稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤-植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（13C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤-植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤-植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤-植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物-根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。     

菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

在陆地生态系统中,土壤、植被与大气之间有着可观的碳交换通量,陆地生态系统碳循环也和全球气候变化密切关联。菌根真菌可与绝大多数陆地植物建立菌根共生关系,通过矿质养分-碳交换连接起生态系统地上与地下部分,深度参与和影响陆地生态系统的碳循环过程。该文从碳的输入,土壤有机质的形成、稳定和分解等4个关键环节分别论述了菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用。研究表明,菌根真菌在陆地生态系统碳的输入过程中扮演关键角色,其通过改善植物矿质营养,参与植物逆境响应,影响植物的光合作用强度,以及调控植物多样性与生产力之间的关系等多种途径,维持或提高植被初级生产力;大气中的CO₂被植物固定后,一部分碳经由菌丝网络输送到土壤中,随后经微生物的分解和转化,与矿物结合或被团聚体包裹而被稳定在土壤中;同时,菌根真菌通过影响根际激发效应和菌丝际生物化学过程,如分泌特定胞外酶,与菌丝际微生物互作,驱动芬顿反应,以及与腐生微生物竞争等,调控土壤有机质的分解和转化过程。考虑到菌根真菌对环境和气候变化的敏感性,该文还探讨了全球变化因子对菌根真菌介导的碳循环过程的影响。最后,该文对未来研究方向进行了展望,并提...     

陆地土壤碳循环的研究动态

１　引　言陆地碳循环不仅关系到陆地生态系统生产力的形成，同时也影响到整个地球系统的能量平衡，是陆地生态系统结构和功能的综合体现。近几十年来，由于人类活动引起大气ＣＯ２浓度的急剧上升，并可能导致全球气候变化，而且这种变化与陆地碳循环之间存在复杂的相互反馈机制，陆地碳循环已成为生态学、气候学、土壤学、生理学及地质学等众多学科研究的共同目标。在国际地圈生物圈研究计划（ＩＧＢＰ）中，碳循环也是全球尺度模型化工作最初集中的主要目标［１３］。然而由于陆地生态系统的多样性和复杂性，目前在陆地碳循环研究中仍存…     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度,经过几十年的发展,形成了一系列成熟的标记方法,在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前,自然丰度法、与13C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法;通过将长期定位实验和室内模拟实验结合,量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征,明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制;阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献,评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而,生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响,碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪,结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制,从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此,该文以稳定碳同位素为主,综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展,归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景,并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

陆地碳循环研究中的模型方法

陆地碳循环是全球变化研究中的重要内容,碳循环模型已成为研究陆地碳循环的必要方法．其中气候变化、大气ＣＯ２浓度上升以及人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化导致陆地生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对陆地碳循环的影响是模型模拟的关键问题．生物地理模型和生物地球化学模型是碳循环模型的两大类型,建模方法、模型性质、特点和应用范围各异．碳循环模型的发展方向是综合两类模型的特点,建立全球动态碳循环模型．     

陆地生态系统类型转变与碳循环

 土地利用变化引起的陆地生态系统类型转变对于全球碳循环有着极其重要的作用。　通过总结国内外有关森林砍伐以及森林、草地转变成农田对于碳循环的影响,阐述了可能引起全球“未知汇”现象的重要原因,强调未来中国陆地生态系统碳循环研究应充分重视陆地生态系统类型转变对于全球碳循环的影响研究,包括研究陆地生态系统的不同发展阶段(自然与退化生态系统)、利用方式的改变(森林转化为人工林或农田,草地转化为农田、退耕还林草等)所引起的碳库类型转换的增汇机理及其对全球变化响应,并指出了建立统一观测方法与规范的陆地生态系统碳通量观测网     

气候变化对陆地生态系统土壤有机碳储量变化的影响

通过研究气候变化对土壤有机碳储藏的影响,对预测未来气候变化下土壤有机碳动态变化与深入理解陆地生态系统变化和气候变化之间的相互作用有着极其重要的意义。本文归纳了土壤类型法、模型模拟法等途径对土壤有机碳储量估算的结果并分析它们各自的不确定性,综述了气候变化对土壤碳贮藏影响机理的研究与相应过程模拟的模型研究进展,并综合分析了当前研究中还存在的问题与不足。     

陆地生态系统碳水循环的相互作用及其模拟

回顾了近年来陆地生态系统碳循环与水循环相互作用及模拟方面的进展,指出了今后该领域研究的重点和发展方向。陆地生态系统碳水循环是两个相互耦合的生态学过程,二者及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响,并对气候系统具有强烈的反馈作用,因而成为当前全球变化研究的热点。近年来,国内外开展了大量观测和模拟研究,分析了碳循环和水循环在不同时空尺度上的相互作用及其对环境因子和土地利用/覆被变化的响应,发现土壤水分条件对陆地生态系统碳循环的主要分量（光合和呼吸）均具有显著作用,但作用的强度在不同的生态系统存在差异。精确模拟土壤水分动态及其对碳循环的影响是陆地生态系统碳收支估算的基础,碳循环和水循环的耦合模拟是生态和水文模型发展的方向。目前,大部分模型在模拟土壤水分动态时,未考虑地形对土壤水分水平移动的影响,土壤水分对土壤异养呼吸影响的模拟也多采用经验性模型,制约了碳收支模拟的精度,需要加以解决。     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤 植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（¹³C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤 植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤 植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤 植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物 根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

生物标志物及其在生态系统研究中的应用

生物标志物是环境和地质体中记载着原始生物母质分子结构信息的有机化合物, 其含量可以指征特定生物来源对天然有机质的相对贡献, 其组成和同位素信息还可以记录有机质的转化及环境信息。与传统元素及组分分析相比, 生物标志物为研究天然有机质的来源、动态变化和转化特征提供了具有高度专一性和灵敏度的工具, 因此, 近年来被广泛地应用于生态学和生物地球化学研究中。特别是, 与生态系统观测以及控制实验相结合, 生物标志物在揭示微生物的活性与碳源变化、土壤有机碳的稳定机制及其对全球变化的响应等方面显示了广阔的应用前景。近些年开发的生物标志物单体同位素分析也在生态系统碳氮周转与食物网研究等方面显示了巨大的研究潜力。基于此, 该文综述了生态系统研究中常用的生物标志物的种类、分析方法和应用方向, 总结了生物标志物研究目前存在的问题, 并对未来的研究方向进行了展望, 旨在为使用生物标志物的生态学和环境科学研究者提供参考。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟, 陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展, 总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用, 并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。     

磷影响陆地生态系统碳循环过程及模型表达方法

全球气候变暖已大大改变了陆地植物碳吸收能力, 提高了全球植被净初级生产力。随着气候变暖的加剧, 磷对植物生长的限制作用逐渐显现且不断增强, 磷影响陆地生态系统碳循环的机理和模型研究已成为研究热点。该文系统分析了磷影响陆地生态系统碳循环的相关机理以及模型对相关过程的定量化表达方法。综合对比分析了国际上的Carnegie- Ames-Stanford Approach-CNP (CASA-CNP)、Community Land Model-CNP (CLM-CNP)和Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg-CNP (JSBACH-CNP)等碳、氮、磷耦合模型中磷影响植物光合作用与同化物分配过程、植物对磷的吸收过程、土壤中磷的转化过程以及生态系统磷输入与输出等过程的相关数学表达方法, 指出了模型算法的局限与不确定性以及未来模型发展与改进的方向。同时综合对比分析了CASA-CNP、CLM-CNP、JSBACH-CNP模型的基本特征, 总结了磷循环模型的建模方法, 为未来开展磷影响陆地生态系统碳循环的模型模拟研究提供了借鉴方法与参考思路。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

典型滨岸草地生态系统碳稳定同位素组成及分布特征

通过测定上海市青浦区东风港百慕大、白花三叶草、高羊茅和白茅等4种典型滨岸草本植物各组织以及不同垂直深度土壤有机质δ¹³C值,对滨岸草地生态系统的植物-土壤碳稳定同位素特征进行了分析.结果表明: 白花三叶草、高羊茅属于C3植物,百慕大、白茅属于C4植物,其茎叶、凋落物和根系各组织间δ¹³C值无显著差异.C3和C4植物样带表层土壤有机质δ¹³C值随着土壤深度递增而呈现截然不同的变化特征,这与样带本底δ¹³C值以及碳稳定同位素分馏效应有关,同时还受植物根系分布深度的影响.植物输入是土壤有机碳(SOC)的最主要来源,植物有机体δ¹³C组成对土壤有机质δ¹³C值有直接影响,植物各组分δ¹³C值与土壤有机质δ¹³C值均存在极显著相关.4种草本植物样带SOC含量与δ¹³C值均呈极显著相关,其中,C3植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性负相关,C4植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性正相关.     

硫稳定同位素技术在生态学研究中的应用

随着人为SO₂释放的增加, 硫稳定同位素的动态已成为生物地球化学循环过程中研究的热点。该文对天然硫稳定同位素在大气自然过程中的硫来源分析及其在森林生态系统、农田生态系统和水域生态系统中的硫动态研究, 人为添加的硫稳定同位素在生态环境中的应用及硫稳定同位素技术在我国酸雨研究中的潜在贡献等进行了综述, 并从硫稳定同位素技术应用研究的范围、分析手段及源解析模型方面介绍了可能的发展方向。     

华南亚热带山地土壤有机质更新特征及其影响因子

选择鼎湖山自然保护区及中国科学院华南植物研究所小良生态站6个土壤剖面,根据土壤有机质碳稳定同位素特征、^14C放射性水平、有机质含量、粒度特征,研究土壤有机质更新特征及其制约因素。结果表明,土壤有机质分解呈明显阶段性：有机质快速分解发生在0－100a之内,自地表向下,有机质含量急剧降低,因碳同位素分馏效应,有机质δ^13C值迅速增加;至170／240a,有机质δ^13C值达最大;自170／240－800／1400a,有机质分解速度变慢,有机质含量缓慢降低,因高δ^13C值组分分解,δ^13C值逐渐减小;约在1500a之后,有机质含量变化甚微,δ^13C值趋于稳定。对比研究表明,粘粒对有机质赋存状态及其更新有直接影响,粒度是制约土壤有机质动态的重要因子;地表植被类型及其发育特征直接影响土壤有机质更新,在植被类型相似情况下,植被覆盖史对土壤剖面有机质动态有明显影响。