松嫩草地碳和水通量对全球变化的响应

全球变暖和氮格局的改变对生态系统碳通量的变化具有深远的影响,长期的模拟增温和氮沉降实验对预测21世纪全球气候变化下草地生态系统生产力和碳匮缺的响应有着至关重要的意义.在中国东北松嫩草地开展4年的增温和施氯实验,通过测定羊草草地光合特性,试图揭示全球变化对羊草草地的碳、水通量产生的影响.试验采用一个封闭的光合测定系统(LI-6400)测定草地的碳、水通量变化,通过计算CO2的变化量确定净生态系统CO2交换量.结果表明,增温降低了净生态系统CO2交换量(NEE),净生态系统生产力(GEP)和生态系统蒸腾作用(ET),升高了生态系统呼吸(ER)和水分利用效率(WUE);施氮处理刺激了NEE、ER、GEP和WUE;增温加施氮处理,氮素的添加缓解了因增温对生态系统产生的负效应.碳、水通量对全球变化的响应是通过改变生物群落中优势物种羊草的数量实现的,全球变化能在短期内迅速改变松嫩草地的碳通量.这些结果都有助于理解未来生态系统碳循环对全球气候变化的反馈.     

洪泽湖地区杨树人工林碳水通量昼夜和季节变化特征

【目的】通过对洪泽湖地区杨树人工林生态系统碳水通量的昼夜变化和季节变化特征进行分析,为评估该杨树人工林生态系统的固碳能力提供必要的基础数据,揭示杨树人工林生态系统碳循环及对外部气象环境因子的响应,同时为增强森林生态系统固碳能力提供依据。【方法】以洪泽湖地区杨树人工林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术和微气象观测系统进行长期且连续的通量以及气象环境观测。选取2017年5月至2018年4月期间的原始观测数据,对异常数据进行剔除和插补处理,同时,利用EddyPro软件中的Express Mode模块对通量数据进行二次坐标旋转、频率损失订正以及WPL密度效应修正,最终转化为30 min数据。分析杨树人工林生态系统与大气间的二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和潜热(latent heat, LE)通量的季节动态变化和昼夜变化特征及其与外部气象环境因子的相互关系。【结果】洪泽湖地区杨树人工林生态系统碳通量均有显著的昼夜和季节变化,净生态系统碳交换(net ecosystem exchange, NEE)白天为较强的碳汇,夜晚为较弱的碳源,整年表现为固碳作用,年通量为-506.9 g/(m²·a)。其日变化在生长季和非生长季均呈“U”形曲线,生长季的碳吸收明显大于非生长季;在生长季白天,NEE与光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)呈显著的对数关系;而在非生长季,NEE与夜间土壤温度(soil temperature,T_s)呈显著的指数关系。洪泽湖地区杨树人工林生态系统LE的昼夜和季节变化显著,在生长季和非生长季均呈“单峰型”曲线,且在生长季大于非生长季,LE与饱和水汽压差(vapor pressure deficit, VPD)在生长季和非生长季均呈显著的线性正相关关系。洪泽湖地区杨树人工林生态系统CH₄通量在生长季和非生长季均无显著的昼夜变化,在生长季为较弱的CH₄吸收,非生长季为中性至微弱的CH₄排放,全年可能表现为较微弱的CH₄汇。【结论】洪泽湖地区杨树人工林生态系统整体具有较高的固碳能力,CO₂和LE通量具有显著的昼夜变化和季节变化规律,而CH₄通量季节和昼夜变化并不显著,生态系统碳水通量受环境因子的影响较显著,可以为今后提升杨树人工林的固碳能力提供参考。因此,营造杨树人工林将是短期内吸收大气中的CO₂和CH₄并缓解气候变化的有效途径。     

三峡水库夏季干流、支流(草堂河)水体的二氧化碳分压及扩散通量

2013年5-7月对三峡水库库区干流及支流草堂河水体CO₂分压(pCO₂ )进行走航观测. 结果表明: 夏季草堂河表层pCO₂ 为15.8226.4 Pa, 三峡水库库区干流表层pCO₂为198.8261.1 Pa. 对支流草堂河剖面监测发现, 表层pCO₂ 最低为15.8 Pa, 随着深度增加, pCO₂快速增加, 在水深5 m后逐渐稳定, 最大值为294.2 Pa. 通过计算, 支流草堂河在5, 6, 7月的CO₂通量分别为16.46, −4.91和30.85 mmol·m⁻²·d⁻¹, 库区干流CO₂通量为45.83 mmol·m⁻²·d⁻¹. 因此, 三峡库区干流表现为CO₂的“源”, 支流草堂河CO₂释放远小于库区干流, 6月份表现为“汇”.     

森林土壤温室气体通量对森林管理和全球大气变化的响应

森林土壤是温室气体重要的源和汇。探讨不同森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量特征,为有效减少温室气体排放及森林可持续管理等提供参考。笔者从森林土壤温室气体(forest soil green house gases)、森林管理(forest mangement)和全球大气变化(global atmospheric change)3个关键研究点,查阅近年来相关研究成果,归纳森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量的一般性模式。CO₂、CH₄和N₂O是3种重要温室气体,其通量间存在协同、消长和随机型耦合关系。森林管理如火烧、采伐和造林等显著影响土壤温室气体通量。一般情况下,火烧导致土壤N₂O通量降低,CH₄吸收量增加,CO₂通量因火烧类型、火烧强度、生态系统类型不同出现增加、减低和无影响3种结果; 采伐通常导致土壤CO₂、CH₄和N₂O排放增加; 造林可使土壤CO₂排放减少,对N₂O和CH₄通量的影响随生态系统类型、造林树种等而改变。全球大气变化如CO₂浓度升高、氮沉降和气温升高影响森林土壤温室气体通量。通常,CO₂浓度升高导致土壤CO₂和N₂O排放量增加,CH₄吸收量降低; 氮沉降促进土壤N₂O排放、抑制CH₄吸收。气温升高导致土壤CO₂和N₂O排放增加。森林管理和全球大气变化对土壤温室气体通量的综合影响是非叠加的,有效的森林管理可能改变土壤温室气体通量对全球大气变化的响应。     

降水量变化对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

在全球变化的背景下,内蒙古草原生态系统的降水量可能增加或者减少.迄今,降水量的改变对该区域草地生态系统碳交换的影响我们还知之甚少.为此,本研究通过完全控水防雨棚,开展了降水梯度实验,探究该生态系统碳交换(ecosystem carbon exchange)随降水量变化的响应轨迹.结果表明:随着生长季降水量从100mm增加到500mm,净生态系统碳交换(net ecosystem exchange,NEE)、生态系统呼吸(ecosystem respiration,ER)和生态系统总生产力(gross ecosystem productivity,GEP)均显著提高,这些过程均表现为明显的非线性响应.NEE、ER和GEP的饱和点对应的降水量分别为350mm,200mm和275mm.从响应率的变化斜率看,降水量减少(275mm的处理)的效应显著强于降水量增加(275mm的处理)的效应.变异来源分析说明,随着降水量的改变,群落生物量是草原生态系统碳交换的首要影响因素,可以解释NEE、ER和GEP变异的30.89%、41.90%和40.60%,而土壤含水量和土壤温度只能解释NEE、ER和GEP变异的11.51%、7.78%和9.28%.上述结果为我们理解和预测未来降水变化对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响提供了依据.     

增温对青藏高原高寒沼泽草甸生态系统CO_2排放及其环境响应机制的研究

采用高度分别为40 cm(OTC1)和80 cm (OTC2)的开顶式透明小室(Open-top chambers,OTC)对青藏高原高寒沼泽草甸生态系统进行模拟增温处理,研究了高寒沼泽草甸生态系统的CO_2排放强度对气温升高的响应以及环境控制机理。结果显示:在平均气温分别提高2. 79℃(OTC1)和4. 96℃(OTC2)的条件下,对照(CK)及2种不同幅度增温处理高寒沼泽草甸生态系统CO_2排放通量表现出明显的季节变化特征,并同时在8月达到峰值,分别为123. 6、142. 3、166. 2 g C/(m2·month); CO_2的年排放通量也表现出随增温幅度的升高而逐渐增大的趋势,即OTC2(684. 1 g C/(m2·year))OTC1(580. 7 g C/(m2·year))CK(473. 3 g C/(m2·year))。通径分析显示,5 cm土温是影响CK、OTC1和OTC2三个系统CO_2排放最重要的生态因子。     

南海碳循环：通量、调控机理及其全球意义

 基于多年观测研究,南海CO₂源汇及其时空格局的总体特征是：南海海盆是大气CO₂的弱源区,年均海-气CO₂通量为2.1±0.3 mmol·m^-2·d^-1;而南海北部陆架是碳汇区,年均CO₂通量为-2.2±3.5 mmol·m^-2·d^-1;南海总体上每年向大气释放的碳量为1330万±1880万t。由于南海位于陆地-大洋交界带,存在多个界面过程,根据物质交换发生的不同界面,可将南海海盆和北部陆架视为大洋主控型边缘海（OceMar）和河流主控型陆架海（RiOMar）。这两类系统分别接受大洋和河流输入的外源无机碳和营养盐,经由一系列动力过程进入真光层后同时被生物消耗,无机碳和营养盐之间的“竞争”最终决定CO₂源汇格局。在南海海盆,无机碳相对过剩,部分以CO₂形式向大气释放,即为源;而在南海北部陆架,无机碳相对不足,系统需从大气补充CO₂,即为汇。南海碳循环机理及其框架对于更好地理解全球其他陆架边缘海系统具有重要的借鉴意义。     

艾比湖湿地季节性冻融土壤温室气体排放规律研究

利用静态箱–气象色谱法对2015年11月—2016年3月艾比湖湿地季节性冻融期土壤温室气体进行观测. 结果表明:季节性冻融期裸地土壤CO₂表现为汇、芦苇和柽柳土壤CO₂表现为源;芦苇、柽柳和裸地土壤CH₄表现为汇,而N₂O表现为源;芦苇、柽柳和裸地土壤温室气体最低值均出现在冻结期（11月—次年2月）且为负通量;不同植被类型下土壤CO₂在融化期（3月末）出现排放峰值,而土壤CH₄和N₂O在冻融交替期(3月初)出现排放峰值;在整个观测期,芦苇和柽柳土壤CO₂、CH₄和N₂O排放峰值高于裸地;温度对季节性冻融期土壤CO₂和N₂O影响显著,均达到显著正相关（P<0.05）,土壤温度能解释芦苇、柽柳和裸地土壤CO₂通量的77%～88%; 土壤质量含水量对土壤CH₄和N₂O影响均达到显著正相关关系（P<0.05）,土壤质量含水量能解释芦苇、柽柳和裸地CH₄和N₂O通量的25%～46%和41%～69%. 表明在干旱区季节性冻融期,温度变化对不同植被类型下土壤CO₂影响较大,而在冻融交替期水分变化对CH₄和N₂O通量影响显著. 芦苇、柽柳和裸地土壤呼吸Q₁₀值分别为2.37,2.58和2.33,不同植被类型基于100 a尺度,土壤温室气体全球增温潜势由大到小依次为芦苇（569.67 kg·hm–2）、柽柳（152.09 kg·hm–2）、裸地（–861.50 kg·hm–2）.      

温室零浓度差CO2施肥与送风耦合法对番茄生长的影响

 CO₂匮缺与低风速是温室存在的普遍现象,即使在温室通风状态下也不例外。在温室通风时,为减少CO₂逸散、提高CO₂利用效率,采用零浓度差CO₂施肥法同时进行室内送风,并对试验温室与对照温室内番茄冠层净光合速率、CO₂利用效率、番茄冠层蒸腾速率进行调查。结果表明,当太阳辐射强度从383.5 W·m^-2增加到940.1 W·m^-2时,试验温室番茄冠层净光合速率从1.9 g·m^-2·h^-1升高到5.3 g·m^-2·h^-1,比对照温室番茄冠层净光合速率高出1.3~1.6 倍;而试验温室番茄冠层蒸腾速率从0.17kg·m^-2·h^-1升高到0.56 kg·m^-2·h^-1,比对照温室番茄冠层蒸腾速率高出1.2~1.4 倍;CO₂利用效率近似于1。研究表明,在温室通风状态下采用零浓度差CO₂施肥法同时进行室内送风是设施栽培增产的有效途径。     

树干甲烷的研究进展

在全球变暖背景下,甲烷 (CH₄) 作为陆地生态系统中仅次于CO₂的重要温室气体受到了广泛关注,其在百年时间尺度上的温室效应潜力是CO₂的28~34倍,对全球变暖的贡献占20%~30%。现有对森林生态系统CH₄的研究主要集中在土壤,但基于热带森林地表排放估算和卫星CH₄通量之间的差异报告,以及近年的研究证明了树木是森林CH₄预算的重要来源和汇。笔者综合分析了树干CH₄的来源、通量大小、影响因素及其对陆地碳预算的影响,结果发现:①树干释放出的CH₄是来自土壤或者树木心材,然后主要通过树干扩散释放到空气中;②树干CH₄的通量范围为(-37.5±18.75)~(16 937.50±6 812.50) μmol/(m²·h);③树干表面CH₄通量具有较大的时空差异性,这些差异主要来自树种、年龄、组织类型、立地特征和环境条件等;④在不考虑树干CH₄通量的前提下,森林湿地 (或木本沼泽) 生态系统的CH₄释放量部分可能被低估,而旱地或者高山森林中CH₄的吸收量部分可能被高估。树干甲烷作为陆地碳循环的“新成员”,应该被充分重视,这对于预测未来全球气候变化具有重要意义。     

田间管理措施及土壤侵蚀对农田温室气体通量的影响

针不同田间管理措施及土壤侵蚀对农田温室气体通量的影响, 应用反硝化分解模型(DNDC 模型), 选取中国科学院禹城综合试验站作为研究区域, 结合该区域的气象、土壤和田间管理措施等数据, 模拟在不同施氮量、施肥深度以及土壤侵蚀条件下的CO₂和N₂O气体通量。结果表明: DNDC模型对农田CO₂和N₂O气体通量的模拟效果较好; 施氮量从实际施氮量的0.5 倍升高到1.5 倍的过程中, N₂O排放通量从1.06 mg/(m²·d)线性地增加至2.88 mg/(m²·d), C的净固定量亦从1.38 g/(m²·d)逐渐增加至2.07 g/(m²·d), 但增加趋势逐渐变缓; 在施肥深度从5 cm变化到20 cm的过程中, N₂O排放通量从2.88 mg/(m²·d)降低至0.68 mg/(m²·d); 当施肥深度从0.2 cm升高到20 cm时, C的净固定量从1.79 g/(m²·d)逐渐升高至2.32 g/(m²·d), 但增加趋势逐渐变缓; 在土壤侵蚀的影响下, C的净固定量和N₂O的排放量分别升高11%和4%。研究结果可为国家温室气体通量清单的编制及相关管理政策的制定提供参考依据。     

养分添加对青藏高原高寒草甸丛枝菌根真菌的影响

基于海北站的养分添加实验平台探讨养分输入对青藏高原高寒草甸丛枝菌根真菌(AMF)的影响。实验处理包括: 1) 对照; 2) 10 gN/(m²•a)的氮添加; 3) 5 gP/(m²•a)的磷添加; 4) 10 gK/(m²•a)的钾添加。利用醋酸墨水染色法定量分析各处理下植物根系的AMF侵染率。结果表明, 氮添加使总的AMF侵染率显著减少27%, 但对AMF的丛枝丰度和囊泡多度无显著影响; 磷添加和钾添加对AMF均无显著影响, 但是磷添加使AMF侵染率有降低趋势。可以得到, 不同养分添加对高寒草甸植物与AMF的共生关系具有不同影响, 由此可能会引起物种组成等一系列的变化, 影响生态系统结构和功能, 因此在评估养分添加效应时应该考虑其对AMF的影响。     

阿尔金山自然保护区植物物种多样性分析

我国西北羌塘高原的阿尔金山自然保护区,计有种子植物２６０种,隶属于３１科、１０８属。在区系组成上,以北温带成分占绝对优势,华夏成分占显著地位;组成群落的优势植物为青藏高原或青藏高原—帕米尔—亚洲中部高山成分,且为适应高原隆起发展起来的年轻成分。该保护区由于地处极端的高寒位置,故蕴育出了耐高寒、抗干旱及抗紫外线的饲用植物、药用植物、花卉及谷类作物野生近缘种等极端环境植物资源。     

洪泽湖河湖交汇区典型杨树人工林碳通量月尺度变化特征

【目的】揭示洪泽湖水位夏低冬高的独特水文特点对河湖交汇区杨树人工林净生态系统碳交换(NEE,简称碳通量)产生的影响。【方法】采用涡度相关及土壤水热监测系统,对洪泽湖湿地河湖交汇区典型杨树人工林碳通量及其环境因子进行了连续3 a(2016—2018年)的观测,分析月尺度上碳通量变化及其与环境因子的关系。【结果】①洪泽湖河湖交汇区杨树人工林的NEE值具有明显“V”形变化曲线,白天表现为碳吸收,夜间表现为碳释放,日均碳汇时间为10 h;②研究期间各旬NEE值在2018年的2月上旬最高(7.117 g/m²),最低值出现在2017年的7月中旬(-212.256 g/m²);3年间年均NEE值为-1 413.403 g/m²;③在洪泽湖开闸时期(5—8月)水位低,土壤含水率和风速是影响NEE的主要因素,关闸时期(9月至翌年4月)水位高,NEE主要受空气温度和饱和水汽压差影响。【结论】夏季对洪泽湖开闸放水,有利于河湖交汇区杨树生长及碳汇增加,冬季蓄水地下水位抬高,对杨树生长产生的不利影响可以通过开沟筑垄来消除,进而有利于区域杨树人工林全年碳汇功能的提升。     

林业碳汇提升的主要原理和途径

降低大气CO₂含量、缓解气候变暖,已成为当今科学界和国际社会广泛关注的前沿热点问题。林业碳汇作为基于自然解决方案实现“碳达峰、碳中和”的一个重要途径,在应对全球气候变化方面发挥着基础性、战略性、独特的作用。林业碳汇不仅是森林碳汇,林产品碳汇也起着不可忽视的重要作用。林业碳汇潜力提升是一个森林生态系统净碳收支平衡和全产业链林产品碳汇的调控过程,主要包括无机碳的植物固定(光合过程、净生产力等)、土壤有机碳的周转与固定(动植物和微生物残体分解与黏土固定)、林产品碳的固持(林产品产量、木材转换效率、种类和使用寿命等)等3方面的调控原理。笔者从森林碳汇和林产品碳汇两个维度阐述了提升林业碳汇的主要原理、方法或途径。提升林业碳汇潜力的主要途径包括:①通过适地适树、适钙适树人工造林,以增加森林面积;②以完善森林经营措施来增加森林净生产力;③利用矿质黏土对有机碳的保护来增加森林土壤碳汇;④提升林产品产量和改进林产品用途以增加其寿命。在全球尺度上,增加森林面积或提高森林净生产力3.4%,或用可再生能源替换薪炭木材,再将薪炭木材用于制造锯材和人造板,都可以连续30 a每年增加1 Pg的碳汇量。减少全球森林火灾面积1/4或增加森林土壤有机碳含量0.23%,也可以增加碳汇1 Pg。此外,林业固碳还有巨大潜力可以挖掘。     

设施农业增施CO2利用效率的影响因素及调控策略

 为提高设施农业增施CO₂的利用效率和经济效益,减少CO₂的逸散损失,降低成本,本研究以增施CO₂利用效率计算方法为基础,分析了增施CO₂利用效率的可能影响因素,探讨了提高CO₂施肥经济效益的有效技术与方法。分析表明,影响增施CO₂利用效率的主要因素为设施的换气次数、设施内外CO₂浓度差和植物的光合能力。因此,在进行CO₂施肥时,应综合考虑植物种类、生育阶段、栽培条件及其他环境要素等条件,选择适宜的CO₂增施方法、施肥浓度和施肥时间。