和储存量的影响,阐明不同深度土壤对CO_(2)排放的相对贡献,揭示其环境和物理控制机制。

地球关键带视角理解生态系统碳生物地球化学过程与机制

陆地生态系统研究通常未考虑影响整个岩石风化层--土壤剖面的生物地球化学过程,而关键带科学则强调从冠层到基岩重新认识整个生态系统的结构和功能,在流域尺度上应该强调大气和植物之间、植物和土壤之间、小流域土壤和溪流之间物质和元素循环的相互联系等。植物碳固定及分配、从地表到基岩的土壤碳库分解和转化以及小流域碳迁移与平衡是碳生物地球化学循环的起始、周转和迁移过程的关键环节,应该加强流域尺度上从冠层到基岩的生态系统碳循环过程、机制及其生态功能研究。同位素技术具有指示、示踪和整合功能,通过δ13C自然示踪和人工标记技术,可以辅助解析碳生物地球化学过程与机制。

基于森林清查资料的江西和浙江森林植被固碳潜力

以我国江西、浙江两省的森林植被为研究对象,基于1999—2003年间第六次全国森林清查数据及收集的1030个亚热带森林样地文献资料,依据林分生长的经验方程,估算了两个地区森林2004—2013年的固碳潜力,并基于455个样点的调查数据研究了不同森林管理措施(纯林间种、间伐、施肥)对森林未来固碳潜力的影响.结果表明:第六次森林清查以来的10年(2004—2013)间,江西森林植被年均自然固碳潜力约11.37TgC·a-1(1Tg=1012g),而浙江省森林植被年均自然固碳潜力约4.34TgC·a-1.纯林间种对江西、浙江两省森林植被固碳潜力影响最大,其次为间伐抚育,施肥的影响最小.纯林间种、间伐和施肥3种森林管理措施使江西省森林植被固碳潜力分别提高(6.54±3.9)、(3.81±2.02)和(2.35±0.6)TgC·a-1,浙江省森林植被固碳潜力分别提高(2.64±1.28)、(1.42±0.69)和(1.15±0.29)TgC·a-1.

突发性火灾对南方湿地松人工林土壤碳储量的影响

火作为影响森林生态系统的一个生态因子,既可能有利于维持生态系统的平衡与稳定,也可能会破坏系统的结构和功能,甚至引起生态系统的失调或崩溃。森林碳储量是陆地生态系统碳库的重要组成部分,研究火烧对土壤有机碳和理化属性的影响,对认识自然或人为干扰下森林生态系统碳储量的变化具有重要意义。本文通过选取2007年5月南方红壤丘陵区典型人工针叶林中一次突发性火灾后形成的一块火烧迹地,划分不同火烧强度,进行土壤调查取样和室内实验分析。研究结果表明,火灾发生2个月后,高强度火烧和中强度火烧下,0～40cm的土壤剖面有机碳储量相比低强度分别降低了61.4%和39.5%;0～10cm、10～20cm和20～40cm等3个土层上,土壤有机碳储量的大小均呈现出低强度火烧>中强度火烧>高强度火烧的一致趋势。土壤理化性质方面,中、高强度火烧迹地上土壤容重相比低强度火烧有增大趋势,高强度火烧迹地土壤pH值最高。

通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用与展望

通量梯度法与涡度相关法均是微气象学的物质和能量通量观测方法,在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下,通量梯度法可以有效观测生态系统(或土壤)与大气之间的温室气体及其同位素通量,同时也可以作为涡度相关法的配套观测和有益补充。该文回顾了通量梯度法的基本原理、概念和假设,重点综述了温室气体浓度梯度以及相关湍流扩散系数的观测与计算的方法和理论,概述了通量梯度法在森林、农田、草地、湿地和水体等生态系统观测温室气体通量的应用进展,特别是在稳定同位素通量观测中的应用,最后从影响温室气体和同位素的浓度梯度以及湍流扩散系数测定与计算等方面概述了应用注意事项及建议。