森林土壤碳库研究方法进展
土壤碳库现状调查报告
土壤碳库现状调查报告根据最新的土壤碳库现状调查,以下是700字的报告:土壤碳库是指地球表层土壤中储存的有机碳和无机碳的总和。
土壤碳库对于全球碳循环和气候变化具有重要影响。
为了评估土壤碳库的现状,我们进行了广泛的调查和研究。
首先,我们调查了不同地区的土壤有机碳含量。
结果显示,不同地区的土壤有机碳含量差异很大。
一般来说,农田土壤的有机碳含量较低,而自然生态系统(如森林和湿地)的土壤有机碳含量较高。
这主要是由于农田常见的耕作和施肥措施会导致土壤有机碳流失。
因此,我们提倡采用可持续农业的方法,如有机农业和精确施肥,以增加农田土壤的有机碳含量。
其次,我们研究了土壤有机碳的空间分布。
结果显示,土壤有机碳的空间分布具有很大的变异性。
土壤有机碳含量与土壤类型、地形、植被类型等因素密切相关。
例如,山地土壤的有机碳含量通常较高,而平原地区的有机碳含量较低。
这是因为山地土壤具有更高的有机质输入速率,而平原地区受到水分淋溶和土壤侵蚀的影响较大。
因此,在土壤管理方面,我们需要根据不同的地域特点采取措施,以保护和增加土壤有机碳含量。
最后,我们评估了人类活动对土壤碳库的影响。
研究表明,人类活动对土壤碳库的影响非常显著。
除了农田管理,城市化和工业化也导致了大量的土地开垦和污染,进一步减少了土壤有机碳含量。
因此,我们需要加强土壤保护和恢复措施,防止土地退化和土壤有机碳流失。
总之,土壤碳库的现状调查表明,土壤碳库的管理和保护对于减缓气候变化和实现可持续发展非常重要。
我们需要采取措施增加土壤有机碳含量,特别是在农田和受人类活动影响的地区。
此外,我们还需要加强土壤保护和恢复,以保护土壤碳库免受人类活动的破坏。
亚热带森林生态系统土壤有机碳循环研究进展
维普资讯
第2 3卷
刘桂林等 : 亚热带森林 生态系统土壤有机碳循环研究进展
・2 5 ・ 3
包 括化 学组成 、 体 的位 置及 大小 , 残 外界 因素 包 括气 候 因 素 、 壤温 度 和 湿 度 等 。土 壤有 机 碳 土
的增加包括腐质化、 形成团聚体和沉积 的过程 , 减少 的过程包括侵蚀 、 分解 、 挥发和淋溶 的过
明了 制 约 森林 土 壤 有 机 碳 存 量 及 状 态 的 内 、 在 因 素 。 外
关键词 : 亚热带 ; 森林生态系统 ; 有机碳库 ; 碳循环 ; 土壤有机质模 型 中图分类号 : S 5 . 14 1 文献标识码 : A
森林 是 全球碳 循环 的重 要组 成部分 , 吸储 C 2等 温 室气 体 , 持 大气 中 C 2平 衡 方 面 在 O 维 O 做 出了重要 贡献 。森林 植 被储存 的碳 占全球 陆 地生态 系统 总碳 储 量 的 9 % … , 一 座 巨大 的 0 是 天然碳 库 , 被誉 为 “ 球 之 肺 ” 地 。大量 研 究 表 明 : 林 破 坏 已 经 成 为 继 化 石 燃 料 之 后 大 气 中 森 C 2浓度增 加 的第二 大来 源 J O 。森林 生态 系统作 为 陆地 生 物 圈 的主体 , 仅本 身维 持 着大 量 不 的碳库 ( 占全球 植 被碳库 的 8 % 以上 ) 同时也维 持 着 巨大 的土 壤碳 库 ( 占全 球 土壤 碳 库 约 6 , 约 的 7 % ]因而 , 3 3, 森林 生态 系统 土壤碳 平 衡是 全球碳 循环 中极 为重 要 的组 分 , 全球 碳 平衡 中 在
壤上层 l 内 的有机 碳 含 量 为 12 G ( 吨 ) 相 当于 现 存 生 物量 ( m 20 t兆 , 自然 植 被 和 作 物 ) 15 的 . 倍; 在亚热带广泛分布的深层土壤中,m以下有机碳的储量达 5G - 。 1 0 t8 ]
森林土壤固碳机理研究进展
摘要 :全球碳平衡 中 ,土壤有机碳储量为 2 000 Pg,植被碳储量 500 Pg,大气碳储量 785 Pg,土壤 中有机碳变化是影响大气
温室气体含量 的重要 因素 。中国人工林总量世界第一 ,可以通过造林树种 的选 择 ,增加森林土壤 的碳汇功能 ,它主要机.矿物复合体 的形成 、持久性封存 的深层碳 的增 加 、耐分解有机物成份 的积累 、以及土壤 团
聚体结构 中碳 的物理性保护 。中国近年来对木材 的需求上升 ,导致大量短轮伐 期人 工林 的种植 ,采伐 、火烧炼山 、施肥与整
地等营林措施对土壤碳汇功能形成重大影 响。因而 ,通过加强对 中国人 工林 土壤 固碳 机理 的研究 ,通过人为措施实现具有较
强 固碳能力 的森林类型 ,从 而提高人工森林生态系统的 固碳能力 ,它对 中国减排增 汇战略具有 重要 意义 ,而加强对不同营林
1 人 工 林 影 响 土 壤 碳 汇 功 能 的 主 要 机 理
1.1 稳 定性 有机 一矿 物复合 体 的形成 有 机 .矿 物 复合 体 的碳 被认 为是 最 为稳 定 的类
基金 项 目: 国家 自然 科 学基 金 项 目 (30870442);国家 自然科 学 基金 委一 广东 省联 合 基 金项 目(U1131001);国家 重点 基 础研 究 发展 计 划专 题 (201 1CB403204);中 国科 学 院 战略性 先导 科技 专项 (XDA05050000)
土壤碳库及其变化研究进展
致 的土 壤 碳 平 衡 遭 到 破 坏 也是 土 壤 碳 库 亏 缺 与 大 气 C 。浓 O 度 升 高 的主 要 原 因 之一 。工 业 化 进 程 15 - 19 80 9 0年 , 土 地 因 利 用 方 式 变 化 C 排 放 量 持续 增 加 。2 纪 初 期 , O 0世 土地 利 用 方 式 改 变 而 致 的 C 年 均 排放 量 为 0 5— . g 至 2 O . 0 7P , 0世 纪 9 代 , 均 排 放 量 超 过 2瞻 … 。 工 业 化 进 程 从 15 O年 年 80年 至 20 00年 , 地 利 用 方 式 的 改 变致 使 陆地 生 态 系 统 碳 库 亏 缺 大 土 约 为 20P , 壤 碳 库 亏 缺 为 16P , 0 g土 5 g 土壤 释放 到 大 气碳 库 的 C 当于 人 类 活 动 引起 的总 排 放 量 的 13l 。 O相 /_ _
1 2 土壤 碳 固定 .
已成 为当务之急 , 并成为许 多重要 国际会 议的 中心议题 。作 为国际社会控制大气 C O 浓度努力 的一部分 , 京都 议定书 的 签字 国要求建立其碳库清单 及评估其碳库 变化 , 包括与地
面有 关 的 碳 源 与碳 汇 , 土 壤 碳 库 储 量 统 计 及 其 变 化 研 究 成 对 为全 球 变 化 究 中 的一 个 重 要 组 成部 分 。
对 全 球 温 室效 应 的 关 注 , 循 环 研 究 成 为 全 球 气 候 变 化 碳 和可 持 续 发展 研 究 的核 心 问题 之一 。全 球 气 候 变 化 主要 表 现 为全 球 变 暖 、 雨 事 件 增 加 、 旱 事 件 增 加 、 量 增 加 等 气 候 暴 干 云 变 化 。全 球 气 候 变 化 的 主要 原 因是 大 气 中 C 浓 度 的增 加 , O 全 球 工业 化 15 - 20 80 0 0年 来 , 气 C 浓 度 已经 发 生 剧 烈 变 大 O 化, 当前 浓 度 为 3 0 I L 达 到 数 千 年 来 的 最 高 值 , 工 业 化 7 / , 与 之 前 相 比增 加 3 % 以上 , 0 当前 浓 度 年增 加 速 率 约 为 15 L L . /
土壤有机碳组分化学测定方法及碳指数研究进展
1、基于生物标志物的碳指数研 究
生物标志物是一种能指示生物、环境和地质过程的有机化合物。通过分析土壤 中生物标志物的种类和丰度,可以帮助我们更好地理解和评估土壤有机碳的组 成和稳定性。例如,烷基正构烷烃(ALA)和正构烷酸(PCOA)是两种常见的 生物标志物,它们在土壤中的含量可以用来指示有机碳的稳定性和分解程度。
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土壤有机碳组分化学测定方法 及碳指数研究进展
目录
01 一、土壤有机碳的化 学测定方法
03 参考内容
02 二、碳指数研究进展
土壤有机碳(SOC)是全球碳循环过程中的重要组成部分,其含量及稳定性对 土壤质量、农业可持续发展以及气候变化有着深远影响。对土壤有机碳的测定 和了解,不仅有助于农业生产的管理,也有助于我们对全球气候变化的理解和 应对。本次演示将重点讨论土壤有机碳的化学测定方法和碳指数的研究进展。
2、生物学方法
生物学方法是通过测量有机碳的微生物分解速率来测定土壤活性有机碳库的方 法。该方法通常使用稳定性同位素标记技术(如13C标记),将标记的有机碳 添加到土壤中,然后通过测量标记碳的分解速率来估算土壤活性有机碳库的含 量。生物学方法的优点是可以直接测量有机碳的周转,有助于理解土壤生态系 统的碳循环过程。但是,该方法操作复杂、成本较高,且需要使用特殊设备和 技术。
总结
本次演示对土壤有机碳的化学测定方法和碳指数研究进展进行了简要讨论。尽 管我们已经取得了一些进展,但土壤有机碳的研究仍然面临许多挑战,如不同 土地利用类型和气候条件下SOC动态变化的差异、SOC与其他环境因素相互作 用的关系等。
未来,我们需要进一步整合多学科的方法和技术,包括化学、生物学、地球科 学、环境科学等,以推动我们对土壤有机碳及全球气候变化问题的理解和应对。
森林土壤碳循环与碳库研究
森林土壤碳循环与碳库研究随着全球变化和人类活动的不断加剧,碳循环逐渐引起了世界各地科学家的广泛关注。
在这个过程中,森林土壤碳循环和碳库的研究变得越来越重要。
本文就是要探究森林土壤碳循环的相关问题,同时介绍一下碳库的研究成果。
1. 森林土壤碳循环的基本概念森林土壤碳循环是一个复杂的过程,它包括植物、土壤微生物和环境等方面。
在整个过程中,植物通过光合作用吸收二氧化碳,并将其转化为有机物。
同时,土壤微生物也会分解有机物,将其释放成二氧化碳。
由此可见,森林土壤碳循环是一个天然的碳交换过程,通过它,大量的碳得到了储存和释放。
2. 森林土壤碳库的研究现状近年来,科学家们对森林土壤碳库进行了深入的研究。
他们通过野外观测、实验和模型等手段,对森林土壤碳库的组成、存储和流动等方面进行了分析。
首先,科学家们发现土壤中的碳储藏量非常巨大。
据统计,全球土壤中的有机碳存储量超过1500亿吨,其中30%以上储存在森林土壤中。
这说明森林土壤是一个非常重要的碳库,它对于全球碳循环的稳定具有至关重要的作用。
其次,科学家们还发现,不同类型的森林土壤中碳储藏量的差异非常大。
例如,热带和亚热带森林的土壤碳储藏量最大,而温带和寒带森林的土壤碳储藏量较少。
这些地域上的差异,与温度、湿度等气候因素有密切联系。
因此,研究不同地域的森林土壤碳库,能够为我们深入理解碳循环提供有力的支持。
最后,科学家们还探讨了人类活动对森林土壤碳库的影响。
他们发现,人类活动是导致森林土壤碳库减少的主要原因之一,如森林植被的伐木、林地的重新利用和农业活动等等,都会导致土壤碳减少,增加了大气中二氧化碳的含量。
因此,在森林资源利用和保护上,需要综合考虑碳循环的因素,制定出科学的森林资源开发和保护策略,以保证地球生态系统的平衡。
3. 森林土壤碳循环的保护为了保护森林土壤碳循环和碳库资源,科学家们提出了一系列措施。
这些措施包括:首先,保护森林的生态环境,防止砍伐和采伐损伤森林土壤。
土壤碳库的研究方法
土壤碳库的研究方法目前国内土壤碳循环的研究主要是针对特定的地区、生态系统和生物群落以及对小区域农业土壤呼吸进行了CO。
倍增的实验,这些仅仅是陆地生态系统碳循环的部分环节。
近年来我国许多学者对中国陆地土壤有机碳库的估算和空间分布开展研究工作,一些学者还特别对我国特定区域和生态群落的SOC储量进行了探索。
如对我国热带、亚热带地区土壤碳储量开展的研究工作,得出了按不同植被类型土壤等分类方式下的有机碳储量,分析了SOC在不同粒级土壤中的分布与转化(Zhao et a1.,1997);对我国主要森林生态系统的碳储量和碳平衡通量的研究,初步表明我国主要森林生态系统的碳储量为28.1lPg,其中土壤碳库21.02Pg(周玉荣等,2000)。
王绍强等(1999)利用1:400万土壤图,根据我国第一次土壤普查实测土体深度下的236个土壤剖面资料,统计出中国陆地生态系统土壤有机碳总量为100.18Pg。
之后,他(2000)又根据我国第二次土壤普查实测土体深度下的2473个典型剖面数据,估算出我国土壤有机碳库总量为92.4Pg。
解宪丽(2004)利用《中国土种志》(共六卷)和全国1:400万土壤图,估算得到中国水稻土O~lOOcm深度有机碳储量为2.9Pg,表层O~20cm为0.93Pg。
潘根兴利用《中国土种志》(共六卷)和全国第二次土壤普查时的全国水稻土统计面积,估算得到中国水稻土耕层加犁底层有机碳储量为1.3Pg,我国的土壤有机碳储量储量为50Pg(Pan et a1.,2003)。
李忠和金峰等人(2001,2000)根据我国第二次土壤普查数据,采用面积加权平均值的方法,对各土壤亚类的有机碳密度进行回归估算,统计出O~lOOcm土体的土壤有机碳贮量。
李忠(2001)利用土壤有机碳与土壤剖面深度的统计回归模型,估算出我国东北地区232×104km2土壤o~lOOcm剖面中有机碳储量为24.36Pg,占全球总储量的1.5%~1.7%;东南热带亚热带地区共94.3×104km2土壤中O~lOOcm的有机碳储量为9.35Pg,占全球热带地区总储量的1.8%~3.0%。
森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述
西北林学院学报2008,23(1):59~63Journal of N o rthw est Fo restry U niversity森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述①赵 林, 殷鸣放3, 陈晓非2, 王大奇3(1.沈阳农业大学林学院,辽宁沈阳110161;2.清原县林业局,辽宁清原113300;3.抚顺市林业局,辽宁抚顺 113006)摘 要:随着《京都议定书》的签定,碳汇造林的广泛开展,森林碳汇的计量问题也越来越受到人们的重视。
本文介绍了现今国内外普遍运用的碳汇计量方法,包括生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡旋相关法、涡度协方差法、驰豫涡旋积累法,并对这些方法的优缺点进行了分析。
最后根据我国的林业现状,对大面积的人工纯林碳汇计量的方法提出了一种全新的想法,即从树木的年龄入手研究人工林不同林龄时的碳汇储量,为评价人工林的碳储功能提供依据。
关键词:森林碳汇;碳储量计量;二氧化碳中图分类号:S718.56 文献标识码:A 文章编号:100127461(2008)0120059205Summ ary of the R esearch M ethods of Fo rest Carbon Sink A ccoun tingZHAO L i n1,Y IN M i ng-fang1,CHEN X i ao-fe i2,W ANG Da-q i3(1.S eny ang A g ricu ltu re U n iversity f orest colleg e,S heny ang,L iaon ing,110161,Ch ina;2.F orest B a reau of Q ingy uan C ity,Q ingy uan,L iaon ing113300;3.F orest B u reau of F ushun C ity F ushun,L iaon ing113006,Ch ina)Abstract:W ith the sign ing of the“Kyo to P ro toco l”and the w idely develop ing carbon converge fo restati on, m o re atlen ti on has been paid to the fo rest carbon converge m eterage.M ethods of carbon accoun ting w as in troduceds.A dvan tages and disadvan tages of these m ethods w ere discu ssed.N ew m ethod abou t large ar2 eas of artificial p u re fo rest carbon m eterage acco rding to the statu s quo of ou r Ch ina fo restry w ere pu t fo r2 w ard,i.e.,to study the carbon reserves in differen t artificial fo rests based on their ages to p rovide the basis fo r p lan tati on functi onal evaluati on of the carbon sto rage.Key words:fo rest carbon sink;carbon reserves m easu rem en t;carbon di ox ide 近些年来,大气CO2浓度上升引起的温室效应及其所带来的一系列生态环境变化已经越来越明显,解决温室效应所带来的影响已成为广大学者研究的首要目标。
最新 森林生态系统碳储量和固碳能力研究进展-精品
森林生态系统碳储量和固碳能力研究进展森林土壤是全球碳循环中一个巨大的碳汇,近一半森林植被固定的CO2,以地上或地下凋落物的形式进入土壤,形成较为稳定的SOC 库。
植被、气候、土地利用与覆被变化等自然和人为因素,不仅影响森林植物光合碳固定能力,也影响输入到土壤生态系统中有机物质的质量和数量,进而对SOC的积累和分解速率进行控制,调控土壤碳源、汇、库功能和动态[1]。
土地的不合理利用可导致森林土壤变成大的碳源,增加大气中的CO2浓度,加剧全球气候温室效应。
改造森林为农田,就会减少SOC 的来源、升高土壤微生物的活性、增加土壤碳的释放量,降低土壤碳库储量和碳汇功能。
土壤作为一个巨大的碳源,退耕还林、营建防护林等合理的土地利用方式可增加土壤SOC 储量。
[2]林业活动在减缓气候变暖的各种活动中,都表现出保护碳储存、增强碳吸收和碳替代等能力。
2 人工林碳汇功能的研究进展森林碳汇的载体是森林,对生态环境保护起到至关重要的作用,并能够有效增加森林碳汇量,得到了国际社会的承认。
据上世纪80年代初国外专家学者的研究表明,在全球碳平衡及潜在的碳储存中,作为最主要的植被类型,森林扮演着极为重要的角色,已成为与全球气候变化密切相关的重要有机体,它维持的碳库占全球总碳库的46.3%,土壤碳储量约占世界陆地土壤总碳库的73%,森林植被部分维持的碳库占全球植被碳库的77.1%。
森林通过生长从大气中吸收储存大量的CO2,其存储能力取决于森林类型、种类组成、林龄及其与人类活动的关系。
[3]近年来,由于CO2排放量的升高而影响全球气候变暖,再次引起了许多科学家对陆地生态系统中碳平衡以及碳存储和分布的关注。
为了增加陆地生态系统碳储量以达到减缓全球变暖速度的目的,利用陆地生态系统植被和土壤来积累有机碳是许多国家采取的主要措施,通过增加森林面积、提高森林质量和森林生产力这两个方面来增加森林蓄积量,从而增加森林生态系统的碳储量。
当前,能减缓全球气候变暖的一项有效措施就是营建人工林,既能改变土地的退化过程,又能增强对大气CO2的吸收。
土壤碳库及其研究进展
土壤碳库及其研究进展【摘要】土是气候变化的记录者,是陆地生态系统的核心,研究土壤碳库对正确评价土壤在陆地生态系统碳循环以及全球变化中的作用有重要意义.土壤碳循环研究是确定陆地生态系统对全球变化响应时间、方式及规模的有效方法, 是认识农、林生态系统生产潜力的重要手段。
【键词】壤; 碳库; 全球变化、生态系统碳素是植物光合作用过程中,将大量太阳辐射能转化为化学能的重要载体之一,碳素循环是指自然界中的碳素在各类生物的作用下,在有机态和无机态之间不断发生转化和循环,借以保持自然界中生态平衡的过程,土壤碳库是土壤碳循环中最重要的组成部分,研究土壤碳库对全球气候变化、生态系统都有重要的意义。
1、土壤碳库以及其储量和分布土壤碳库包括土壤有机碳库和无机碳库两部分,全球土壤有机物质(腐殖质及土壤生物量)所包含的碳素大约是陆地植物体盐类矿物),土壤圈中的这些碳源都是全球碳循环的重要组成部分。
这些碳素在陆地表面易遭受侵蚀和分解损失。
有机物质矿化过程会释放CO2,土壤有机物质以多种形式存在,包括陆地表面新鲜的、不能完全分解的有机物质,和分部在土壤整个剖面中的腐殖质,这种碳源极易受人类活动的影响而变化。
如在温带地区,近50年农业活动已经导致了土壤有机质含量降低20%~40%,其中绝大部分是CO2 的形式进入大气圈,也有少部分碳素随土壤侵蚀沉积于水圈之中。
土壤无机碳库包括土壤溶液中HCO-3、土壤空气中CO2 及土壤中淀积的CaCO3, 后者多以结核状、菌丝状存在于土壤剖面. 就量而言, 土壤无机碳以CaCO3 占绝对优势. 目前尽管已经对土壤有机碳库在全球碳循环中的地位及其随环境变化的动态演变有所认识, 但对土壤无机碳, 尤其是呈土壤发生性次生碳酸盐形式存在的无机碳研究相对较少[ 4]. 发生性碳酸盐累积的土壤主要分布在荒漠和半荒漠地区, 全球土壤碳酸盐碳库为780P gC~930PgC[ 5]1.1全球土壤碳库的储量和分布全球土壤有机物质(腐殖质及土壤生物量)所包含的碳素大约是陆地植物体盐类矿物),土壤圈中的这些碳源都是全球碳循环的重要组成部分。
森林生态系统土壤可溶性有机质(碳)影响因素研究进展
应用与环境生物学报 2009,15 ( 3 ): 390~398Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X2009-06-25DOI: 10.3724/SP.J.1145.2009.00390土壤是森林物质循环与能量流动的源和库,也是生物多样性演变的控制因素之一,一直是持续管理的关键对象,而土壤中的有机质及其活性碳组分则是林地物质循环的核心,在生态功能恢复和提高过程中起到枢纽作用. 以提高土壤生态服务功能为目标的土壤有机碳及其组分的维持、周转及其优化调控是持续管理的必然选择,因为它在陆地生态系统和全球碳循环中扮演着重要的角色. 全球约有81%的活性有机碳贮存于土壤中[1, 2]. 作为土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化,并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机态碳[3],森林土壤活性有机碳(Soil active organic matter/carbon ,SAOC)虽然只占土壤有机碳总量的较小部分,但由于它可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化,又直接参与土壤森林生态系统土壤可溶性有机质(碳)影响因素研究进展*庞学勇1, 2 包维楷1** 吴 宁1(1中国科学院成都生物研究所生态恢复重点实验室 成都 610041; 2中国科学院研究生院 北京 100049)Influence Factors of Soil Dissoluble Organic Matter (Carbon)in Forest Ecosystems: A Review*PANG Xueyong 1, 2, BAO Weikai 1** & WU Ning 1(1ECORES Lab, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610041, China)(2Graduate University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China)Abstract Soil active organic matter/carbon (SAOC) plays an important role in the biogeochemical cycle of carbon, nitrogen and phosphorus in soils. The aim of this review is to summarize the recent literature about the influence factors of soil dissoluble organic carbon (DOC) in forest ecosystems. Forest soil DOC is easily variable, and its fraction dynamic and turnover are mainly affected by biotic and abiotic factors. Biotic factors mainly include type, quantity and quality of litter and decomposer communities; and abiotic factors mainly consist of soil pH, soil temperature, soil moisture and land use. These factors are controlled by vegetation and succession process. Despite intensive research in the last decade, our knowledge of the formation and fate of soil DOC and its response to changing environmental conditions is still fragmented and often inconsistent. So, it was necessary to study the influence factors of soil DOC dynamics and put forwards the sustainable management practices. The following preferential topics are suggested for the future study on soil DOM in forest ecosystmes: (1) the relationship between various sources and sinks of DOM, and its dynamics and controlling factors; (2) the way that soil DOM fluxes in altered human-management forest ecosystems; and (3) the new analytical techniques (isotopic, or detailed characterization of DOM constituents). Ref 110Keywords soil active organic matter; soil active organic carbon; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon;mineralizable carbonCLC S714.2摘 要 土壤活性有机质在土壤碳、氮、磷等养分元素的生物地球化学循环方面起着十分重要的作用. 森林土壤活性有机碳(SAOC)库是极易变动的,其组分动态与周转速率主要受森林植被类型、演替过程以及由此造成的凋落物输入类型、数量、质量和季节与温湿度、pH 等变化的控制. 尽管在过去几十年中,关于土壤可溶性有机碳(DOC)已开展了大量的研究,但关于其形成、转移与转化速率,以及对环境变化的反应等结论仍然零散,甚至相互矛盾,因此,研究土壤DOC 动态及持续管理,必需从探讨其影响因子出发,找出其关键限制因子进行调控. 在将来的研究中,主要应集中在:(i) 各种可溶性有机质(DOM)源和汇的大小与DOC 定量变化关系,如何进行调控?(ii) 在高度人为化管理的森林生态系统中,土壤DOC 如何改变?(iii) DOC 动态及周转速率的现代研究方法探索等. 参110关键词 土壤活性有机质;土壤活性有机碳;可溶性有机碳;微生物生物量碳;矿化碳CLC S714.2收稿日期: 2008-04-23 接受日期: 2008-05-06*国家自然科学基金项目(No. 40701181)、国家“十一五”科技支撑计划项目(No. 2006BAC01A15)、中国科学院西部行动计划项目(No. KZCX2-XB2-02)、中国科学院成都生物研究所知识创新工程领域前沿项目(No. CIB-2007-LYQY-02)以及中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室和生态恢复与生物多样性保育四川省重点实验室共同资助 Supported bythe National Natural Science Foundation of China (No. 40701181), the National 11th Five-year Plan Science & Technology Pillar Program of China (No. 2006BAC01A15), the Action Plan of Chinese Academy of Sciences (CAS) for West Development of China (No. KZCX2-XB2-02), the Knowledge Innovation Program of Chengdu Institute of Biology (CIB), CAS (No.CIB-2007-LYQY-02), the Maoxian Ecological Station, CIB, CAS, and the Key Laboratory of Mountain Ecological Restoration and Bioresource Utilization, CIB, CAS, and the Ecological Restoration and Biodiversity Conservation Laboratory of Sichuan Province, China**通讯作者 Corresponding author (E-mail: baowk@)391 3 期庞学勇等:森林生态系统土壤可溶性有机质(碳)影响因素研究进展生物化学转化过程,同时,也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力[4],因而它对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义. 促进土壤活性有机质以及碳组分转化与循环,不仅能促地地球生物循环和能量流动,推动生态系统结构完善和功能优化,也能显著促进生物多样性特别是地下生物多样性发展和稳定,从而推动生态系统持续发展.目前虽然有不少关于生态系统的碳源与碳汇及其关系的研究[1, 5~13],但植被类型、土壤条件以及气候条件的时空差异,已有研究结果是复杂的,尚难以得出一致的结论. 在长江上游青藏高原东缘区相关森林的碳源与碳汇关系研究缺乏,探讨森林土壤活性碳组分动态、周转过程、速率以及影响因素及调控策略,对该区人工林持续管理具有重要意义.1 土壤可溶性有机碳定义与生态学意义随着近年来人们对全球变化的关注和对土壤有机质(Soil organic matter,SOM)的研究更加深入,20世纪70~80年代,人们从有机质的分解转化方面,对有机质分组进行了更深入的研究,提出了土壤活性有机质的概念. 到目前为止,土壤活性有机质(碳)还没有一个严格、准确的定义,许多定义均是从自己研究的目的而提出来的. 其概念的表述比较混杂,文献中常见的轻组有机碳、可溶性有机碳、水溶性有机碳、有效碳、微生物生物量碳、潜在可矿化碳、易氧化有机碳和热水提取碳等均属此范畴. 虽然SAOC是由氨基酸、简单碳水化合物、微生物生物量分子、以及其它的简单有机化合物组成[3],但一个清晰的SAOC的物理、化学定义十分困难. 我们提出SAOC的生物定义为随着微生物生长而可降解的碳,它指SAOC在化学上可降解和在物理上微生物可接近. 那些在化学上可降解但在物理上不可被微生物接近不被认为是SAOC,如被土壤团聚体内部粘粒矿物保护的那部分碳.总之,土壤活性有机质并非一种单纯的化合物,是SOM 中具有相似特性和较高有效性的那部分有机质. 它在许多土壤过程中的重要性是它能被土壤微生物有效吸收、利用和分解来决定的[14],因为这些生物降解可能产生能量和少量养分,在土壤的物理、化学和生物过程中扮演着十分重要的角色[15, 16]. 虽然它只占土壤有机碳总量的较小部分[17, 18],但由于是土壤中较为活跃的部分,对外界环境十分敏感[17],它可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化[4],又直接参与土壤生物化学转化过程[19],同时,也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力[4],因而它指示土壤碳库平衡、指示土地利用/土地覆被变化引起SOM早期变化、表征土壤肥力与质量、衡量土壤微生物生长与生物分解释放速效养分具有重要意义[20].而土壤可溶性有机碳(Dissoluble organic carbon,DOC)是陆地和水生生态系统中一类重要的、十分活跃的化学组分,它不但能促进矿物的风化,也是微生物生长和生物分解过程中重要的能量来源,而且对生态系统营养物质的有效性和流动性、污染物的毒性及其迁移特性,甚至自来水水质都有直接影响. 例如,DOC 在还原条件下产生的CH4、好气条件下产生的CO2是大气温室气体的一个重要来源,由于淋溶作用进入水体,改变了水生生态系统的平衡,DOC 中含有很大一部分酸性组分,对矿物的风化有明显促进作用, 而且丰富的DOC 含量可以导致强烈的溶蚀作用. 另外,它是土壤微生物最重要的能量与物质来源,影响到微生物的新陈代谢. 而且它对土壤营养元素(如C、N、P)和污染物的化学活性与生物活性也有直接的影响. 正是由于DOC 充当了许多微量有机或无机污染物的主要迁移载体,诸多难溶污染物,如重金属和疏水性有机污染物才得以在土壤和水环境中产生明显的迁移或扩散,陆地生态系统中DOC 通过表面径流和土壤渗滤还可能污染表面水体和地下水体. 其结果会造成水体DOC 升高和促进有机无机污染物扩散的双重污染.2 土壤可溶性有机碳影响因素研究进展2.1 土壤可溶性有机碳来源、动态及周转研究SAOC主要来源于植物凋落物、微生物生物量、土壤腐殖物质和植物根系分泌物,仅仅一小部分低分子物质能够从化学结构上被识别,如有机酸、糖、氨基酸[21],但其它的大多数是由复杂的高分子物质组成的,如腐殖物质. 而土壤DOC,从本质上讲,来自光合作用的产物,包括凋落物、根系分泌物、细根分解产物、微生物作用下分解的SOM的淋溶物质以及降水淋溶物等. 森林生态系统虽然土壤微生物生物量、根系分泌物、降水淋溶等是土壤DOC的重要来源,但目前认为新近凋落物和土壤腐质殖是森林土壤DOC主要来源.近来的研究结果证实土壤可溶性有机质(Dissoluble organic matter,DOM)周转是元素循环的主要途径,如在森林土壤中,地被物层向矿质土层总N的传输是以活性有机质中可溶性有机氮(Dissoluble organic nitrogen,DON)为优势的形式进行的[22]. Chardon等发现活性有机质中可溶性有机磷(Dissoluble organic phosphorus,DOP)是土壤下层溶液P的优势形式(在70 cm内超过总P的70%) [23],同样,Donald等也证实了在森林土壤中DOM对于P的损失和再分配的重要性[24]. 同时,土壤活性有机质是控制土壤形成演化、矿质风化,以及污染物转移的主要因素.Tipping提出潜在DOM库是以SOM的一部分存在的,不是在溶液中,而是土壤固体的一部分,在一定的土壤条件下能够转入溶液中[25]. 潜在DOM能够从植物凋落物、根系、SOM和微生物生物量补充和控制. 主要包括分解期间凋落物的物理、化学转化、凋落物物质渗漏和可溶性腐殖物质的形成,通常这些过程主要受生物过程控制. 土壤溶液实际DOM 浓度主要受非生物过程控制,如潜在DOM库解吸与扩散,但还存在一些争议[26, 27]. 因而,目前主要为非生物和生物过程控制着潜在的与实际的DOM形成. 根据土体的孔隙大小,DOM 库能够被进一步分为可移动的和不可移动的组分[16, 25],仅仅存在于大孔隙和中度孔隙中可移动的DOM组分,能够通过渗漏液进行传输. 在微小孔隙中DOM是不可移动的,且通过扩散和可移动的DOM发生作用. 实际上,DOM能够被分解或通过各种过程从溶液中去除和再次变为潜在DOM.尽管已清楚DOM对许多土壤过程十分重要,但因其形成、命运、对环境状况变化的潜在反应和土地利用信息的变异性,还十分必要对其影响因素进行全面的理解和研究. 2.2 土壤可溶性性有机碳影响因素研究SAOC的浓度和移动是有机碳输入和输出过程的净效39215 卷应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ Biol果. 如输入过程包括固态阶段的解吸附或凋落物的渗漏等过程;输出过程包括吸附和分解等. 这些过程,反过来依靠外部环境因素,如生物因素(凋落物数量、质量、类型和生物分解者等)和非生物因素(温度、降水、以及土壤的物理、化学和生物学性质等).2.2.1 生物影响因素(1) 凋落物数量凋落物数量代表了最重要的输入森林地被物层的C源[28],每年陆地总凋落物数量几乎与陆地净生产量相等,达到约60 Pg (C) a-1[29]. 然而,很少有关于凋落物数量对土壤DOC的影响研究. 考虑到生态系统内部最大的活性有机碳流动以渗漏液在森林地被物层出现[30],所以在森林地被物层中凋落物的产生与降解速率,将最终决定活性有机碳的产生速率. 一些研究发现在森林地被物层中活性有机碳的浓度季节性变化是与凋落量的输入相关[22]. 然而,Casals等并没有消除同期的高温和干湿循环对高的活性有机碳产生干扰影响[31].尽管高的DOC浓度与最大凋落物时期通常不一致[32],但是土壤DOC动态明显与新近凋落物和土壤有机物的数量是一致的. Gundersen等认为土壤DOC通量与凋落物数量有关,与立地的N水平无关,研究了全欧洲几个森林地被物质,说明了C的供应和周转速率决定了地被物层的DOC渗漏量[33]. Currie和Aber通过监测发现,相对高的DOC和CO2通量决定于高的分解速率或高的凋落物输入[34]. 在田间实验研究中,同样的研究者发现,DOC渗漏和CO2矿化是与地被物层有机物质数量呈正相关,与Tipping等的结果[35]一致,有机质含量相对高的地段DOC浓度较高. Lajtha等在美国安德鲁斯试验成熟针叶林,利用长期野外试验,发现添加木屑碎物增加了O层和30 cm层DOC浓度,但100 cm层没有变化,意味随着木屑碎物增加,土壤保持DOC速率增加.总之,凋落物数量增加和有机物含量高可能导致DOC 浓度增加,然而,这些效应的定量效果未被确定.(2) 凋落物或有机物组成其实,生态学家很早就认识到植物凋落物输入的质量和数量对土壤活性有机质积累和化学特性有影响. 然而,多数凋落物分解研究主要集中在短期凋落物损失分析,而不是集中于残留的有机物质的积累和稳定性. 一些凋落物分解通常模式已经提出,例如,凋落物中木质素和多酚含量高,可能分解就慢,且延缓N的释放[36]. 易氧化组分可能受N限制(如纤维素),因而凋落物质中N含量高,意味着可增加纤维素酶活性和早期阶段的的腐解速率[37, 38]. 随着纤维素和其它易氧化C源的消失,更多的难分解组分浓度的增加,高N含量可进一步减慢分解[37~39].然而,很少的研究表述凋落物的化学特性与可溶性有机质形成与可降解性的关系,特别是在森林土壤中. Quideau 等用13C-NMR论述了SOM化学特性明显地受地上植被的物种组成的影响[40]. 然而,并不了解是否这些化学组分差异转化为SOM周转速率的差异. Dignanc等研究了Oa和A层有机质组成的C/N比率,注意到随着N浓度的增加,在Oh层中木质素浓度降低,而在A层中却增加,因而,在矿质土中观测到N对木质素降解的负反应[41, 42]. 然而凋落物N浓度对森林地被层凋落物生物降解起控制作用,在矿质土中有机质稳定性可能更多地受土壤质地等物理参数的影响. 与此相反,Sjöberg等并没有观测到由于施N对挪威云杉林土壤主要碳结构的影响[43].同样,少数研究作了关于凋落物化学特性、DOM的产生与土壤溶液化学特性和SOM的稳定性之间的关系研究. 对来自不同凋落物源的DOM 90 d的培养试验中,Kalbitz等发现培养后芬芳化合物增加,由木质素演化而来的高分子DOM化合物部分降解,以及低分子降解产物的比例增加;经过微生物代谢过程,碳水化合物更易损失;高度可降解DOM样品变为化学组成上与相对稳定DOM样品相似[44]. 这意味着不同源的凋落物产生化学组成上明显不同的DOM,当它通过土壤微生物过程作用时,DOM组成趋于相似. Lajtha等发现DOC 浓度与DON相比,在所有的处理中随着剖面深度的增加而降低,最可能是由于在上层非亲水的DOM具有高的C:N,有优先吸附作用;非亲水的DOM百分比随着剖面深度而明显降低,亲水的DOM具有低的而且少变化的C:N比率[22].在森林植被演替过程中,由于植被类型的更替与演变,从而造成了向地被物层和土壤层输入有机物质类型、数量和化学特性发生变化[45, 46],进而引发土壤肥力和动物区系活性的变化,从而影响SAOC组分的形成与转化. 活性有机质形成、移动与转化强烈影响着生态系统中碳、氮从凋落物层向矿质土层移动和植物对养分的吸收等过程,对SOM的形成,活性有机碳经吸附或微生物同化是一个关键的步骤[46]. 而可溶性有机质的化学特性强烈地影响着生物吸收和非生物吸附等这些过程[15],例如,芬芳碳比烷基碳更强烈地吸附含水Al-和Fe-氧化物[47],非亲水性活性有机碳比亲水性活性有机碳对矿质土壤颗粒有更强烈的亲合力[48]. 同时,活性有机碳由于生物吸收引发的移动可能受渗漏液中生物可降解活性有机碳的比例影响,而这个比例在生态系统中是变化的. Qualls 和Haines发现,对于落叶松林Oa层渗漏液,迅速可降解的活性有机碳比例约为15%[49],对于北方针叶和阔叶林地Oa渗漏液,占总活性有机碳比例的10%~40%[50],在夏季有更高的比例. 在整个生态系统中,活性有机碳化学特性的差异和季节性变动可能是由于凋落物质量的差异造成,也可能是由于凋落物类型决定. 一般来说,叶和细根较木质部含有更多的养分(如N和P),13C核磁共振分析表明,叶中烷基C比细根和木质部中含量高[51],在叶中芬芳C对总有机碳的贡献时常较大[52],分解通常增加烷基C的比例,降低羟基C的比例[52]. 由于植物凋落物的分解与其化学组成关系密切,微生物分解控制着O层活性有机碳的生成[53],凋落物的类型和分解程度的差异造成了活性有机碳不同的化学特性.上述表明,我们并不清楚,随着植被的演替,造成凋落物输入数量和质量(化学特性)的变化是如何与SAOC的形成与转化相联系的. 当然也有一些研究显示排除地上凋落物输入没有引起森林地被层沥出液中DOC和DON的渗漏损失[54]. 另外,在森林采伐后,Kalbitz等发现DOC产生可能不与凋落物输入质量相关[44]. 然而这些研究是基于相对短期的研究,关于碎屑物对土壤中DOM的数量和化学组分的长期影响还不甚清楚.393 3 期庞学勇等:森林生态系统土壤可溶性有机质(碳)影响因素研究进展(3) 凋落物和有机物分解者群落在土壤中,凋落物分解者群落包括细菌、真菌、原核生物和无脊椎动物等. 其中微生物研究已经获得了广泛地关注,因为他们既是土壤活性养分库,又是有机物质分解者[55]. Møller等认为真菌是DOM产生过程中最重要的分解者[56]. 同时微生物代谢产物也是SAOC的重要组成部分,微生物量本身是潜在DOM的重要库. 例如,Yavitt和Fahey发现杀虫剂处理的DON浓度增加了10倍,认为是由于微生物细胞的死亡所致[57].酶活性也认为是影响SAOC的重要调节者,主要是通过酶活性影响凋落物和腐殖物质的降解过程[58]. 木质纤维素酶活性(Lignocellulase)被认为是凋落物物质损失的较好的预测指标之一[58]. 凋落物分解起因于胞外酶活性,这些酶分解凋落物中纤维素、半纤维素、和木质素组分. 在凋落物和木质碎屑中的酶活性是凋落物分解的重要指示者,它可能在一些生态系统中限制凋落物的分解. 然而在植被恢复过程中,酶活性与凋落物的分解很少被研究. 植被恢复可能导致微生物群落结构和功能的根本性变化[59],进而改变了微生物群落组成和凋落物的分解速率[60]. 然而,微生物群落特征的相应变化是不可预测的. Busse等发现在表土中微生物群落的恢复力(大小、活性和组成)在5~10 a采伐后随着区域气候、相联系的干扰类型等而变化[61]. 同时,恢复过程中林下植被结构和物种组成的变化,也控制着微生物特征.一些研究认为土壤动物也影响SAOC的产生与周转速率,主要是通过提高微生物生物量周转[62]与死亡后有机化合物的释放[63]. 植物凋落物为土壤中植食动物提供食物和生存环境条件,包括大量的线虫[64]. 在人工恢复的生态系统中,输入的有机物时常来源于单一的乔木树种,这与多物种并存的自然森林生态系统形成鲜明的对比,在自然生态系统中,凋落物由许多物种共同组成,由单一的乔木树种组成的人工生态系统导致了土壤生物区系的改变,如Collembola线虫的物种组成和密度等[64]. 在用凋落物和腐殖物质的渗漏试验中,采用添加和不添加土壤动物(Enchytraeid worms)和添加不同种土壤动物[65],发现动物存在的处理中增加了无机和有机C、N的渗漏速率,可能是由于动物的捕食降低了微生物固定. 根据Whalen等研究结果[63],在2~16 d的培养过程中,来自标记分解的蚯蚓N的13%~18%被转化为DON,说明来自土壤动物死亡组织的N十分显著.2.2.2 非生物影响因素 各种非生物环境因素对土壤可溶性有机质动态及周转速率的作用十分明显,这些环境因素有自然原因,也有人为原因引起的[15]. 最重要的自然环境因素如土壤性质(pH和矿物学特性)、土壤温度、降水、土壤水分及径流和季节性变化等. 人为因素主要包括土地利用与土地覆被变化引起的环境因素变化等.(1) 土壤pHpH对土壤DOC动态的影响主要是通过物理–化学过程和生物学过程来进行的. 在物理化学过程方面,pH主要是通过影响土壤溶液DOM的吸附/解吸附、沉淀/溶解、扩散、分解、络合/解络合、质子化/解质子等来进行的. 因为DOM主要是由高分子、多官能团的电解质溶液构成,它的溶解性主要依靠电荷密度[66],所以DOM的可溶性可由低pH导致的高度质子化而大大减少. 因此,功能团的质子化降低DOM的可溶性,当作用于分子内部键断开、范德华力和质子桥变得更有效时,改变空间排列位的构造. 在另一方面,含有多价阳离子和超饱和的有机复杂体的可溶性导致了DOM移动性的提高. 这些和其它机制的相互作用使pH变化的净效果很难估算[15].几乎所有的实验室研究结果表明,来自有机土层DOC与pH呈正相关[67, 68]. 与有机土层对照,盆钵和土柱实验显示,在灰化土矿质土层的固态阶段DOC移动的提高是随着pH 降低而进行的[69]. 这些结果一直归因于由于质子的竞争,金属–有机复杂体可溶性的提高. 与这些移动实验研究相对应,大多数吸附试验显示相反的结果(随着pH降低,吸附能力增强). 另外,在DOM移动数量方面,溶液酸性的变化可能影响溶液的质量,Guggenberger等报道了在灰土柱酸化处理下,非水溶性酸降低和亲水性酸增加[69].在DOM动态与生物过程方面,现主要认为是通过调控微生物代谢过程来间接影响SAOC的产生. Dai等认为SAOC 主要来源于植物有机物质,而这些主要靠微生物代谢来转换与调控[26]. 因此,pH对微生物的效果被认为是控制自然生态系统土壤DOC的关键因子. 但目前关于pH对微生物DOM产生的影响十分少. Guggenberger等通过土柱培养试验显示,DOC移动性的随着pH的降低而降低,且多数情况下伴随着C矿化的降低[69]. 然而,Cronan研究针叶林、阔叶林和混交林地原状土柱的培养试验,认为随着灌溉水的pH降低(pH≥3.5),既没有降低DOC移动,也没有降低C矿化[70]. Curtin等认为土壤pH (5.1 to 7.9)与N矿化速率也没有明显地相关,然而,通过施用Ca(OH)2人为增加土壤pH(从5.7到7.3),土壤提取液DOC、DON浓度增加,导致了高的C、N矿化速率[71]. Cronan 研究了酸沉降对渗漏液和SOM的分解的影响,他提出H+沉降增加,可能在短期增加阳离子和森林地被物层中可溶性有机组分渗漏[70]. 然而,在pH>3的酸雨中,受生物调控的有机物矿化不受酸沉降影响. Vance和David观测到土壤呼吸很少受酸的输入影响[72]. Blagodatskya和Anderson观测到真菌/细菌的比例在pH 3.0时明显高于pH6.0时的值[73],考虑到真菌对DOC释放的重要性,这些结果表明降低pH 可能导致DOM释放的增加.其实,pH对DOC动态及周转的影响时常是物理、化学和生物学过程结合的综合效应. 在实验室条件下关于DOM矿化时常不能在野外条件下得到证实,主要是因为土壤性质的空间差异和时间尺度的不同. 关于pH与土壤DOC的关系在野外条件下的研究十分少,在少数的研究中,关于酸沉降对阔叶林[74]、苏格兰松林[75]、或在泥碳灰化土溶液中[76]、挪威云杉[77],没有发现酸化对DOC浓度和移动的影响. 关于野外条件下土壤溶液DOC与pH相关性缺乏的原因之一是具体某一土壤层溶液已经与原状土壤平衡了,特别是用张力侧渗计收集土壤溶液,与重力作用梯度相反,因而可能导致存留时间增长.总之,由于物理化学性质,提高pH值,有利于森林地被物层和SOM中DOM的移动. pH对微生物DOM产生量不清楚. 从亚表层中DOM释放主要受已吸附有机质的解吸附的影响. 在高pH值时,吸附能力降低,因而DOM移动增加;在低pH值。
森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述
森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述一、本文概述随着全球气候变化的日益严重,森林作为地球上最大的碳汇之一,其在减缓气候变化中的作用日益受到关注。
森林碳汇研究,作为生态学和气候学的重要交叉领域,旨在深入理解森林生态系统对碳的吸收、储存和释放过程,以及这些过程如何受到环境和管理措施的影响。
本文旨在对森林碳汇研究的计量方法及其研究现状进行综述,以期为未来的研究提供参考和借鉴。
本文将介绍森林碳汇的基本概念和研究的重要性,阐述森林碳汇计量方法的发展历程和现状。
在此基础上,本文将重点分析现有的森林碳汇计量方法,包括直接计量法和间接计量法,以及这些方法的优缺点和适用范围。
同时,本文还将关注森林碳汇研究的前沿领域和最新进展,如遥感技术的应用、模型模拟方法的改进等。
本文将综述森林碳汇研究的主要成果和结论,包括森林碳储量的估算、森林碳汇功能的评价、森林碳汇与气候变化的关系等方面。
通过对这些研究成果的梳理和分析,可以深入了解森林碳汇研究的现状和存在的问题,为进一步的研究提供思路和方向。
本文将总结森林碳汇研究的挑战和前景,探讨未来研究的发展趋势和重点。
在全球气候变化的背景下,森林碳汇研究的重要性不言而喻。
通过不断完善和创新研究方法和技术手段,深化对森林碳汇过程的理解和管理,将为全球气候治理和生态文明建设提供有力支撑。
二、森林碳汇研究的计量方法森林碳汇的计量是评估森林生态系统碳吸收和储存能力的重要手段,其方法主要包括直接测量法和模型估算法。
直接测量法是通过实地测量森林生态系统中各组分(如树木、土壤、凋落物等)的碳含量,进而计算整个生态系统的碳汇量。
这种方法虽然准确度高,但工作量大,且受地域、气候等条件限制,难以在大范围内实施。
模型估算法则是利用数学模型,结合遥感、GIS等技术手段,对森林碳汇进行估算。
这种方法具有操作简便、适用范围广等优点,因此在森林碳汇研究中得到了广泛应用。
目前,国内外已经建立了多种森林碳汇估算模型,如生物量转换模型、蓄积量转换模型、遥感估算模型等。
森林土壤有机碳库研究进展
森林土壤有机碳库研究进展摘要:土壤是陆地生态系统中最大的碳库,土壤碳储量超过植被与大气碳储量的总和。
近年来,不同的学者就不同地区的森林土壤碳密度与碳储量、土壤碳库的在不同生态系统的分布特点以及土壤碳过程及其稳定性开展了研究。
本文对森林土壤有机碳库的研究进程进行了简要回顾,对土壤有机碳库的研究成果进行了初步的总结,以期提出新的研究方向。
关键字:森林;土壤;有机碳碳循环是生态系统物质循环,能量流动,信息传递等生态过程的基础。
大气CO2 浓度和气温升高将对陆地生态系统的碳储量和循环产生深刻影响,如影响植物光合作用产物积累、运输与分配,改变凋落物产量等,而后者的变化又可以通过影响大气中温室气体浓度来加速或减缓全球气候变化的进程。
近年来,CO2等温室气体排放及其与全球气候变化的关系已引起国际社会的广泛关注,人们针对不同的生态系统开展了大量的研究。
研究结果表明自1850 年以来,大气CO2浓度升高了近100 umolmol-1,地球表面温度升高了0. 76℃。
全球变暖以及人类生存环境的恶化已被越来越多的人所关注。
近年来,不同的学者就不同地区的土壤碳密度与碳储量、土壤碳库的在不同生态系统的分布特点以及土壤碳过程及其稳定性开展了研究。
但是由于森林生态系统的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对森林土壤碳库的储量和动态的科学估算,以及土壤关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还不是很多。
尤其是对土壤碳的管理鲜有报道。
由于人们对森林的经营活动不可避免的影响到森林生态系统的碳过程,因此在全球气候变化的背景下,应该将碳管理的理念贯彻于森林生态系统的经营活动中。
1 土壤有机碳库研究概况19世纪末到20世纪初,人们对土壤有机碳的研究主要集中在土壤有机质中含碳有机物的种类,数量及其与土壤性质与肥力之间的关系等方面。
20世纪50年代,Francis Hole在两个森林生态系统和一个草地生态系统中设立DIRT 实验研究土壤碳输入来源和速率。
森林土壤碳储量研究综述
森林土壤碳储量研究综述李敏【摘要】通过查阅大量森林生态系统土壤碳储量的文献资料,综述了森林土壤碳储量的研究进展,概述了自然和人为因素对森林土壤碳储量的影响,并分析了今后森林土壤碳的研究趋势.森林土壤碳储量的分布受地形、气候、植被类型、土壤性质等自然及人为因素的综合影响,具有显著的空间异质性特征.人为因素对森林土壤碳储量的影响具有两面性,合理的人为调控能促进森林土壤碳的积累,过度的干扰则会显著降低土壤碳储量.构建全国森林土壤生态监测网络对森林土壤碳进行长期定位观测,并加强新技术应用,建立森林土壤碳库系统是未来森林土壤碳研究的重要方法.【期刊名称】《林业调查规划》【年(卷),期】2018(043)004【总页数】5页(P21-24,50)【关键词】森林土壤;碳储量;碳密度;自然因素;人为因素;碳库系统【作者】李敏【作者单位】玉溪市不动产登记中心//玉溪市基础地理信息中心) ,云南玉溪653100【正文语种】中文【中图分类】S714.5;S718.557森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其土壤碳库是全球碳循环的重要部分,也是土壤微生物、土壤动物的活动场所,森林土壤碳库的变化将直接改变全球碳的平衡 [1]。
研究表明,森林在固碳和缓解全球气候变化中承担着重要作用,而森林土壤碳储量是森林植被的2倍多,因此对其研究具有重要意义[2-4]。
近些年来,国内外学者对森林土壤碳极为关注,并对森林土壤碳的储量、分布及其影响因素等做了大量研究[5,6],但针对森林土壤碳研究的综述性文献报道较少。
因此,本文通过查阅大量文献资料,概述了森林土壤碳储量的研究进展,分析了当前研究的不足及未来研究趋势,以期为森林土壤碳的进一步研究提供理论指导,从而为森林土壤的健康管理提供科学支持。
1 全球森林土壤碳储量陆地生态系统的绝大多数有机碳贮存于森林生态系统中 [7]。
然而,森林具有类型多样性和结构复杂性以及随环境变化的动态变化性等特征,目前对森林的固碳潜力、关键过程及其机制的认识还相当不足,因此目前对森林土壤碳储量的估算仍然存在很大不确定性[8]。
森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述
二、森林碳汇与计量模型概述
二、森林碳汇与计量模型概述
森林碳汇是指通过造林、再造林、森林管理等活动,吸收并储存大气中的二 氧化碳,从而减缓气候变化的过程。森林碳汇计量模型则是采用科学的方法,对 森林碳汇的量进行计算和评估的工具。
三、我国森林碳汇计量模型的构 建与应用
三、我国森林碳汇计量模型的构建与应用
3、核算方法
提高森林碳汇核算的准确性和可靠性。然而,已实施的森林碳汇计量和核查 项目也表明,仍存在一些问题需要解决,如遥感数据的精度和地面监测样方的代 表性等。未来的研究应继续这些问题的解决,为提高森林碳汇核算的准确性和可 靠性提供更有效的技术支持。
参考内容二
一、引言
一、引言
随着全球气候变化问题的日益严重,碳汇核算已成为国际社会减缓气候变化 的重要手段。作为世界上最大的森林资源国之一,我国在应对气候变化和推进碳 汇核算方面具有举足轻重的地位。本次演示旨在探讨我国森林碳汇核算的计量模 型,以期为准确评估和提升森林碳汇能力提供科学依据。
五、未来展望
五、未来展望
未来,森林碳汇研究应着重于以下几个方面:一是深入研究森林生态系统的 碳循环过程及其影响因素,完善对森林碳汇形成和变化机制的理解;二是研发更 为精确、高效的碳汇计量方法和技术,以提高研究的可靠性和实用性;三是结合 多学科领域的知
五、未来展望
识和方法论,如生态学、地理信息系统、计算机科学等,推动研究的综合性 和交叉性;四是加强国际合作,促进全球范围内的数据共享和信息交流,以提升 全球森林碳汇研究的整体水平。
五、未来展望
综上所述,森林碳汇研究作为全球气候变化和生态环保领域的重要议题,正 受到越来越多的和研究。我们期待通过更多的科学研究和技术创新,实现对森林 碳汇更为精确和全面的理解和评估,从而为全球应对气候变化、保护生态环境做 出更大
气候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展
Advance in Research of Forest Carbon Cycling Under Climate Warming*
WEI Yunyan1, 2, YIN Huajun2, LIU Qing2** & LI Yunxiang1
(1China West Normal University, Nanchong 637002, Sichuan, China) (2ECORES Lab, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)
收稿日期: 2008-12-25 接受日期: 2009-03-16 * 国 家自然 科 学 基 金(N o s . 3 ������������������ 0 53 0 6 3 0 , 3 0 8 0 016 5)、 中国 科 学 院 西 部 行 动 计 划 重 大项目(N o . � KZ �� C� X ��� 2 -XB � ���� 2 - 0 2)、 中国 科 学 院 “ 西 部之 光 ”人 才 计 划 项目和中国 科 学 院 成 都 生物 研 究 所 领 域 前 沿项目(N o . 08B2031) ���������� Supported ��� by ����������������������������� the National Natural Science �������������� Foundation of China (Nos. 30530630 and 30800165), the Key Project of Knowledge I n novat ion P rog r a m of Ch i nese Aca demy of Sciences (CAS) ( No. KZCX2-XB2-02), the Talent Plan of CAS, and the Forefront Project of Chengdu Institute of Biology, CAS (No. 08B2031) ** 通讯作者 Corresponding ������������������������������ author (E-mail: liuqing@) �������������������
根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响研究进展
第46卷㊀第1期2022年1月南京林业大学学报(自然科学版)JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition)Vol.46,No.1Jan.,2022DOI:10.12302/j.issn.1000-2006.202002048㊀收稿日期Received:2020⁃02⁃28㊀㊀㊀㊀修回日期Accepted:2020⁃09⁃22㊀基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(31700376);江苏省高等学校自然科学研究重大项目(17KJA180006);江苏省 六大人才高峰 计划(JY-041&TD-XYDXX-006);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD);南京林业大学 5151 人才计划项目(2018)㊂㊀第一作者:黄梓敬(zijinghuang@163.com),博士生㊂∗通信作者:徐侠(xuxia.1982@yahoo.com),教授㊂㊀引文格式:黄梓敬,徐侠,张惠光,等.根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响研究进展[J].南京林业大学学报(自然科学版),2022,46(1):25-32.HUANGZJ,XUX,ZHANGHG,etal.Advancesineffectsofrootinputonforestsoilcarbonpoolandcar⁃boncycle[J].JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition),2022,46(1):25-32.DOI:10.12302/j.issn.1000-2006.202002048.根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响研究进展黄梓敬1,徐㊀侠1∗,张惠光2,蔡㊀斌2,李良彬2(1.南京林业大学生物与环境学院,江苏㊀南京㊀210037;2.武夷山国家公园科研监测中心,福建㊀武夷山㊀354300)摘要:植物根系输入是森林土壤碳库的重要来源㊂全球气候变化可能引起森林地下部分碳通量改变,进而影响森林土壤碳库及碳循环㊂笔者综述了根系输入对土壤碳累积㊁土壤活性碳库(包括土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳)和土壤碳库稳定性的影响,综合分析了森林土壤呼吸㊁土壤微生物和土壤酶活性对根系输入变化的响应㊂分析发现:①根系输入减少可能减弱根际的激发效应,使土壤有机碳(SOC)短期增加,但从长期来看根系输入的缺失会导致SOC的减少;②根系分泌的一些物质促进土壤初始团聚体的形成,但其对矿物⁃有机质结合物稳定性的影响还不完全清楚;③根系输入减少会降低土壤呼吸作用;④微生物群落结构对根系输入变化的响应主要取决于微生物对底物质量和数量的适应,而这些响应在不同森林生态系统间可能也有差异;另外,酶合成主要取决于与微生物生长相关的资源分配到酶生产中的成本效率㊂目前,关于根系输入对碳循环,特别是土壤呼吸的研究比较多,但根系输入物组成复杂,微生物与酶对不同根系输入物的响应机制尚不清楚,这些响应在不同森林生态系统中也有差异;此外,根系输入对土壤碳库稳定性的作用常被忽视,根系与微生物的相互作用对碳循环和土壤碳库稳定性的影响还有很大不确定性㊂建议加强植物根系㊁土壤和微生物的相互关系研究,以深入理解气候变化背景下森林生态系统碳循环㊂关键词:森林生态系统;根系输入;土壤碳库;碳循环中图分类号:S718.5㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1000-2006(2022)01-0025-08AdvancesineffectsofrootinputonforestsoilcarbonpoolandcarboncycleHUANGZijing1,XUXia1∗,ZHANGHuiguang2,CAIBin2,LILiangbin2(1.CollegeofBiologyandtheEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;2.CenterforScientificResearchandMonitoring,WuyishanNationalPark,Wuyishan354300,China)Abstract:Plantrootinputsareanessentialsourceofforestsoilcarbonpools.Climatechangemaycausevariationsinthecarbonfluxbelowground,affectingforestsoilcarbonpoolsandcarboncycles.Inthisarticle,wehavereviewedtheeffectsofrootinputonsoilcarbonaccumulation,soilactivecarbonpools(includingsoilmicrobialbiomasscarbonandsolubleorganiccarbon),andthestabilityofsoilcarbonpools.Furthermore,wehavediscussedtheimpactsofforestsoilrespiration,soilmicroorganisms,andsoilenzymeactivitiesonrootinputs.Wefoundthat:(1)Decreasedrootinputmayreducetheprimingeffectoftherhizosphereandsubsequentlyincreasesoilorganiccarbonintheshorttermbutde⁃creaseitinthelongterm;(2)Rootexudatesmaypromotetheinitialformationofaggregates,butitseffectonthestabil⁃ityofthemetal⁃organiccomplexisunclear;(3)Decreasedrootinputreducessoilrespiration;(4)Theresponseofthemicrobialcommunitystructuretorootinputmainlydependsontheadaptationofmicroorganismstosubstratequalityandquantity,whichvaryamongforestecosystems.Inaddition,whetherenzymesynthesisisupregulateddependsmainlyonthecostefficiencyofallocatingresourcesformicrobialgrowthtoenzymeproduction.Manystudieshaveinvestigatedthecarboncycleofrootinput,especiallysoilrespiration;however,thecompositionofrootinputiscomplex,andthere⁃. All Rights Reserved.南京林业大学学报(自然科学版)第46卷sponsemechanismsofmicroorganismsandenzymestodifferentrootinputsareunclear.Theseresponsesalsodiffereda⁃mongforestecosystems.Inaddition,theeffectofrootinputonthestabilityofthesoilcarbonpoolisoftenneglected;theinfluenceoftheinteractionbetweentherootsystemandmicroorganismsonthecarboncycleandthestabilityofthesoilcarbonpoolremainsuncertain.Wesuggeststrengtheningtheresearchonthelinksamongplantroots,soil,andmicroor⁃ganisms,whichwouldcontributetoadeeperunderstandingofthecarboncycleofforestecosystemsinthecontextofcli⁃matechange.Keywords:forestecosystem;rootinput;soilcarbonpool;carboncycle㊀㊀森林生态系统是陆地生态系统的重要部分,森林覆盖面积为40.3亿hm2,约占地球陆地总面积的30%[1]㊂全球森林土壤(深度0 1m)碳储量为(383ʃ30)Pg,占森林生态系统碳储量的44%[2]㊂将更多的碳固定在稳定的土壤碳库中能够降低二氧化碳浓度升高带来的风险㊂因此,森林土壤碳库被认为在应对气候变化方面发挥着积极作用㊂植物通过光合作用将空气中的碳固定下来,高达60%的树木光合产物被分配到地下部分[3]㊂然而,近些年相关研究发现全球气候变化会改变森林生态系统分配到地下部分的碳[4-5],进而影响着森林土壤碳库及碳循环㊂植物的地下部分在森林土壤物质循环中起着重要作用[6]㊂一方面,细根被视为根系中最有活力的部分,控制着植物从土壤中获取水分和养分[7];另一方面,细根具有更新快的特性,碳和养分可以通过细根周转这一途径由植物流向土壤[8]㊂研究表明,细根在周转过程中产生的根系凋落物是土壤有机质的主要来源[9]㊂与地上凋落物相比,根系凋落物对稳定土壤碳库的贡献更大[10],这主要是由于根系凋落物中含有更多难分解的物质(如木质素㊁纤维素和单宁酸等)[11]㊂此外,地下低氧环境也会减缓根系凋落物的分解速率,从而增加碳停留时间,使更多的碳进入到土壤碳库[12]㊂除了死亡根系分解,植物根系还会通过根际沉积(rhizodeposition)这一过程将不稳定的有机化合物释放到土壤中[13-15]㊂传统观点往往更多地关注地上植物凋落物输入和表层土壤有机碳[12,16],越来越多研究强调根系凋落物及活根分泌物对土壤碳库的重要性[17-20]㊂为此,笔者对近些年森林根系输入及土壤碳汇变化研究进行综述,分析根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响,从而为全球气候变化背景下森林生态系统物质循环与能量流动的深入研究提供参考㊂1㊀森林根系输入及其过程植物根系中的碳流向土壤主要通过以下3个途径:一是死亡根系的分解;二是植物生长过程中活根分泌的化合物和脱落的大分子物质;三是碳流动到与根相关的共生菌中(如菌根)[13,21]㊂在大多数的研究中,通常将植物根系简单地按径级分为细根和粗根,直径小于2mm的根界定为细根[22-23]㊂虽然细根的寿命短暂,从几个月到一两年不等,但一直被视为森林生态系统地下碳通量的最重要组成部分[24]㊂死亡细根的分解是一系列的物理和生物化学过程,主要包括淋溶和破碎[25]㊂淋溶是细根中可溶性糖和矿物质离子在雨水的作用下淋失到土壤中的物理过程,是细根分解最快的阶段㊂破碎是指在土壤动态过程(冻融交替㊁干湿循环等)或动物行为的作用下,植物死亡根系分裂和破碎成小段(小块)的现象㊂在中国亚热带地区进行的一项长达540d的细根分解实验结果表明,杉木(Cunninghamialanceolata)和观光木(Tsoongiodendronodorum)的细根分解均经历了 缓慢分解 快速失重 缓慢分解 3个阶段[26],相同结论也在其他的研究中被证实[27]㊂根凋落物的早期损失主要是由于易溶性化合物的浸出,分解晚期腐烂率的降低可能与腐烂的根部组织中难分解成分(如木质素)有关㊂在这些过程中,死根与外界环境不断进行物质交换,大量养分流入土壤中[28]㊂活根在生长过程中也会不断向根际土壤释放有机化合物[20]㊂根系分泌物中包括活根分泌的低分子可溶性化合物(如有机酸㊁酚酸㊁氨基酸㊁多肽㊁可溶性蛋白等)和不溶性聚合物(如黏液㊁聚多糖等)以及脱落的根细胞[13,29-30]㊂13CO2脉冲追踪实验证实这些根系分泌物快速转移(数小时至数天)到地下食物网中[31-32],为植物共生菌根和微生物群落提供了大部分养料[33-34]㊂2㊀森林根系输入对森林土壤碳库的影响2.1㊀对森林土壤碳累积的影响光合固定的大部分碳被引导到地下根及与根相关联的微生物中㊂过去的时间里,生态学家采用多种方法来研究植物地下碳输入对土壤碳库及碳循环的影响㊂在森林生态系统中,常用的方法包括树木环割(girdling)和根系去除(root62. All Rights Reserved.㊀第1期黄梓敬,等:根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响研究进展exclusion)[35]㊂树木环剥是一种有效的方法,可以在不干扰土壤环境的情况下通过截断树干韧皮部来阻止光合产物向地下部分输入碳,而根部挖沟则阻止了碳通过植物活根向土壤的转移以及植物对水和养分的吸收[36-38]㊂越来越多的研究表明,植物根系输入是土壤有机质(SOM)的主要贡献者[11-12,39],其对土壤有机碳的累积有重要作用㊂瑞典的一项长期作物试验表明,与相同数量的地上凋落物衍生的碳相比,根源碳(root⁃derivedcarbon)对相对稳定的土壤碳库的贡献更大,并且根源碳的腐殖质转化系数(humi⁃ficationcoefficients)比地上凋落物高2.3倍[10]㊂Clemmensen等[17]结合模型和分子条形码技术发现瑞典森林土壤中储存的碳中50% 70%来自根以及与根相关的微生物㊂Fekete等[40]在匈牙利东北部森林的凋落物输入调控实验(DIRT)结果表明,在实验的前两年中,根系去除处理与对照之间的土壤有机碳(SOC)含量并无差异,但4年后根系排除处理下SOC含量明显低于对照组㊂此外,美国哈佛森林长达20a的DIRT实验结果显示,根系去除后,SOC含量降低了约9%[41]㊂尽管根系输入有助于土壤有机碳的累积,但根系分泌物也可以通过刺激土壤有机质分解而产生相反的作用[42]㊂Finzi等[43]对根际相关指标整合分析后发现根系分泌物渗出量与土壤有机质的损失有关㊂川西亚高山针叶林中的模拟根系分泌物添加实验的研究结果表明,添加不稳定的模拟根系分泌物会促进人工林和天然林土壤有机质激发效应,进而降低土壤总碳(TC)[44]㊂此外,Chen等[45]在中科院鹤山实验站对厚荚相思(Acaciacrassicarpa)和尾叶桉(Eucalyptusurophylla)两树种进行环剥实验结果表明,与对照相比在环剥2㊁9个月后土壤有机碳含量均显著增加㊂环剥引起土壤有机碳的增加可能是由于其阻断了光合产物向下运输,使根系分泌物减少,从而降低了激发效应对土壤有机碳分解的影响㊂由此可见,植物根系分泌物的变化也会影响土壤碳库㊂2.2㊀对森林土壤活性碳库的影响土壤中不稳定碳输入的主要来源是根系分泌物[46]㊂根据周转时间的不同,可以将土壤有机碳库分为活性碳库(labileCpool)㊁缓效性碳库(slowCpool)和惰性碳库(passiveCpoll)[47-48]㊂可溶性有机质(DOM)是SOM中流动性最强的部分,可以通过扩散和对流几乎到达所有土壤隔室[47]㊂树干环剥会使根际的土壤可溶性有机碳(DOC)含量显著降低[49-51]㊂在美国落基山脉针叶林,树干未环剥处理地块表层土壤DOC显著增加[36],这可能是活跃的根系渗出导致的[52]㊂树干环剥阻止了新形成的光合产物流向根和菌根真菌,导致根系分泌物减少甚至消失㊂土壤微生物生物量碳(SMBC)调节所有SOM的转化,并被认为是土壤活性碳库的主要组成部分[53]㊂环剥会使土壤DOC和SMBC含量均减少[36],这可能是由于DOC作为微生物生长活动中重要的能量来源之一,环剥导致土壤DOC含量减少影响了根际微生物的丰度㊁组成和活性[54]㊂在德国东南部的90a与35a挪威云杉(Piceaabies)林,树干环剥处理后的1个月,土壤SMBC含量显著减少[55]㊂树干环剥对微生物种群的直接负面影响可能是由于停止向根部运输碳水化合物,而氨基酸和有机酸的渗出消失,也减少了微生物的重要碳源㊂2.3㊀对森林土壤有机碳库稳定性的影响土壤有机碳库的稳定机制主要有3个方面:第一,土壤有机质自身的难降解性;第二,土壤团聚体对土壤有机碳的物理保护作用;第三,有机碳与土壤矿物相结合,形成有机质⁃矿物结合物[56-57]㊂细根中含有许多难分解的物质(如酸性不溶成分㊁缩合单宁酸),在生态系统水平上,细根贡献了进入土壤的酸性不溶成分(AIF)和缩合单宁酸总通量的三分之二以上[49]㊂这类物质因其复杂的化学结构常被认为是一种难降解的有机质,在土壤有机碳库稳定性方面发挥着关键作用[58-59]㊂来自根系与菌丝的分泌物能够促进初始土壤团聚体的形成[60]㊂根系分泌物可以将土壤颗粒粘在一起,形成短期稳定的团聚体[61]㊂在室内培养条件下,添加根系分泌物提高了土壤团聚体的稳定性,促进了大团聚体的形成[62-64]㊂这是因为根系分泌物中含有多糖和蛋白质,其作用类似于胶水,将矿物颗粒粘合在一起,这些化合物还可以在土壤颗粒上形成疏水涂层,起到疏水作用,从而降低了土壤的湿润速率和剥落现象[65]㊂不同种类植物根系分泌物组成也有所不同[66],根系分泌物含有更多多糖和蛋白质的植物对土壤团聚体的影响可能更大㊂另外,有研究表明土壤团聚体的稳定性受有机黏结物质的影响,大多瞬时的黏结物质主要是微生物细胞及其分泌的代谢物质㊂因此,根系输入的碳引起的根际微生物活动增加在很大程度上也有助于团聚体的形成㊂这些根系分泌物还可以刺激菌根真菌,使菌丝延伸到土壤基质中,作为根系的延伸,在帮助植物吸收养分的同时也增加了土壤团72. All Rights Reserved.南京林业大学学报(自然科学版)第46卷聚体的稳定性[67]㊂Glomalin是丛枝菌根真菌在菌丝周转过程中和真菌死亡后释放到土壤中的一种真菌糖蛋白,已被确定为一种关键的土壤结合剂,与土壤中团聚体稳定性密切相关[68-69]㊂此外,根系分泌的一些化合物也有助于稳定的矿物⁃有机质结合物的形成[70-71]㊂Kleber等[72]认为蛋白质在矿物⁃有机质结合物的形成中起着重要作用,这是由于此类化合物在土壤中的含量相对较高,以及蛋白质具有不可逆地吸附到矿物表面的能力㊂但是与传统微生物无法接触矿物⁃有机质结合物中的碳这一观点不同,Keiluwei等[73]的研究表明土壤碳的矿物质保护可以被根系分泌物抵消㊂这说明在根系输入对矿物⁃有机质结合物稳定性的影响方面理解还不完全清楚㊂3㊀森林根系输入对森林土壤碳循环的影响3.1㊀对森林土壤呼吸的影响植物根系通过为土壤微生物提供大量可供吸收的含碳底物,驱动微生物的分解过程,从而影响植物⁃土壤⁃大气之间的碳循环[74]㊂目前的研究表明根系分泌物能够增强土壤呼吸,如Subke等[37]结合13C标记的凋落物添加和挪威云杉树皮环剥的实验结果发现,凋落物添加和凋落物去除之间的CO2释放差异不能完全由根系呼吸作用来解释,并认为根系分泌物对有机碳的分解有激发作用,这种正激发效应在6月和7月,占到土壤CO2总通量的15% 20%㊂此外,Ahmed等[75]发现在最佳水分条件下,与对照土壤相比,添加根系分泌物的土壤累积CO2释放量显著增加,高剂量根系分泌物处理下最为明显㊂瑞典北部的挪威云杉林的树干环剥实验结果表明,环剥两个月后土壤呼吸减少了53%[76]㊂在美国科罗拉多州亚高山森林中,树干环剥后的第一个生长季,环剥样地中的土壤呼吸速率在夏季降低了31% 44%[50]㊂在瑞士南部欧洲栗林,树干环剥后的9d内,相对于对照样地,环剥样地的土壤呼吸速率下降了36%,环剥后的37d,环剥树木细根中的淀粉浓度显著降低;另外,细根活性分析表明,环剥树细根的总体根代谢活性比未环剥处理树的高[77]㊂因此,环剥后土壤呼吸作用的降低可能是光合产物不能运送到地下,根系分泌物减少与细根碳浓度减少导致的㊂根系去除也会降低土壤呼吸作用㊂根系去除一方面降低了自养呼吸,另一方面根系去除引起的根系凋落物和分泌物减少也会降低土壤异养呼吸㊂在波多黎各东北部Luquillo森林中,根系去除处理导致加勒比松(Pinuscaribaea)人工林土壤呼吸下降了56%[78]㊂Huang等[79]在鼎湖山使用挖沟法对针叶林㊁针阔混交林和常绿阔叶林等3种林分做根系去除处理,发现3种林分土壤呼吸均显著降低㊂然而,匈牙利东北部森林的DIRT实验结果表明,在干旱土壤条件下去根处理土壤呼吸显著高于其他处理,但在湿润土壤条件下则不显著[40]㊂这可能是由于去除根系后土壤含水量更高,而在此研究中温暖干燥的环境条件下土壤湿度是土壤呼吸的主要控制因素㊂这表明根系去除引起的土壤含水量增高同样会影响土壤呼吸,在水分限制的情况下甚至会抵消根系去除引起的土壤呼吸降低程度㊂3.2㊀对森林土壤微生物的影响根系输入变化会影响土壤微生物生物量及群落结构[80-81]㊂梁儒彪等[44]对西南亚高山针叶林土壤中添加模拟根系分泌物,发现添加模拟根系分泌物处理会导致人工林土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)总量和细菌㊁放线菌㊁真菌PLFA含量增加,然而同样处理下天然林土壤中得到了完全相反的结果㊂在瑞典北部樟子松(Pinussylvestris)林,通过遮光处理减少分配给外生菌根(ECM)的碳,发现真菌生物量显著下降[82]㊂Brant等[80]在美国和欧洲的DIRT实验发现根系碳输入对所研究的3个森林生态系统中的微生物群落组成具有很强的控制作用,根系的去除会改变土壤细菌群落结构并减少真菌生物量㊂此外,Siira⁃Pietikäinen等[83]发现根系去除处理减少了芬兰中部针叶林土壤真菌生物量,并改变了土壤有机层中的细菌群落结构,但没有改变矿物质层中的细菌群落结构㊂Wang等[84]在DIRT实验中发现挖沟去根处理使杉木人工林土壤细菌㊁革兰阳性菌㊁真菌和放线菌的生物量分别增加了28 8%㊁26.7%㊁161.2%和32 5%,但使革兰阴性菌与革兰阳性菌的比率降低了57.4%,细菌与真菌的比率提高了107.9%㊂另外,根系去除处理下放线菌的数量也显著增加,土壤微生物群落有向真菌转移的趋势,如真菌与细菌PLFA比率的升高[85]㊂这些研究结果说明微生物生物量及群落结构对根系输入变化的响应主要取决于微生物对底物质量和数量的适应,而这些响应在不同森林生态系统可能也有差异㊂3.3㊀对土壤酶活性的影响植物的根系向土壤中释放着各种各样的化合物,刺激了微生物和酶的活性[86]㊂根际是最重要的酶促热点之一[87],微生物和植物活根都能产生细胞外酶[88]㊂微生物大量地合成和释放酶以获取82. All Rights Reserved.㊀第1期黄梓敬,等:根系输入对森林土壤碳库及碳循环的影响研究进展养分,而当养分稀缺时,活根也会产生更多的酶[89]㊂靠近植物根部的凋落物对土壤酶活性也有着显著的影响[90],根系输入物尤其是根分泌物不仅会刺激微生物的活动和生长,还可能改变C㊁N和P之间的化学计量平衡[91]㊂同时,微生物对营养的需求也随之增加,而这可以通过上调酶的合成和降解富含营养的化合物来维持化学计量的稳态来补偿[92-93]㊂但是酶合成的上调不一定旨在增强酶的活性,还可以通过产生具有更高底物亲和力的酶系统,形成更有效的土壤有机质和凋落物分解来增强微生物的竞争力[94]㊂Koranda等[49]的研究表明,和非根际土相比,根际土中与植物木质素和土壤有机质分解相关的酚氧化酶和过氧化物酶的活性降低,但根系分泌物也导致蛋白水解酶活性增强㊂同样,Kaiser等[95]也发现与树干环剥后相比,未环剥林样地土壤纤维素酶和蛋白酶活性更高,酚氧化酶和过氧化物酶的活性更低㊂这可能是因为氧化酶是由生长缓慢的腐生真菌和某些特殊的细菌产生的[96],在根际产生大量易吸收碳源的环境下,相对于菌根真菌和快速生长的营养型细菌处于竞争劣势;而蛋白酶活性增强则可能增加了新鲜SOM的降解㊂因此,根系输入对土壤酶活性的影响主要取决于与微生物生长相关的资源分配到酶生产中的成本效率[97-98]㊂4㊀结㊀语在全球变化背景下,森林生态系统分配到地下部分的碳可能发生变化,因此深入研究根系输入对森林碳循环及土壤碳库的影响尤其重要㊂目前,关于根系输入对碳循环,特别是土壤呼吸的研究比较多,主要包括根系输入对微生物活动㊁土壤呼吸激发效应等方面㊂根系输入减少和去除根系会减弱土壤呼吸作用;但根系输入物组成复杂,微生物和酶对不同类型根系输入物的响应尚不清楚,并且这些响应在不同森林生态系统中可能也有差异㊂此外,根系输入对土壤碳库稳定性影响的长期研究较少,对根系输入与微生物之间的相互作用如何影响碳循环和土壤碳库的稳定性还不够了解㊂因此,为了更好地认识气候变化背景下森林碳循环过程,还需要在以下几个方面深入研究:①根系输入变化对森林生态系统土壤碳库及其稳定性的影响;②土壤微生物和酶如何响应根系输入的变化,在不同森林生态系统的响应机制是否相同;③气候变化背景下,植物根系㊁土壤和微生物的相互关系及其协同作用对森林土壤碳库及其稳定性的影响㊂参考文献(reference):[1]FAO.Globalforestresourcesassessment2010[M].FAO,2010.DOI:10.4060/ca8753en.[2]PANY,BIRDSEYRA,FANGJY,etal.Alargeandpersistentcarbonsinkintheworld sforests[J].Science,2011,333(6045):988-993.DOI:10.1126/science.1201609.[3]LITTONCM,RAICHJW,RYANMG.Carbonallocationinforestecosystems[J].GlobalChangeBiology,2007,13(10):2089-2109.DOI:10.1111/j.1365-2486.2007.01420.x.[4]YINH,LIY,XIAOJ,etal.Enhancedrootexudationstimulatessoilnitrogentransformationsinasubalpineconiferousforestunderexperimentalwarming[J].GlobalChangeBiology,2013,19(7):2158-2167.DOI:10.1111/gcb.12161.[5]BAIWM,WANSQ,NIUSL,etal.Increasedtemperatureandprecipitationinteracttoaffectrootproduction,mortality,andturnoverinatemperatesteppe:implicationsforecosystemCcyc⁃ling[J].GlobalChangeBiology,2010,16(4):1306-1316.DOI:10.1111/j.1365-2486.2009.02019.x.[6]BRUNNERI,GODBOLDDL.Treerootsinachangingworld[J].JournalofForestResearch,2007,12(2):78-82.DOI:10.1007/s10310-006-0261-4.[7]LUKACM.Finerootturnover[M]//MeasuringRoots.Berlin,Hei⁃delberg:SpringerInc,2011:363-373.DOI:10.1007/978-3-642-22067-8_18.[8]DORNBUSHME,ISENHARTTM,RAICHJW.Quantifyingfine⁃rootdecomposition:analternativetoburiedlitterbags[J].Ecology,2002,83(11):2985-2990.DOI:10.1890/0012-9658(2002)083[2985:QFRDAA]2.0.CO;2.[9]ARGIROFFWA,ZAKDR,UPCHURCHRA,etal.Anthropo⁃genicNdepositionalterssoilorganicmatterbiochemistryandmi⁃crobialcommunitiesondecayingfineroots[J].GlobalChangeBi⁃ology,2019,25(12):4369-4382.DOI:10.1111/gcb.14770.[10]KÄTTERERT,BOLINDERMA,ANDRÉNO,etal.Rootscon⁃tributemoretorefractorysoilorganicmatterthanabove⁃groundcropresidues,asrevealedbyalong⁃termfieldexperiment[J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2011,141(1/2):184-192.DOI:10.1016/j.agee.2011.02.029.[11]XIAMX,TALHELMAF,PREGITZERKS.Finerootsarethedominantsourceofrecalcitrantplantlitterinsugarmaple⁃domina⁃tednorthernhardwoodforests[J].NewPhytologist,2015,208(3):715-726.DOI:10.1111/nph.13494.[12]RASSEDP,RUMPELC,DIGNACMF.Issoilcarbonmostlyrootcarbon?Mechanismsforaspecificstabilisation[J].PlantandSoil,2005,269(1/2):341-356.DOI:10.1007/s11104-004-0907-y.[13]JONESDL,NGUYENC,FINLAYRD.Carbonflowintherhizo⁃sphere:carbontradingatthesoil⁃rootinterface[J].PlantandSoil,2009,321(1/2):5-33.DOI:10.1007/s11104-009-9925-0.[14]吴林坤,林向民,林文雄.根系分泌物介导下植物⁃土壤⁃微生物互作关系研究进展与展望[J].植物生态学报,2014,38:298-310.WULK,LINXM,LINWX.Advancesandperspec⁃tiveinresearchonplant⁃soil⁃microbeinteractionsmediatedbyrootexudates[J].ChinJPlanEcolo,2014,38(3):298-310.DOI:10.3724/SP.J.1258.2014.00027[15]王振宇,吕金印,李凤民,等.根际沉积及其在植物⁃土壤碳循环中的作用[J].应用生态学报,2006,17(10):1963-1968.WANGZY,LYUE,LIFM,etal.Rhizodepositionanditsroleincarboncyclinginplant⁃soilsystem[J].ChinJApplEcol,2006,92. 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All Rights Reserved.。
全球变化背景下我国森林土壤碳循环研究进展
全球变化背景下我国森林土壤碳循环研究进展摘要当今世界,由于人类活动引起的温室效应以及由此造成的气候变暖对森林生态系统的影响已引起人们的普遍关注。
森林土壤碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响森林土壤的碳贮藏与全球的碳平衡。
森林土壤碳循环是决定未来陆地生物圈表现为碳源/碳汇的关键环节,深入研究碳循环对于准确理解全球变化背景下陆地生态系统碳循环过程具有重要的指导意义。
本文主要论述了关于全球气候变化(主要是CO2浓度升高,气温升高,降水增加)对森林土壤氮循环的影响以及国内学者的研究进展。
并且根据大量研究成果对未来一段时间内森林土壤碳循环研究进行了展望。
关键词:土壤碳库碳循环气候变化1前言全球森林面积仅占陆地面积的27 %,却储存了全球80 % 以上的地上碳储量和40 % 左右的全球土壤碳储量[1]。
森林光合和呼吸作用与大气之间的年碳交换量高达陆地生态系统年碳交换量的90 %。
森林生态系统在维持全球碳平衡以及减缓温室效应和调节全球气候等方面中起着不可替代的作用。
近十几年来,国内外生态学家和土壤学家对森林土壤碳储量及碳过程极为关注,在全球范围内针对不同地区不同森林类型的土壤碳储量、土壤呼吸、土壤碳的稳定性,以及气候变化和土地利用与土地覆盖变化对土壤碳过程时空动态的影响开展了大量研究,认为森林土壤碳循环受气候变化的影响剧烈[2]。
但是,由于森林类型的多样性、结构的复杂性以及森林对干扰和变化环境响应的时空动态变化,至今对全球气候变化背景下的森林生态系统碳固持潜力、关键碳过程及其稳定性维持机制的认识还十分有限,导致对森林土壤碳储量和变率的估算存在较大的不确定性。
因此,迫切需要深入开展森林生态系统碳循环机制、土壤碳关键过程及其稳定性维持机制的深入研究,藉以增强对全球气候变化背景下的森林土壤碳循环的科学认识[3]。
2我国森林生态系统碳循环2.1 森林生态系统的碳固定森林生态系统中的碳最终被固定于森林植被碳库和森林土壤碳库中。
土壤碳排放
植物所许振柱研究组在中国森林土壤碳排放研究方面取得进展
目前全球气候变暖仍在加剧,CO2是主要的温室气体,森林土壤作为陆地生态系统最大的碳库而备受关注,精确估算森林土壤碳排放可为评估碳收支提供科学基础,服务于我国碳达峰、碳中和战略目标的实现。
中科院植物所许振柱研究组收集整理568篇已发表的文献资料,运用数字化软件WEBPLOTDIGITIZER进行数据提取,构建了目前我国最完整的森林土壤碳排放数据库,包括土壤碳排放速率及观测方法、地理信息、林分特征和气候要素等详细信息,总样本量11297条。
其中,年尺度数据从139条扩充至634条,月尺度数据从1782条扩充至5003条。
研究表明,在全国尺度上,土壤温度是调控土壤碳排放的主导因子,可以解释约50%的变化,由此得到其温度敏感性在2.05–2.17之间。
我国森林土壤碳年排放量变动于260–2058 g C m-2 yr-1, 平均852 g C m-2 yr-1。
通常在相同的气候带内,常绿林碳排放量大于落叶林,阔叶林大于针叶林。
值得注意的是,竹林在以往大尺度森林碳排放研究中常被忽略,却表现出最大的碳排放速率,平均1134 g C m-2 yr-1。
该数据库的建立,对于研究我国乃至全球森林碳循环及其对气候变化的影响具有重要的理论和现实意义。
研究成果于近日在线发表于国际学术期刊Earth System Science Data。
植物所已毕业博士研究生孙鸿儒为论文第一作者,贾丙瑞副研究员为通讯作者。
该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助。
中国森林土壤碳排放数据库研究地点分布图
中国森林土壤碳排放速率与5 cm土壤温度(a)、10 cm土壤温度(b)指数关系图。
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不 充分 的部分 ,例 如 Huh n等 认 为 ,热 带 、温 带 和寒 带 森林 在采 伐 后 地 表 和土 壤 中的碳 会 下 降 ogt o
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浙 江 林 学 院 学 报
2 0 ,2 ( ) 0 0 6 3 2 :27~2 6 1
Jun lfZ ea gF r t oee ora o h i o syC lg jn er l 文章 编 号 :10 .62 2 0 )200 - 0 059 (06 0 -2 71 0
析 。参 7 1
关键词 :土壤 学 ;森林 ;土壤碳 库 ;综 述 ;估 算方 法 ;碳 平衡 ;碳循 环 中图分 类号 :¥ 1 74 文献标 识码 :A
森林 在 全球碳平 衡 中起着 重要 的作 用 ,森林 土壤 中碳 占全 球 土 壤碳 的 7 %¨ 。森 林 土壤 碳 含 量 3 大约是 森林 生物量 的 2~3 。在农 林 复合生 态 系统 中 ,土 壤作 为 一个 重 要 的亚 系 统 ,在 生物 循 环 中 倍 具 有特殊 的生 态学 意义 。此外 土壤 还从 岩 石 分 化过 程 中富 集 了生 物 所需 的养 分 与 凋 落 物分 解 后 的 养
森 林 土壤 碳 库研 究 方 法进 展
周 国模 ,刘 恩斌 ,余 光辉
( .浙 江林 学 院 林 业 与 生 物 技 术 学 院 ,浙 江 I 1 临安 3 10 ;2 130 .南 京 林 业 大 学
森 林 资 源 与 环 境 学 院 ,江 苏 南 京 20 3 ) 107
摘要 :森林 土壤 有机碳 库是 全球碳 循环 的重要 组成 部 分 ,其 积 累和 分 解的 变化 直接 影 响全球 的碳 平衡 ,土壤 有机碳 库研 究方 法对 准确估 算 土壤 碳 蓄积 ,反 映 土壤 肥 力 ,对 生物 多样 性 的
保护有 着 重要 作 用 。概 述 了森林 土壤碳储 量 及其 分布 ,介绍 了森林 土壤 有机碳 库 的各种 估 算
与测定 方 法 ,并 就各种 方 法 的特 点 及 优 缺 点做 了进 一 步 的分 析 ,表 明各 种 方 法都 受 条件 限 制 ,还 有待 完善 ,但 用的 最 多的还 是 土壤 类 型 法 与 生命 带 法 ,GS方 法近 几 年 才得 到 应 用 , I
伐 和林地 物质 的燃烧 并不 会减少 土壤 碳含 量 ,也许还 会使 它略有 增加 。这 些不 同的假 设使 他们 的计算
差 别很 大 ,这就说 明对森 林 土壤碳排 放进 行深 入研究 的必 要性 ,同时也说 明对 土壤碳 库做 进一 步研究
的重要性 。 1 森 Fra bibliotek 土 壤 碳 库及 分 布
3 % ,5 %和 1 % ,而在进一 步 的开 垦过 程 中碳损 失可 达 5 % ,而 H uh n等 在最 近 的研 究 中 又 5 0 5 0 o gt o 认 为 ,采 伐本 身对 土壤碳 含量 没 有 多大 影 响 ,进一 步 垦 殖会 使 土壤 碳 减少 2 % 。D ti r 为 ,采 5 o l 认 we
( t 1G
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28 0
浙 江 林 学 院 学 报
20 0 6年 4月
=1 ) 占全球 陆地 土壤 中碳储 量 的 2 % ~5 %。Wod e 算 全 球森 林 土 壤碳 储 量 为 0 9 5×1 0t , 5 0 ow l 估 " .2 0
1 1 森林土 壤碳 分布 .
森林 土壤碳 库是 陆地 生态 系统 中最大 的碳 库 。全球 森 林 土壤 有 机碳 储 量 为 4 2~7 7G 0 8 t
收稿 日期 :20.02 ;修 回日期 :2O -12 051- 7 051-1
基 金 项 目 :浙 江省 科 学 技 术 攻 关 项 目(0 3 309 20 C 22 ) 作 者 简介 :周 国模 ,教 授 ,从 事 退 化 林 地 改 造 及 森 林 经 理 学 研 究 。 Em i zog @zceue — a . hur j .d .n l , a f
模 型 方法应 用较 早但还 不成 熟。针 对各 种方 法估 算存在 的误 差 ,从提 高精 度 的 角度 出发 ,又 对估 算方 法误 差做 了统 计分析 。 阐述 了森林 土壤碳 释放 的测 定方 法 ,并对碳释 放 的一 些研 究
成果做 了总结 ,在 此基 础 上 ,就 目前 土壤碳 库 研 究方 法 上 尚存 在 的 一 些 问题 作 了概 括 与分
~
2 7 5 0 。At 等 研 究认 为 ,全球 森林 土壤碳 储 量 中 ,热带 雨林 为 8 t .7 ×1 t j y a 2G ,热带 季雨 林 4 t 1G ,
温带林 7 t 2G ,北 方林 15G ,林 地 及灌 木林 7 t ogt 估算 出热带森 林 土 壤有 机碳 储 量 为 17 3 t 2G 。H uho n 8
G ,温 带森 林 17G ,极地 森林 2 1C ,热带 疏林 及稀 树草原 8 t t 1 t 4 t 8G ,温带 疏林 草原 2 1G 。全球 森 林 5 t
土壤碳 库 的地理 分 布格局 与森林 植被 碳库 有显 著 的不 同 。按 纬度 划分 ,以 高纬度 地 区森林 土壤碳 储 量 最 大 ,约 占全球 森林 土壤碳 储 量 的 6 %,低 纬度 地 区森林 土 壤 碳储 量 占 2 % ,中纬 度 地 区森 林 土壤 0 7 碳 储量 占 1 % 。森 林 土壤 的碳 储 量在森 林 总碳储 量 中所 占的比重 ,在高 纬度 的北 方森 林 中约 占 8 % , 3 4 在 中纬度 的温带森 林 中约 占 6 % ,在低 纬 度 热带 森 林 中约 占 5 % ,即森 林 土 壤碳 储 量 在森 林 总碳 库 3 0 中所 占的 比重随着 纬度 的 降低而 降低 。森林 土 壤平均 碳密 度也 呈现类 似 的变化 规 律 ,以高 纬度 的北 方 森 林土壤 最 大 ,中纬度 的温 带森林 土 壤次之 ,低 纬度 的热 带森 林最小 。森 林 土壤碳 库及碳 密度 的这 种 纬 向分 布规律 是气 候 、植 被 和土壤 相互 作用 平衡 后 的一种 结果 。森林 枯落 物是 森林 土壤有 机质 的主要