岩溶湖库生产力的溶解无机碳施肥及碳增汇和富营养化缓解效应

内陆水体在全球碳循环中的作用日益受到关注,特别是喀斯特地表水体与水生光合作用有关的生物泵(biological pump, BP)将溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)转化为有机碳沉积,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的关键.富营养化作为BP的特殊阶段,是地表水环境面临的主要环境问题之一.然而,通常认为富营养化的控制元素是磷(P)和氮(N),而BP的控制元素还包括碳(C),如喀斯特湖库尽管DIC浓度高,但其碱性环境使得水中的CO₂ 很低,因此BP效率受到C限制.同时BP产生的碳酸钙促进了水中P的共沉淀,缓解了水体向蓝藻型富营养化的发展,可能促成水质安全和水体碳增汇的双赢.未来需通过对不同气候(温度、降水差异)、不同土地利用(N-P营养输入差异)和不同岩性(碳酸盐岩-硅酸盐岩风化产生pH和DIC差异)条件下的喀斯特地表水体BP的DIC施肥及其碳增汇和富营养化缓解效应进行系统研究,重点揭示以下关键科学问题:(1) DIC对BP施肥的机制及控制因素;(2)水体C:N:P:Si与浮游-沉水植物群落结构/组成的耦合关系及机制;(3) DI...     

岩石风化碳汇研究的最新进展和展望

自气候变化的岩石风化控制学说提出至今,学界普遍认为,是硅酸盐的化学风化碳汇作用在控制着长时间尺度的气候变化,而在短时间尺度上硅酸盐风化碳汇与碳酸盐风化碳汇也是旗鼓相当的.然而,最新的研究发现,碳酸盐溶解的快速动力学和硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制该流域溶解无机碳(DIC)浓度和碳汇上的重要性,使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94%,而硅酸盐风化仅占6%左右.另一方面,水生光合生物对DIC的利用及其形成的有机质(内源有机碳)的埋藏,使得碳酸盐风化碳汇在任何时间尺度气候变化的控制上可能都是重要的.此外,岩石风化碳汇研究的另一重要进展是发现了碳汇随全球变暖和土地利用变化显著增加,即形成了气候变化的负反馈机制.未来应通过岩石风化碳捕获和储存过程及其控制机理的进一步研究,揭示岩石风化碳汇过程及其气候和土地利用调控潜力,以服务于各国应对气候变化的国家政策制定.重点研究:①岩石风化碳汇过程及其物理、化学和生物控制机理;②硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制流域DIC浓度及其碳汇上的重要性;③陆地水生光合生物利用DIC产生内源有机碳的效率;④气候变化和土地利用调控岩石风化碳汇的潜力.     

玄武岩风化是重要的碳汇机制吗?

在全球碳循环的研究中,硅酸盐化学风化被认为是大气CO_2的一个重要汇.自1996年Gislason开展对冰岛玄武岩(硅酸盐岩的一种)风化碳汇的研究以来,玄武岩风化引起的"大气"CO_2高消耗更成为研究热点.在对相关文献进行全面系统梳理的基础上,发现玄武岩流域的所谓"大气"CO_2高消耗(碳汇)可能与下述原因有关:(1)碳通量较高的玄武岩研究区多位于热带或洋岛-岛弧地区,该区雨量充沛,河流径流量大,进而造成碳通量较大;(2)硅酸盐岩流域高的溶解无机碳(DIC)浓度并非来自硅酸盐矿物的风化,而是来自广泛分布在硅酸岩中的痕量碳酸盐矿物的快速风化,而这应该归为碳酸盐风化对岩石风化碳通量的贡献;(3)外源酸溶解痕量碳酸盐矿物,贡献HCO_3~-,但并未构成大气碳汇;(4)玄武岩流域中参与岩石风化的CO_2并非全部来自大气和土壤,其中一部分可能来自深源CO_2,而深源CO_2参与形成的DIC不仅不能归为大气碳汇,反而是碳源.由此可见玄武岩风化是否是一个重要的碳汇机制值得进一步研究厘定.     

陆海统筹研发碳汇

人类活动引起的大气CO_2浓度增加正在加剧全球气候变化,因而全球碳循环和碳汇研究广受关注,它不仅是科学问题,也是关乎经济和社会发展的问题.碳汇研究涉及大气、陆地、海洋等各圈层.陆地向海洋输出的碳通量,与陆-气界面、海-气界面相当;但大部分陆地上形成的有机碳,在输入河流和近海时发生了改变,不仅无法形成碳汇,反而引发河口碳源效应.因此,系统开展陆海统筹协同研究,对于全面认识碳汇形成过程与调控机制十分必要.新近提出的"微型生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)"理论为开展陆海统筹研发碳汇奠定了基础,可望以MCP为突破口,通过学科交叉研究和"产、学、研、政、用"结合,实现协同创新,为发展低碳经济提供科技支撑.     

古生代-中生代之交海洋生物泵演变与浮游革命

探究深时海洋生物泵的演变,对理解现代海洋碳循环的过程和机制有重要启示意义.显生宙海洋生物泵主要包括两种类型:古生代型(古生代-中三叠世)和现代型(晚三叠世-现代).古生代型生物泵以浅海底栖藻类和浮游疑源类为主导,现代型由远洋超微浮游生物主导.此外,在二叠纪-三叠纪之交大灭绝这一特殊地质历史时期,由于古生代型的海洋生物泵遭到摧毁,海洋的碳循环被扰乱,海洋中短暂出现了由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊生物泵.化石记录表明,浮游藻类(颗石藻和沟鞭藻)在晚三叠世起源并在侏罗纪快速辐射,促进了现代型远洋浮游生态系统的建立,即“中生代海洋浮游革命”.这被认为是中生代海洋化学革命的关键驱动因素,同时也驱动了海洋底栖生态系统的重组(中生代海洋动物革命).浮游藻类的繁盛增强了远洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力,提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力.因此,关键海洋生产者的起源、演化及控制因素是深时碳循环领域未来需要重点研究的科学问题.     

古生代-中生代之交海洋生物泵演变与浮游革命

探究深时海洋生物泵的演变,对理解现代海洋碳循环的过程和机制有重要启示意义.显生宙海洋生物泵主要包括两种类型:古生代型(古生代-中三叠世)和现代型(晚三叠世-现代).古生代型生物泵以浅海底栖藻类和浮游疑源类为主导,现代型由远洋超微浮游生物主导.此外,在二叠纪-三叠纪之交大灭绝这一特殊地质历史时期,由于古生代型的海洋生物泵遭到摧毁,海洋的碳循环被扰乱,海洋中短暂出现了由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊生物泵.化石记录表明,浮游藻类(颗石藻和沟鞭藻)在晚三叠世起源并在侏罗纪快速辐射,促进了现代型远洋浮游生态系统的建立,即“中生代海洋浮游革命”.这被认为是中生代海洋化学革命的关键驱动因素,同时也驱动了海洋底栖生态系统的重组(中生代海洋动物革命).浮游藻类的繁盛增强了远洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力,提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力.因此,关键海洋生产者的起源、演化及控制因素是深时碳循环领域未来需要重点研究的科学问题.     

北极快速变化对北冰洋碳汇机制和过程的影响

北冰洋是全球海洋碳循环研究的关键地区之一,其独特的地理位置决定了它是开展海陆统筹研究碳汇的一个绝佳的场所:地形相对封闭,边缘有世界上最大的陆架区,外围有广袤的陆地冻土层和大河输入.近年来,由于全球变暖、海冰消退、北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地和生物等多圈层相互作用过程的改变,已经对北极地区碳的源、汇效应产生了深刻影响.这种变化不仅体现在由于陆地冻土圈变化所引起的甲烷和二氧化碳释放,而且,随之而来的海水层化、混合和环流变化,陆源有机碳和营养物质入海通量的增加,改变了海洋二氧化碳"物理泵"、"生物泵"和"微型生物碳泵"作用的强度、方式,以及海洋原有的海洋碳储库构成,很可能会对全球海陆碳源汇格局产生重要影响.本文主要从北极快速变化所引起的海洋生物泵过程和陆地碳输入的变化来讨论全球变暖对沉积碳埋藏的影响.     

岩溶生态系统中微生物对岩溶作用影响的认识

从土壤及岩生微生物影响岩溶作用的速度和微生物捕获CO₂ 及诱导碳酸盐形成等方面分析了岩溶生态系统中微生物对岩溶作用的影响, 指出岩溶作用的速度和碳汇稳定性以及岩溶地区的碳循环与微生物有密切关联. 提出需要结合不同生态环境来定量研究自然条件下微生物对岩溶作用的影响, 以揭示生物对环境变迁的响应及其与岩溶效应之间的关系.     

中国陆地生态系统土壤呼吸的时空变异研究取得新进展

土壤呼吸(即土壤CO2排放)是碳循环中一个重要过程,在全球尺度上,土壤呼吸量仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值,是陆地生态系统第二大碳通量过程.准确估算中国陆地生态系统土壤呼吸量对于研究碳循环过程具有重要意义.以往的估算研究中,年土壤呼吸量值存在较大不确定性,最高与最低值之间相差约每年1×1015克碳,并且关于其年际间变异规律及其与气候因子关系的研究尚     

我国旱作农业黍、粟植硅体碳封存潜力估算

植硅体是植物在生长过程中沉淀在细胞内的非晶质二氧化硅矿物,在其沉淀过程中能够封存部分植物细胞的有机碳,植物死亡、腐烂、燃烧后,植硅体及其封存碳会被长期保存于土壤或沉积物中,而这一部分碳封存量在陆地生态系统碳循环研究中一直没有得到计算.黍、粟是我国北方新石器时代以来典型的旱作农作物,是研究人类活动影响陆地碳循环平衡的重要材料,通过湿式灰化法提取8种现代黍、粟植硅体并对其植硅体封存的碳含量进行测定,计算了粟、黍干物质产量、植硅体产量及碳封存量,结果表明:(1)黍和粟的植硅体碳含量分别占其干物质量的0.136%±0.070%和0.129%±0.085%;(2)根据黍和粟近10年平均粮食产量计算,中国的黍和粟植硅体碳封存速率平均值分别为0.020±0.010和0.023±0.015tCO2hm-2a-1,以粟植硅体的高碳封存速率0.038tCO2hm-2a-1以及目前全国的旱作农业62.4×106hm2的种植规模计算,每年将通过旱作植硅体封存约2.37×106tCO2;(3)1949～2008年间,尽管我国粟种植面积和产量逐年减少,仅粟植硅体累积封存了约7×106tCO2.植硅体碳有可能是生物地球化学循环中丢失碳汇的...     

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.     

海洋生物碳泵的地质演化:微生物的碳汇作用

包括生物泵(biological pump, BP)和微型生物碳泵(microbial carbon pump, MCP)在内的海洋生物碳泵,是海洋生态系统通过碳循环调节地球环境变化的关键途径之一,对宜居地球起到增氧、减碳和降温等方面的作用.总体上,人们对地质时期海洋生物碳泵了解得很少,基本是粗线条的框架性认识.生物经历了从原核生物到藻类再到多细胞动物的演化,生态系统也经历了从扁平到立体的大革新.生物圈的这些变化导致海洋生物碳泵出现阶段性的演化.总体缺氧的太古宙海洋主要以单细胞微生物为主,合成有机质的微生物个体很难沉降,但能够在海洋里形成大量的惰性溶解有机碳(recalcitrant dissolved organic carbon, RDOC), MCP的贡献比较大,而BP相对较弱.藻类在元古宙起源而加入了生物碳泵,因细胞变大而增强了BP的作用,但MCP的作用也大,在晚新元古代形成大型溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)库.在整体氧化的显生宙海洋,多细胞动物虽不能固碳但却加强了BP作用.生物的这些演化导致BP的效率不断提高,使得海洋对碳循环的缓冲作...     

2001～2010年中国陆地生态系统碳收支的初步评估

<正>定量评估陆地生态系统的碳收支现状是实施区域碳汇管理、减缓气候变化行动计划的基础.因此,定量研究全球以及不同国别的陆地生态系统生产力及其在各种碳库或生态学过程中的利用与分配规律,评估陆地生态系统碳源/汇强度的空间格局和动态变化,不仅是生态系统与全球变化科学研究的重要内容,也是履行《联合国气候变化框架公约》、增强全球和国别温室气体管理的重大科技需求.     

岩粉施加对水稻生态系统植硅体碳的增汇作用

<正>植硅体态碳(phytolith-occluded organic carbon,Phyt OC),在植硅体的坚硬外壳"保护"下,可以长时间地保存在一些土壤和沉积物中,作为一种相对稳定和"安全"的长期有效的生物固碳机制,在全球农业生态系统碳汇和气候变化中有着重要的作用,目前已经引起了越来越多科学家的关注.如何加强和提高农业生态系统中植硅体碳汇潜力是目前研究的热点和重点.Li等人研究发现水稻植株植硅体态碳产生量,不仅与其植硅体占干物质的量有关,也与植硅体封存有机碳     

生态气象:起源、概念和展望

生态气象是应人类面临的生存环境危机而兴起的地球系统科学新兴学科,已经成为大气科学的二级学科.本文阐述了生态气象的学科起源、概念、主要研究内容与特征,指出生态气象是研究生态系统与气象条件之间相互关系的科学,是地球系统多圈层相互作用的核心,服务于人与自然和谐发展;探讨了生态气象观测的主要指标与可能的业务服务产品;阐释了生态气象研究与生态文明气象保障、气象防灾减灾和应对气候变化的关系;指出当前生态气象迫切需要开展的重点研究任务:(1)生态气象长期观测联网研究;(2)基于大数据与人工智能的生态气象信息提取与分析技术;(3)生态系统对气候变化的适应性及其变化归因;(4)生态系统主要气象灾变机制及其致灾临界气象条件;(5)陆地生态系统关键物候期对多环境要素响应的生理生态机制与模拟模型研究;(6)耦合生物-物理-化学-管理过程的生态气象数值模式研发;(7)陆地生态系统变化对气候系统的反馈作用与可持续发展对策研究.     

化能自养微生物的固碳功能及人工调控策略

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分,也是控制碳排放的有效方法.在海洋深处、水体沉积物、地表土壤甚至极端环境中,化能自养微生物可通过硫化物、氨、氢气等还原性物质的氧化获取化学能固定无机碳.诸多研究表明化能自养微生物的固碳功能对吸收大气、海洋、湿地、土壤和极端环境中的CO₂具有重要作用,特别是对深海、湖泊深层等无光环境以及深海热液区等极端生境中初级生产的重要贡献.然而,目前区域生态系统碳汇核算模型的建立普遍忽视了化能自养微生物类群及固碳潜能,低估自然生态系统实际碳汇能力.本文基于化能自养微生物固碳研究的现状,阐述了化能自养微生物在不同生态系统中的固碳潜能,介绍了参与化能自养固碳过程的主要微生物类群的代谢特征及固碳途径,重点分析了基于固碳途径和能量代谢提升自养微生物固碳效率的人工调控策略及应用进展.最后,本文对区域生态系统化能自养微生物碳汇功能的精准量化、开发人工增汇技术等未来研究方向进行了展望,为认识和调控化能自养微生物驱动的自然碳汇过程,助力实现“双碳”战略目标提供参考.     

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.     

河蚬壳体δ~(13)C:由水体溶解无机碳重建过去环境变化的代用指标

溶解无机碳(DIC)是陆地生态系统水体重要的组成物质.其含量、组成以及碳的来源决定于汇水区域环境条件和流域水体碳循环特征.如果能够反演水体DIC的地球化学特征,则可以为重建过去环境变化提供一条新途径.河蚬是陆地生态系统水体中广泛分布的底栖双壳类动物,其壳体由碳酸盐矿物构成,是软体在生长过程中依次分泌的结果,因而具有DIC代用指标的潜质.通过对中国西江流域河蚬壳体及其环境水体DIC的分析,发现了二者碳同位素组成之间显著的相关关系(P0.01,r=0.63),表明河蚬壳体碳同位素组成的变化记录环境水体DIC的相应变化,其时间分辨率很容易达到季节变化的水平.新陈代谢作用虽然使壳体的碳同位素组成平均低于水体DIC同位素组成1.4‰,但整体上并未改变壳体与水体DIC同位素组成变化的相关性.分水岭地区小溪流DIC同位素组成在时间上变化较大,因而对壳体样品选取的空间分辨率要求较高,不宜作为代用指标的首选.该结果为利用湖泊滨岸和/或河流阶地沉积物中河蚬化石的分析重建流域过去环境变化和碳循环提供了科学基础和技术途径.     

温带森林土壤浸提液和渗漏液中溶解性有机碳降解及其与紫外吸收的关系

森林地表溶解性有机碳(DOC)含量及其生物可降解性影响到表层土壤异养呼吸碳排放和矿质层土壤碳素蓄积.研究森林生态系统不同来源的DOC动态及其稳定性对于正确认识森林土壤碳循环关键过程以及对全球变化的适应和响应均有重要意义.由于     

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...