土壤酸化已成为全球农业系统中最严重的土地退化问题之一.综述了土壤酸化的自然和人为驱动因素及过程,土壤酸化对土壤无机碳和有机碳的影响;比较了有机、无机、生物和复合改良剂改良土壤酸性、培育基础肥力和增加有机碳库的优缺点.基于此,为推进土壤酸性改良、基础肥力培育与有机碳库协同提升,经过总结分析提出:(1)建立土壤酸性与碱酸离子组成关系的量化模型,构建土壤酸性-基础肥力-有机碳库相互作用机制模型,形成以"离子平衡"和"多功能协同"改良酸性土壤的理论框架;(2)基于酸碱离子平衡的土壤酸性分级指标、土壤-作物系统酸碱离子平衡计量方法,明确土壤酸碱离子平衡、养分离子活化、含碳组分稳固的协同路径和降酸、培肥、固碳、减污协同提升的土壤功能技术,构建化肥配施无机改良剂的离子平衡精准改良土壤酸性技术体系和有机-无机-生物联合的多功能协同提升绿色改良酸性土壤技术体系.研究旨在为我国农业的绿色可持续发展提供借鉴.

气候变化会影响森林生态系统结构和功能,进而给森林固碳潜力的估算带来许多不确定性.为明晰气候变暖下长白山森林碳库的动态特征,本研究利用空间直观景观模型LANDIS-Ⅱ,模拟了 2000-2100年间长白山自然保护区在3种未来气候情景(SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5)和现行气候情景(SSP0-1.0)下森林固碳潜力和碳储量的变化.结果表明:(1)未来森林净初级生产力(net primary productivity,NPP)会不断提高,到2100年,3种未来气候情景下的森林NPP均高于SSP0-1.0气候情景下的NPP值(1010 g C·m-2·a-),但不同气候情景下森林NPP时空差异不显著.(2)4种气候情景下森林总碳储量均呈逐年增加趋势,但与SSP0-1.0情景相比,SSP1-2.6情景下植物碳库增加,土壤碳库和碎屑碳库减少,总碳储量降低了2.1％;SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下植物碳库、碎屑碳库和土壤碳库均减少,总碳储量分别降低了 3.4％和4.2％.(3)相较于中、高海拔地区,低海拔区域森林碳库对气候变暖更加敏感;森林植物碳库对气候变暖的响应存在海拔梯度规律,在3种未来气候情景下,植物碳库在低海拔处显著减少,在高海拔区域植物固碳增加.研究结果可为长白山长期森林管理和提高森林固碳潜力提供参考.

探明石漠化土壤碳组分积累和分配对丛枝菌根真菌(AM)与蚯蚓接种的响应,可为提升石漠化土壤固碳潜力及生物修复效率提供数据参考.本研究选择白枪杆为寄主植物,设置接种摩西斗管囊霉(FM)、蚯蚓(E)、蚯蚓+摩西斗管囊霉(E+FM)和不接种(CK)4个处理,研究不同处理土壤碳组分(总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、惰性有机碳)及其分配(微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳、惰性有机碳/总有机碳)的时空变化.结果表明:1)蚯蚓、丛枝菌根真菌单独与共同接种处理均显著促进了土壤碳库各组分积累.与CK相比,接种处理土壤碳组分含量均值的增幅表现为:E+FM＞E＞FM,接种处理显著促进了 土壤微生物生物量碳/总有机碳(30.5％～68.5％)和易氧化有机碳/总有机碳(31.2％～39.2％),但降低惰性有机碳/总有机碳(2.9％～16.2％).2)不同处理土壤碳组分积累和分配的时空变化存在差异.各碳组分含量最大值均出现在6月,其中E+FM处理各碳组分含量较CK的增幅(33.0％～122.1％)显著高于E(31.2％～95.4％)和FM处理(9.2％～41.3％);微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳最大值出现在6月,惰性有机碳/总有机碳最大值则出现在12月,此时3个接种处理各碳组分占有机碳的比例较CK的变幅表现为:E+FM＞E＞FM;各碳组分含量及其分配均沿土层加深递减(9.7％～146.2％),其中E处理碳组分含量降幅最小,而E+FM处理微生物生物量碳/总有机碳和易氧化有机碳/总有机碳降幅最小、惰性有机碳/总有机碳降幅最大.3)3个接种处理土壤理化性质变化显著影响各有机碳组分积累及分配,其中碳库组分含量及分配与土壤pH呈极显著负相关,与其他土壤指标呈显著正相关.4)主成分分析显示,土壤含水量、全氮、全磷是影响碳组分积累的主要驱动因子,而土壤含水量、全磷、pH是影响土壤碳组分分配的主控因子.因此,蚯蚓、AM真菌及其交互作用均显著影响石漠化土壤碳组分积累与分配,其影响程度主要取决于土壤含水量、pH及氮磷养分状况.

根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介,同时也是植物响应外界环境变化的主要形式,在土壤碳库动态中发挥着重要作用.伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响,然而,由于根-土界面交互作用的复杂性,以及根系分泌物收集手段与装置的不完善,人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性.基于此,该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态,论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化,重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制,在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向,以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据.

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题.草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响.为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素.研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69％和55％,P＜0.05).(2)群落地上生物量随沙化程度加重逐渐降低,重度和极重度沙化草地根系生物量显著下降(分别下降47％和99％,P＜0.05).土壤容重、砾石含量随沙化程度加重呈逐渐增加趋势,而总碳、全氮含量和含水量逐渐下降,说明沙化过程导致土壤粗粒化和贫瘠化.(3)进一步分析发现,影响土壤总碳储量的因子中排前三位依次是土壤砾石含量、土壤含水量和植物地上生物量,影响土壤氮储量的因子依次是土壤砾石含量、含水量和土壤微生物丰度.综合这些研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动.沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持.

非结构性碳水化合物(NSCs)包括淀粉和可溶性糖,两者之间的相互转化可以增强植物对环境胁迫的抵抗力.热带雨林在陆地生态系统碳库和缓解气候变化中占有重要地位,同时也是大气氮磷沉降的热点区域.目前,热带雨林原始林和次生林优势植物叶片NSCs对长期氮磷输入的响应尚不清楚.该研究基于海南尖峰岭原始林和次生林10年的氮磷添加实验,探究长期氮磷输入对两种森林各8个物种叶片NSCs的影响,并分析叶片性状、光合作用参数和土壤养分含量与NSCs的关系.研究结果表明,次生林优势植物叶片相对于原始林优势植物叶片有更高的可溶性糖和NSCs含量.低氮添加显著降低了原始林优势植物叶片淀粉的含量,磷添加显著增加了原始林优势植物叶片可溶性糖的含量,氮磷同时添加提高了原始林优势植物可溶性糖与淀粉的比值,而氮磷添加对次生林优势植物叶片NSCs含量均无显著影响.两种森林8个物种的叶片NSCs含量均与叶片pH和比叶面积负相关,而与叶片碳含量、光合速率和光合氮利用效率正相关.次生林土壤有效氮含量、总磷含量与叶片NSCs含量显著正相关.上述结果表明热带雨林优势植物叶片NSCs受到叶片性状和土壤养分的综合影响.该研究从叶片碳经济角度揭示了原始林优势植物相对于次生林优势植物对大气氮磷沉降的响应更敏感,并呼吁加强对热带原始雨林的保护.

森林凋落物的养分归还对于维持土壤碳库和养分循环起至关重要的作用.本研究以亚热带人工幼林的21个树种为对象,分析各树种的叶片和根系功能性状与凋落物养分归还特征的关系.结果表明:不同树种的凋落物量、现存量与养分归还量差异显著,其中米老排的年凋落物量(689.2 g·m-2·a-1)和现存量(605.1 g·m-2)最高,柳杉的年凋落物量(36.0 g·m-2·a-1)和现存量(10.0 g.m-2)最低.21个树种的氮归还量为3.0～48.3 kg·hm-2,其中最高为闽粤栲;21个树种的磷归还量为0.1～2.0 kg·hm-2,最高为枫香.氮、磷归还量最低的树种均为柳杉.逐步回归分析显示,叶片氮含量和叶片干物质含量对凋落物量有显著的负影响,细根组织密度对凋落物量有显著的正影响;叶片氮含量、叶片干物质含量和比根长对现存量有显著的负影响.结构方程模型显示,具有较高叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量来减少氮归还量,而具有较高细根组织密度的树种通过显著增加凋落叶氮含量从而增加氮归还量;具有较高叶片氮含量和叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量从而减少磷归还量.在亚热带营造人工林时,要考虑叶干物质含量低、细根组织密度大的树种,以提高林地凋落物产量和氮、磷养分归还量,进而提高土壤肥力和林地生产力.

全球变暖是当前全球气候变化的主要现象,影响着陆地生态系统的碳循环.森林土壤是陆地生态系统中最大的碳库,森林土壤有机碳及其不同组分的积累受到气候变暖的影响,许多研究普遍发现短期增温减少土壤有机碳及其活性碳组分,但尚不清楚这种负效应在长期增温下是否仍存在和有机碳组分是否变化.以鼎湖山季风常绿阔叶林为研究对象,采用红外辐射模拟增温,探究长期增温对南亚热带森林土壤有机碳及其组分的影响.2017-2021年的连续增温观测结果表明:与对照相比,在表层土壤中,增温处理下土壤有机碳含量显著增加4.5％,其中土壤重组有机碳库显著降低9.1％,轻组有机碳库显著增加9.8％,易氧化有机碳含量显著增加5.8％,但微生物生物量碳、可溶性有机碳、惰性有机碳和络合态碳含量不变.增温持续时间显著影响土壤有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳、轻组有机碳库、重组有机碳库、惰性有机碳和络合态碳.增温处理与增温持续时间的交互作用显著影响微生物生物量碳、易氧化有机碳和重组有机碳库,但对土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、惰性有机碳、络合态碳和轻组有机碳库无显著影响.综上所述,长期增温背景下南亚热带季风林的土壤有机碳因土壤活性有机碳组分的增加而增加,使总有机碳增加的生物调控作用可能比矿物保护作用强,但减少的惰性碳组分和增加的活性碳组分可能会使土壤有机碳稳定性下降.本研究结果探讨了南亚热带森林表层土壤有机碳及其组分对长期增温的响应,与大多数研究所发现的短期增温使表层土壤有机碳含量减少形成对比,结果可为预测未来该地区土壤碳库的变化特征提供科学依据和理论支持.

在"碳中和"的背景下,土地利用变化与碳汇评估的结合日趋紧密,受到了景观生态学、人文地理学等多个学科的关注,二者的交叉研究已成为当下研究热点.对土地利用变化和碳汇评估进行研究,对于实现碳中和、碳达峰具有重要意义.以2003-2023年Web of Science的核心数据集3556篇英文文献和中国知网CNKI数据库363篇中文文献为研究对象,采用CiteSpace软件制作科学知识图谱,梳理了土地利用变化和碳汇评估交叉研究的概况、研究领域及方向和发展脉络及趋势.研究发现,近20年来土地利用变化和碳汇评估交叉研究的刊文量呈逐年增长趋势,根据关键词聚类情况可将文献主要分为三类议题:1)土地利用类型碳汇评估;2)生态系统服务碳汇评估;3)土壤和植被碳汇评估.其中,土地利用类型碳汇评估是土地利用变化和碳汇交叉研究的重点.研究热点从碳汇评估方法研究逐渐向气候变化及土地利用变化下的碳汇预测模拟转变.在研究方法上,遥感数据分析方法得到不断改进,同时人工智能和机器学习方法也逐渐开始为更多学者采用.在未来的研究中,应发挥学科交叉的优势,完善该领域的研究深度和广度,加强综合性的碳汇评估研究,强化对政策的响应并提出合理的国土空间规划建议,为早日实现碳达峰、碳中和目标提供科学依据和参考.

全球寒区冻土区包括季节性和多年冻土区,主要分布在高海拔和高纬度地区,其土壤中储存了大量的有机碳.该地区正面临着比全球平均温度更高的暖化速率,气候变暖对该地区土壤有机碳的影响及其对气候变暖的反馈作用倍受关注.本文针对气候变暖对季节性和多年冻土草地生态系统碳循环关键过程(如植物生产、凋落物和根系分解、微生物群落结构等方面)的影响,以及土壤有机碳形成和稳定性机制等进行了扼要综述.在此基础上,提出了目前存在的问题,分析了未来在实验设计和新技术应用上的有关发展态势,以期进一步推动气候变暖背景下,我国寒区草地生态系统碳循环关键过程和土壤有机碳库稳定性机制的研究.