基于大气CO_2浓度和生态碳通量模型的土壤碳库优化方法

在碳循环过程中,土壤有机碳库的大小和分布对于基于过程的生态系统模型至关重要.由于全球地表土壤有机碳含量直接观测数据分辨率极为稀疏,基于这些数据所得的区域土壤有机碳库分布存在极大的误差.大气二氧化碳(CO2)浓度和土壤有机碳库是生态碳循环的重要组成部分,利用CO2浓度和生态碳循环模型修正土壤有机碳库,是改进碳库估计的新途径.本文通过大气CO2传输模型和陆地生态碳通量模型,建立CO2浓度和土壤有机碳库之间的关系,获得了修正土壤有机碳库的方法.应用实例分析结果表明:该方法可以有效修正土壤有机碳库,明显改进陆地生态通量模型模拟效果.     

黄土高原丘陵沟壑区草地恢复对土壤碳氮库的影响

对黄土高原丘陵沟壑区坡耕地及撂荒后5,13,24,32 a自然恢复草地的土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)含量及储量(SOCs,SICs,TNs)进行了测定分析.结果显示,土壤有机碳含量随土壤垂直剖面降低.与坡耕地相比,0~5 cm SOC含量在草地恢复10 a后显著升高,而5~100 cm各土层的SOC含量在草地恢复的20 a后显著升高;0~100 cm各土层SIC含量在草地恢复5 a后即显著增加,且不同的恢复草地具有不同的SIC剖面分布类型.TN含量与SOC含量变化相似.但与坡耕地相比,早期的恢复(5,13 a)草地表层0~5 cm TN升高不明显,5~100 cm TN在草地恢复的5 a后显著升高.SOCs(0~100 cm)在恢复5 a的草地显著降低,恢复10 a后,显著升高;SICs(0~100 cm)和TNs(0~100 cm)在草地恢复5 a后即显著增加.此外,计算了土壤总碳储量(STCs),发现草地恢复过程中土壤碳库特征表现为越来越高的SOCs/STCs和越来越低的SICs/STCs.在草地恢复过程中,SOC和TN,STCs和TNs显著正相关(P0.01).因此,草地恢复加强了土壤碳库的积累,包括土壤有机碳库和无机碳库,但是这两个碳库在总碳库的占比相反.多年生草种在土壤碳氮库积累中起重要作用.     

桂林丫吉村表层带岩溶土壤系统中δ~(13)C值的变异

以桂林丫吉村岩溶试验场坡地岩溶土壤系统为对象,定位采集和测定分析了该系统中空气、植物体、土壤和水等系列样品的δ13C值.结果表明,岩溶土壤系统中δ13C值不仅存在土壤固相有机碳、土壤空气CO2和土壤水重碳酸盐等库间的广泛差异,而且有明显的深度变化和季节变化,7月的地面空气、土壤空气和土壤水的δ13C值比4月轻1‰～4‰（PDB）;系统中水、气相活跃迁移碳组分的δ13C值与土壤有机碳和土壤CO2有十分密切的关系.     

桂林丫吉村表层带岩溶土壤系统中δ 13C值的变异

以桂林丫吉村岩溶试验场坡地岩溶土壤系统为对象，定位采集和测定分析了该系统中空气、植物体、土壤和水等系列样品的δ^13C值。结果表明，岩溶土壤系统中δ^13C值不仅存在土壤固相有机碳、土壤空气CO2和土壤水重碳酸盐等库间的广泛差异，而且有明显的深度变化和季节变化，7月的地面空气、土壤空气和土壤水的δ^13C值比4月轻1‰－4‰（PDB）；系统中水、气相活嗅迁移碳组分的δ^13C值与土壤有机碳和土壤CO2有十分密切的关系。     

珠江水体悬浮物的表观年龄与流域侵蚀

以1998, 2000, 2005年所取的珠江水体悬浮物为研究对象, 对其碳同位素组成(¹⁴C, ¹³C)及表观年龄(下文简称年龄)进行了测算和研究. 结果表明, 珠江水体悬浮物颗粒有机碳(POC)是以现代碳为主并含有少量“老碳”的混合体; 其年龄介于540~2050 a BP之间, 其中西江、北江悬浮物POC年龄相对较老, 东江悬浮物POC年龄构成较为离散——既有较年轻的样品, 又有较年老的样品, 但以年轻的为主. 悬浮物POCδ¹³C和Δ¹⁴C间呈类似正相关关系, 这一关系实质上反映了流域土壤和母岩有机质在悬浮物中的构成, 是流域内15~30 cm以下剖面土壤有机碳同位素组成在河流悬浮物中的体现, 反映了河流有机质的土壤来源深度; 而流域内表层的土壤有机质因处于不稳定状态, 进入河流后很快就被分解掉, 难以表现出来. 珠江流域中, 土壤侵蚀以西江流域较重, 东江流域较轻.     

内蒙古典型草地CO2, N2O, CH4通量的同时观测及其日变化

利用黑色不透光气体采集箱, 沿450～200 mm年降水梯度剖面对内蒙古温带草原典型草地3种主要温室气体CO2, N2O, CH4通量进行现场测定. 结果表明, 内蒙古草地CO2, N2O, CH4通量平均值分别为(1 180.4 ± 308.7), (0.010 ± 0.004), (-0.039 ± 0.016) mg.m-2. h-1, 3种温室气体通量随着草地降水量的减少呈现降低的变化趋势, 人类活动放牧和草地开垦利用均表现对草地温室气体通量的明显影响, 揭示了草地温室气体通量的日变化特征及其与温度的正相关关系.     

青藏高原两种高寒草甸地下生物量及其碳分配对长期增温的响应差异

增温可以改变植物的生长,不同植被类型的响应方式有差异.植物根系是植物生产量的重要组成部分,但对其增温响应的研究仍然较少.本研究采用开顶式生长室(OTC)模拟增温的方法,对比了长期增温对青藏高原矮嵩草草甸和金露梅灌丛群落地下生物量和有机碳含量的影响.通过分析不同土层地下生物量的垂直分布、土壤和根系含碳量,发现在长期增温条件下:(1)矮嵩草草甸地下生物量显著减少;(2)2种草甸地下生物量分配明显向深层转移;(3)2种草甸植物根系总碳含量变化不显著,矮嵩草草甸10~30 cm土层根含碳量增加,金露梅灌丛草甸20~30 cm土层的根系碳含量减少;(4)2种草甸土壤总碳含量无显著变化(0~30cm),但20~30 cm土层矮嵩草草甸土壤有机碳含量增加,金露梅灌丛草甸土壤有机碳含量降低.2种草甸地下资源分配差异将影响全球变暖背景下该地区的植被演替和碳循环.     

不同降水强度4种草地群落土壤呼吸通量变化特征

利用静态暗箱法, 对内蒙古锡林河流域沿降水梯度4种半干旱草地类型进行了连续2年的野外定位试验, 对比研究了沿降水梯度4种不同草地类型土壤呼吸通量的变化特征, 统计分析了水热因子对草地土壤呼吸通量特征的可能影响, 并建立了土壤呼吸通量与水热因子间的数值关系模式, 同时利用野外连续完整的观测数据对不同草地类型土壤CO₂年排放量分别进行了估算. 结果表明: 土壤呼吸通量存在明显的季节变化规律, 沿降水梯度各草地类型土壤呼吸通量的季节变化型式基本相同, 各草地群落土壤呼吸均以春末和夏季较高, 秋冬季排放量较低, 不同草地类型冬季均观测到土壤呼吸的负通量, 对其机制的进一步研究有利于对土壤年呼吸总量的准确估算; 沿降水梯度4种草地类型土壤年(或生长季)呼吸量均沿降水梯度递减, 表现为贝加尔针茅草原>羊草草原>大针茅草原>克氏针茅草原; 不同草地类型土壤呼吸通量在植物生长季与0~10 cm以及10~20 cm土壤含水量均呈不同程度的正相关, 而与气温和表层土壤温度的相关性较弱, 4种草地类型生长季内土壤表层含水量的变化通常能解释土壤呼吸通量变异的70.2%~94.7%, 而在植物非生长季, 土壤呼吸通量更多地受气温及土壤表层地温的限制, 温度条件的变化能解释土壤呼吸通量变化的70%以上.     

亚热带森林生态系统不同重建方式下碳储量及其分配格局

森林重建被认为是提高生态系统碳汇功能的重要措施.通过调查研究了两种重建方式(自然更新和人工造林)对亚热带森林生态系统碳储量及其分配格局的影响,并与地带性常绿阔叶林进行了比较.结果表明,自然更新的次生林生态系统碳储量(植被+土壤+枯落物)约为257.59thm-2,人工营造的杉木(Cunninghamia lanceolata)林、蓝果树(Nyssasinensis)林分别为230.93和163.49thm-2,表明在亚热带九连山区,自然重建方式在森林碳汇功能上优于人工重建方式.但上述森林碳储量仍然显著低于地带性植被的碳储量(299.13thm-2),表明这些森林仍具有较大的碳汇潜力.自然重建方式经济投入少,对土壤碳库扰动较小,且植被碳储量显著高于速生人工林,说明在种源丰富、自然环境较好的亚热带林区,在30多年的时间尺度上自然重建方式具有较高的固碳效益,这对于我国碳汇林建设、提高生态系统的固碳效益具有重要的指导意义.     

中国北方草地植物补偿性生长与合理放牧强度:基于放牧实验的整合分析

补偿性生长是草地植物对动物采食的一种适应策略,合理的放牧强度能够促进植物的补偿性生长,有利于草地生产力和稳定性的维持,而长期过度放牧则导致草地退化.因此,确定合理的放牧强度是科学配置草地生产-生态功能实现草牧业可持续发展的基础.本文基于各类放牧实验已发表的118篇研究文献,将放牧家畜的采食率(地上生物量移除量,%)作为放牧强度的测度指标,对我国北方5种主要草地类型的植物补偿生长特征及其合理放牧强度进行了整合分析,并结合气候、土壤及植物群落地下生物量和多样性等数据,厘清了影响植物补偿生长的关键生物和非生物因子.结果表明,我国北方草地植物总体处于欠补偿生长状态,且植物地上部分的补偿性生长主要以牺牲其地下生物量为代价.其中,高寒草甸、草甸草原和荒漠草原植物群落均表现为欠补偿生长,高寒草原和典型草原植物群落表现为等补偿生长.在区域尺度上,补偿性生长的绝对值随年降水量和植物物种丰富度的增加而增加.满足植物群落地上生物量实现等补偿或超补偿,且对地下生物量不产生负效应,各类草地的合理利用强度为:高寒草甸50%、草甸草原48%、典型草原40%、高寒草原37%、荒漠草原31%.本研究对指导我国北方草地保...     

干旱区荒漠无机固碳能力及土壤碳同化途径

干旱区荒漠的非生物固碳能力一些学者至今怀疑,关键在于地上通量观测到的CO_2吸收结果是否在土壤碳库得到体现.本研究在我国西北干旱区,将荒漠划分为砾质荒漠(戈壁)、沙质荒漠(沙漠)和壤质荒漠三大类,从颗粒组成、总含盐量、有机碳和无机碳含量等方面测定分析,研究不同类型荒漠土壤有机碳和无机碳(soil inorganic carbon,SIC)密度和储量变化,并与高寒生态系统进行比较.结果表明,不同类型荒漠平均0~30 cm表土层和1 m深土壤SIC密度分别为2.8和10.1 kg C m~(-2).相比较,壤质荒漠的SIC密度最高,1 m深土壤达到12.1 kg C m~(-2).针对土壤对CO_2的吸收和无机固定,提出土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念.荒漠生态系统固碳是植物碳同化与土壤碳同化,即有机和无机过程的结合,荒漠土壤无机碳密度和储量是有机碳的5倍.土壤碳同化途径分为3个阶段:CO_2与H_2O反应阶段、CO_2或弱碳酸与土壤溶液阳离子反应阶段、生成溶解碳酸盐与沉淀碳酸盐附着于土壤颗粒和向下沉积阶段.土壤碳同化能力随着土壤有机碳含量、含盐量、水分、粉粒和黏粒含量的增加而提高.     

青藏高原沼泽与高寒草甸草地退化对生长期CO2排放的影响

采用静态箱-便携式红外色谱法对青藏高原风火山地区沼泽草甸和高寒草甸两类生态系统CO₂排放通量进行了研究. 结果表明, 生长期内两类生态系统之间及同一生态系统内部不同的退化程度之间CO₂排放通量均存在较大差异. 沼泽草甸CO2排放通量随着退化程度的加剧而逐渐降低, 而高寒草甸除5月份之外, CO₂排放通量随着退化程度的加剧而逐渐提高; 未退化沼泽草甸较高寒草甸CO₂的排放通量同比高出65.1%~80.3%; 中度退化沼泽草甸较高寒草甸CO2的排放通量同比高出22.1%~67.5%; 然 而, 严重退化的高寒草甸比沼泽草甸CO₂的排放通量反而高出14.3%~29.5%. 5 cm处土壤水分、5 cm处土壤温度和地上生物量与CO₂排放通量显著相关, 是控制CO₂排放主要环境因子     

关于中国土壤碳库及固碳潜力研究的若干问题

土壤碳库研究及碳汇问题是近年来土壤碳循环与全球变化研究的热点领域. 本文回顾了中国土壤碳库估算的研究成果, 分析了我国土壤碳库在气候变化下的演变态势, 并探讨了土壤有机碳矿化与温室气体的释放问题. 整合已有的研究资料, 可以认为中国土壤总有机碳库接近90 Pg, 无机碳库约为60 Pg, 农田土壤已有的固碳速率在20~25 Tg/a 水平. 农田土壤固碳的理论容量可以达到2.0 Pg 水平, 但农业技术的实施能够实现的技术潜力可能仅为理论潜力的1/3 左右. 因此, 改善土壤管理和农田经营机制可能是提高土壤固碳技术潜力的关键.土壤固碳中有机碳积累并不表现出分解的敏感性, 固碳显得有利于提高农田生产力和改善生态系统功能, 一些农田综合温室气体排放的生命周期评价的案例研究反而显示有机质积累下农业生产的碳排放强度没有提高甚而降低. 未来中国土壤碳库研究的重点发展方向在于: (1)以流域为尺度和地球表层系统为对象的系统固碳与碳汇研究; (2) 生态系统土壤碳固定与稳定机制, 特别是土壤固碳与生产力和生态服务功能的协同机理和多界面过程. 中国土壤碳科学将面临多学科集成和多目标服务的新发展机遇.     

中国南方4种林型乔木层地上生物量及其碳汇潜力

根据我国第5次(1994～1998年)和第6次(1999～2003年)森林资源清查数据,估算了热带亚热带8个省区4种主要林型(马尾松林、杉木林、硬阔林和软阔林)5个林龄组的乔木层地上生物量碳(TABC)与碳积累速率(TNEP).结果表明:(1)4种林型的TABC均随着林龄的增长而增加,阔叶林(硬阔林和软阔林)各林龄组的TABC均大于针叶林(马尾松林与杉木林)相应林龄组的水平,并且这种差距随着林龄的增长而增大;(2)4种林型的TNEP均随着林龄的增长呈现先增大后减小的趋势.阔叶林成熟阶段的TNEP远高于该阶段针叶林的水平;(3)利用logistic回归曲线分别拟合4种林型的TABC与林龄的关系(P<0.01,R2>0.95),预测了2010～2050年各林型乔木层地上部分的碳储量,同时计算同期4种林型的乔木层地上部分年均碳增汇量分别为41.14(马尾松林)、31.53(杉木林)、75.50(硬阔林)和75.68(软阔林)gCm2a1.基于森林资源清查数据估算和logistic回归曲线模拟的结果均表明阔叶林是更强的碳汇,并且在演替后期具有更大的碳吸存能力.相比于针叶林,阔叶林是我国热带亚热带区域碳汇林的最佳选择.     

陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_Fe-OC)及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_Fe-OC数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_Fe-OC平均为21.9%,且深层土f_Fe-OC(37.5%)显著高于表层土(15.4%, P<0.01).(2)土壤平均f_Fe-OC在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%, P<0.01).土壤平均f_Fe-OC在不同气候...     

子午岭森林灰褐土保护有机碳的能力及各密度组分生化特征

物理保护是稳定土壤有机碳的主要方式之一, 为了理解在全球气候变化和碳循环中土壤作为碳汇(或碳源)所起的作用并正确管理土壤, 首先应该知道特定的土壤中有多少有机碳是被物理保护的. 通过密度分组和超声波技术将每个土样分为3个组分: 自由轻组、闭合组分和重组, 并分别分析每个组分的有机碳含量、碳水化合物含量和顽固性碳含量. 结果表明: (ⅰ) 整个土壤剖面上, 重组中的有机碳占明显优势, 自由轻组次之, 闭合组分中有机碳的分布最少, 说明土壤中大部分有机碳是受物理保护的. 随土壤深度增加, 自由轻组有机碳由25.27%下降为3.72%, 而重组有机碳由72.57%上升为95.39%, 闭合组分有机碳为2.16% ~0.89%. (ⅱ) 从顽固性指数看, 轻组碳和重组碳的顽固性是相似的, 甚至在土壤表层以下, 轻组碳的顽固性比重组碳的顽固性高, 说明轻组并非像经常定义的那样是最新鲜或很少被分解的组分, 并且在表层10 cm以下, 受物理保护的有机质, 其有机质质量也相对较高.     

花粉揭示的青藏高原西南部塔若错全新世以来植被与气候变化

利用活塞采样器在位于青藏高原西南部塔若错60 m水深处获得3.1 m沉积岩芯.通过AMS14C测年、花粉、粒度和无机碳分析,恢复了青藏高原西南部全新世以来的植被和气候变化.结果显示,全新世初期(10200~8900 cal a BP),植被由高寒草原向高寒草甸转换,气候由冷干向暖湿发展;全新世早期(8900~7400 cal a BP),植被由高寒草甸到高寒草原的转换,气候相对干旱,但偏暖;全新世中期(7400~3300 cal a BP),植被从高寒草原向高寒草甸或草甸化草原转换,气候以冷湿为主;全新世晚期(3300 cal a BP至今),植被逐渐被高寒草原取代,气候变得寒冷干旱.塔若错全新世早期和中晚期的特征气候事件表明,该地区明显受到西风区环境变化的影响,而在全新世中期更多受印度季风环流控制.尤其是中晚全新世塔若错的湖泊沉积环境记录对于进一步阐述西风/季风在该地区的影响程度具有非常重要的意义.     

应用双重优化方法估计碳通量

<正>贝叶斯综合反演方法(BSIM)利用先验CO2通量和大气CO2浓度观测数据估计碳通量分布,其结果在很大程度依赖于先验碳通量的偏差.实际应用中,通常用生态碳通量模型计算先验通量,可是不恰当的短期生态过程的模拟将引起先验通量的刻度误差,从而导致BSIM估计结果的偏差.我们提出了一种双重优化算法,     

湿地碳计量方法及中国湿地有机碳库初步估计

湿地碳计量是湿地资源保护和增汇技术实施的前提条件. 在全面整理碳计量方法和探讨湿地碳计量的困难性后, 认为清单法是在国家尺度上估算中国湿地有机碳库的一种现实可行的方法. 为了弄清楚我国湿地到底固了多少有机碳? 在先前的研究基础之上, 利用改进后的清单法进行了研究. 主要结果如下: (1) 中国湿地有机碳库总计达5.39~7.25 Pg, 约占全球湿地碳储量(154~550 Pg)的1.3%~3.5%. (2) 中国湿地土壤有机碳库(5.04~6.19 Pg)>中国水体有机碳库(0.22~0.56 Pg)>中国湿地植被碳库(0.13~0.50 Pg), 分别占中国湿地有机碳库的85.4%~93.5%, 4.1%~7.7%和2.4%~6.9%. 本文估算的中国湿地土壤有机碳库要高于先前的研究结果3.67 Pg, 但低于前人的研究结果12.20和8~10 Pg. 在讨论和不确定性分析的基础上, 对今后深入研究的方向进行了展望.     

中国草地的产草量和牧草品质: 格局及其与环境因子之间的关系

草地是畜牧业生产的基础, 对于草地产草量和牧草品质的格局及其与环境因子之间关系的研究有助于科学合理地发展畜牧业, 但目前国内大尺度上的研究还比较缺乏. 本文通过对中国草地131个采样点共计177个样地的产草量和牧草品质进行分析, 研究了中国草地不同区域和不同植被类型的产草量和牧草品质, 分析了牧草品质与产草量之间的关系, 探讨了气候和土壤因子对牧草品质格局的作用. 研究显示: (1) 在研究区域总体上, 青藏高原草地的产草量较内蒙古草地高, 主要是由于高寒草甸有较高的产草量. 相比于内蒙古地区的草地, 青藏高原草地的牧草具有高粗蛋白、高无氮浸出物、低粗纤维、低粗脂肪的特点, 营养价值更高. (2) 从植被型上来看, 高寒草甸的产草量和营养价值都最高; 从植被群系上来看, 产草量最高的是西藏嵩草(Kobresia tibetica)草甸和芨芨草(Achnatherum splendens)草原, 牧草品质最好的则是高山嵩草(Kobresia pygmaea)草甸和矮生嵩草(Kobresia humilis)草甸. (3) 大尺度上, 气候和土壤因子首先通过改变植被类型而影响到牧草品质的格局, 对于植物具体的生理过程虽然也有影响但并非造成大尺度牧草品质格局的主要原因; 消除植被类型差异后, 气候因子中仅年均温(MAT)对粗纤维有显著作用, 而土壤因子对所有营养指标均有显著影响, 反映土壤因子对牧草品质有着更直接的作用. (4) 牧草的营养价值和产草量之间存在相关关系, 随着产草量的升高, 牧草表现出粗纤维含量增加、粗蛋白和粗脂肪含量下降的趋势, 这反映产草量较大时对营养元素的“稀释”现象.