岩溶区矿山生态修复、石漠化治理等生态保护修复工程,不仅改善了区内生态环境,而且有利于促进土壤、岩溶固碳增汇,对实现"双碳"目标具有重要意义.以重庆主城北碚矿山生态修复、渝东北巫山石漠化治理区等为例,通过野外标准溶蚀试片实验法和土壤取样测试分析法,研究不同生态保护修复措施下土壤碳库、碳酸盐岩溶蚀速率等变化特征,探讨不同生态修复方式对碳酸盐岩溶蚀速率的影响.结果表明:灰岩矿山修复区、石漠化治理区,土壤无机碳(SIC)含量较高,约为土壤有机碳(SOC)的4.5倍,且对碳酸盐岩溶蚀速率有一定的抑制作用;修复时间越长,土壤有机碳(SOC)含量越高,但SOC含量与碳酸盐岩溶蚀速率的相关性不显著;从夏季(监测期7、8月遭受极端高温干旱)至秋、冬、春季,土下及地表试片溶蚀速率明显增大;不同生态保护修复方式或植被恢复类型,碳酸盐岩溶蚀速率明显不同,北碚矿山修复区月桂林＞草灌从(橘树)＞草灌从(桃树)＞花椒树＞李子树,巫山生态修复区石漠化治理林地＞封山育林林地＞石漠化治理果园.

贵州省是我国喀斯特生态系统的典型分布区,生态敏感且脆弱,同时其也曾是我国的连片特困区,经济发展愿望迫切.对区域环境-经济发展状况及相互作用关系进行研究具有重要意义.研究从植被净生态系统生产力、土壤碳储量、岩溶碳通量三方面计算了贵州省陆地生态系统碳吸收,以能源燃烧排放的CO2表征碳排放量,对区域碳吸收和碳排放的时空变化特征进行剖析,在此基础上构建环境碳负荷指数和脱钩弹性系数,用于解析贵州省碳收支状况及环境碳负荷与经济发展之间的脱钩关系.结果显示:(1)贵州省植被净生态系统生产力均值为 257.72 g C/m2,呈逐步增强趋势,空间上呈现西高东低、南高北低的分布格局;岩溶碳通量的均值为 6.71 t C/km2,年际波动较大,集中分布在研究区东北和西南部;土壤碳储量的均值为8.38 t/hm2,其高值区主要位于研究区南部和东部边缘;(2)区域碳排放呈现出了逐年增长的特征,表明了能源消耗的增强,形成了以城市高值区为中心向外辐射递减,各点之间以道路连通为特征的分布格局;(3)环境碳负荷指数呈逐年增长趋势,表征区域面临的环境压力越来越大,特别是在贵州省主城区出现了明显的收支不平衡,能源结构优化亟待加强;(4)综合脱钩状态整体以弱脱钩和扩张连接为主,且随时间推移脱钩状态由弱脱钩向扩张连接转变,说明环境保护滞后于经济发展,也就意味着贵州省经济的发展一定程度上牺牲了环境保护.未来应进一步强化生态修复工程的可持续性,同时发展绿色经济以促进区域生态-经济可持续发展.

甲烷产生过程是湿地生态系统中最活跃的生物地球化学进程之一,岩溶湿地是一类具有典型岩溶地区水文特征和重要环境影响的特殊内陆淡水湿地.为了解岩溶湿地产甲烷菌的类型及其在碳循环中的贡献,综合运用分子生物学、微生物学和地球化学的方法对桂林会仙岩溶湿地沉积物中产甲烷菌的数量、群落组成、活性以及相关的环境因子进行研究.分析15-35 cm沉积物中甲基辅酶M还原酶基因mcrA的数量、种类以及与环境因子之间的关系,发现mcrA基因的拷贝数为106-107,主要来自5类产甲烷古菌目,分别是甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)以及一类尚未鉴定的产甲烷古菌,这些序列中有一半的序列与已知McrA蛋白序列相似度在95％以下,并且mcrA基因的多样性和数量分布主要受到有机碳和硫酸盐含量的影响.在产甲烷活性方面,沉积物的乙酸型产甲烷速率为1 024(±447) pmol g-1 d-1,氢型产甲烷量约为650(±155)pmol g-1 d-1.上述结果表明,会仙岩溶湿地具有同普通淡水湿地类似的产甲烷菌群落组成和较高的产甲烷潜力,并且该环境中可能蕴藏着许多尚未被研究的微生物资源.

定量研究了酸性矿山废水对7种不同时代碳酸盐岩的侵蚀速率,以筛选出合适的被动处理填料.结果表明:酸性矿山废水对碳酸盐岩的60 d平均侵蚀速率为4.88×10-4g.cm-2·d-1,是普通岩溶水侵蚀速率的10倍以上,其中摆佐组灰质中晶白云岩的侵蚀速率高于其他灰岩;采用扫描电镜和能谱仪对岩石表面物质的微观形貌和成分分析,结果表明,不同时代的岩石表面所生成的铁氧化物均为纤铁矿;岩石表面的硫酸钙结晶速率是控制水岩反应速率的关键性因素之一,而岩石中溶出的Mg2+是影响硫酸钙结晶速率的重要因素.

该研究以广西桂林岩溶石山区的两种典型植被(香椿林和云实灌丛)为例,利用野外长期定位监测降雨、穿透雨、树干径流、钻孔和表层岩溶水中总有机碳(TOC)的变化特征,探讨不同植被林冠层TOC浓度和通量的年变化特征.结果表明:在降雨通过大气-植被-土壤/岩石的过程,TOC浓度变化趋势为树干径流＞穿透雨＞钻孔水＞泉水＞大气降雨;穿透雨和树干径流中TOC浓度呈现为雨季大旱季小的趋势,钻孔水和泉水的TOC浓度月变化则相对稳定;TOC浓度的增幅不同,穿透雨和树干径流TOC浓度的平均增量和变化幅度比钻孔水和泉水的大;香椿林树干径流TOC浓度与树干径流量呈负相关关系;TOC月平均通量为云实穿透雨＞香椿穿透雨＞降雨＞泉水＞香椿树干径流＞云实树干径流;云实灌丛林下降雨(204.86 kg·hm-2)的TOC通量是香椿林(153.48 kg·hm-2)的1.3倍;观测期间,大气降雨输入的TOC通量为63.06 kg·hm-2,表层岩溶泉水输出为48.29 kg·hm-2,TOC输入输出之差为14.77 kg·hm-2,系统TOC为正平衡;降雨进入植被内部后时,植被林冠层作为"TOC活库"具有增加TOC通量的"源"作用,而表层岩溶带的土壤/岩石系统作为"TOC死库"具有吸收、过滤和固定TOC的"汇"作用.

溶解性无机碳(DIC)的通量和形式在水生态系统的生物地球化学循环中起关键作用,是碳收支的重要组成部分.通过分析万峰湖水库库区水体理化参数、DIC和稳定碳同位素(δ13CDIC)特征,揭示了DIC的行为和来源.结果 表明:1)在表水层,整个库区pH变化较保守,均呈弱碱性.硝酸盐氮(NO3--N)有最大变异系数,具有高度的时空变异性.由于稀释效应的存在,电导率(EC)、二氧化碳分压(pCO2)和DIC的最低值均出现在夏季高径流量阶段.在水柱面上,夏季氧化还原电位(Eh)和NO3--N随水深增加无显著变化,其余指标均变化明显,且在温跃层变异程度最大.两季节的水温(T)、pH和Eh均随水深增加而降低,pCO2则与之相反.EC、总碱度(TA)和DIC在夏季随水深增加而降低,冬季变化梯度较小.两季节的DIC与pH、Eh呈负相关,与EC、pCO2呈正相关.2)夏季DIC为2.66 ～ 4.9 mmol·L-1,而冬季为3.38～4.52 mmol·L-1.水体热分层期间,DIC和δ13CDIC在温跃层的变化梯度最大,DIC与δ13CDIC在夏季表水层呈正相关.两个季节水柱面上及冬季表水层的DIC和δ13CDIC均呈负相关,但冬季DIC和δ13 CDIC值随水深变化趋势不明显.3)夏季δ13 CDIC较高,为-7.71‰～-1.38‰,表明碳酸盐矿物的溶解占优势.冬季δ13CDIC为-16.93‰～-9.44‰,显著低于夏季且范围更宽,生物源CO2的输入和有机质矿化是主要来源.δ13CDID在不同季节和水深均差异显著,一方面是碳的来源不同;另一方面归因于碳来源的相对贡献比例的变化.

[背景]丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungus,AMF)是一类能与绝大部分植物形成共生关系的真菌,在植被演替和生态恢复过程中发挥重要作用.[目的]了解云南岩溶断陷盆地不同土地利用方式对AMF群落结构的影响.[方法]采用Illumina HiSeq 2500高通量测序技术对云南岩溶断陷盆地林地、灌丛和草地等3种土地利用方式土壤样品的AMF群落结构进行分析.[结果]草地总磷(total phosphorus,TP)、速效钾(available potassium,AK)、交换性镁(exchangeable magnesium,E-Mg)、电导率(electrical conductivity,EC)和土壤温度(temperature,T)显著高于林地和灌丛,林地总氮(total nitrogen,TN)和有机碳(soil organic carbon,SOC)含量显著高于灌丛和草地.TN、SOC、AK和EC是AMF群落结构最主要的影响因子.草地样品的Chao1、ACE、Shannon和Observed species指数显著高于林地和灌丛样品,尽管Simpson指数差异不显著,但是也表现出了类似的变化趋势.9个土壤样品共产生953个AMF-OTU,鉴定出AMF 3个纲4个目9个科13个属.Glomeromycetes和Paraglomeromycetes为优势纲;Glomus和Paraglomus为优势属,其次为Claroideoglomus、Acaulospora和Diversispora.Glomus和Diversispora主要分布在草地和灌丛中,随着演替的进行其相对丰度有所下降,而Paraglomus的相对丰度逐渐上升.[结论]云南岩溶断陷盆地土地利用方式的AMF群落结构具有显著差异,土壤理化因子是重要的影响因素.

[背景]施肥是目前提高作物产量的较优策略,不同的施肥措施在不同程度上影响土壤肥力和微生物群落结构.[目的]探究岩溶水稻土理化性质变化与细菌群落变化的对应关系,进而反映不同施肥措施对土壤可培养细菌群落的影响.最后选出最优施肥方案,为后续的合理施肥工作提供依据.[方法]对岩溶水稻土进行不施肥、常规施肥、常规施肥加绿肥3种施肥处理,通过对土壤理化性质、可培养细菌群落丰度及多样性变化的研究,探究在不同施肥措施下对岩溶水稻土壤细菌群落的影响.[结果]对比不施肥处理,常规施肥处理下土壤pH值和有机碳含量下降,结合大量研究结果证明,无机肥或氮肥的长期过量施加使土壤pH值下降,常规施肥加绿肥有利于有机碳的积累.分离纯化共得到164株菌,分别来自Actinobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria.属水平上常规施肥配施绿肥较常规施肥组优势菌属Sphingomonas、Lysobacter的相对丰度增加.细菌群落多样性增加,出现Paenibacillus、Streptomyces和Pseudomonas等特有功能菌属.优势菌属Sphingopyxis、Lysobacter、Paenibacillus、Bosea、Streptomyces、 Pseudomonas和Bacillus与TN存在显著正相关,在常规施肥加绿肥处理土壤中增加.[结论]常规施肥加绿肥处理下,固氮、溶磷等功能菌丰度增加,增加土壤肥力,保持土壤养分的可利用性,对作物的增产起重要作用.岩溶水稻土常规施肥配施绿肥处理的效果优于不施肥和常规施肥处理.

在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下,岩溶碳循环活跃,在全球形成8.24×108t C/a的岩溶碳汇,约占全球遗漏汇的29.4％,其中部分岩溶碳汇以土壤有机碳的形式固存,因此碱性土壤固碳是未来碳中和的主要途径.微生物作为土壤碳循环的重要驱动者,影响着土壤有机碳主要赋存形式即植物残体碳与微生物残体碳的动态变化.本文通过综述岩溶土壤有机碳库储量、岩溶土壤有机碳库的来源与构成、影响岩溶土壤有机碳库动态的微生物因素以及岩溶土壤有机碳库更新的微生物机制,探讨了微生物对岩溶土壤植物残体碳与微生物残体碳的影响,并提出亟待解决的关键科学问题.这为深入研究岩溶区土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制,深化对岩溶土壤碳循环及其微生物机理认识,进而为应对千分之四全球土壤增碳计划提供了参考.

由于岩溶关键带是地球关键带系统中重要的部分,岩溶区的植被是陆地生态系统重要的碳汇项,岩溶区植被的地上部分通过植物生长固碳的同时其地下部分的碳储量也非常可观,地下生物量生长和凋落物分解也会提高土壤有机碳和无机碳的含量,因此岩溶区植被碳循环已成为当前岩溶碳汇研究的热点之一.该文梳理了近四十年来岩溶植被固碳过程的研究文献,阐述了西南岩溶区植被特有的生理学特征,重点论述了以下4个方面的内容:(1)西南岩溶区植被生物量、生产力、碳储量评估;(2)西南岩溶区植被时空变化格局与碳源汇效应;(3)岩溶区植被碳利用特殊机制;(4)岩溶区植被碳循环模型预测与碳汇潜力.同时,提出了目前研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望,认为今后应在岩溶区植被碳循环的相关参数系统测定和机理过程研究,精细识别西南岩溶地区植被景观类型、量化固碳过程,以及对岩溶植被碳循环模型进行校正和修改等方面开展研究.该文可为深入理解岩溶区碳的时空演化规律、探索区域碳循环机理提供参考.