土壤无机碳特别是成土碳酸盐的固定是滨海地区降低大气二氧化碳浓度,缓解气候变化的重要途径之一.本研究选取江苏省北部滨海地区的互花米草湿地(SA)、碱蓬湿地(SS)、幼龄杨树人工林(YP)和成熟杨树人工林(MP),分层采集不同深度的土壤样品(0～10、11～20、21～40、41～60、61～80和81～100 cm),利用13C稳定同位素技术,分析了不同土壤的无机碳组成和储量的差异,并探究了影响成土碳酸盐储量的关键土壤理化性质.结果表明:除MP表层土壤(0～10cm)外,其余土壤的无机碳含量均高于有机碳含量.整体而言,SA和SS 土壤成土碳酸盐占无机碳的比例和无机碳储量的差异均不显著.与湿地土壤相比(0～40 cm),YP和MP 土壤的成土碳酸盐占无机碳的比例分别降低了 32.7％和54.1％,成土碳酸盐储量分别降低了40.5％和59.2％,成岩碳酸盐储量没有显著变化,无机碳储量分别降低了 21.0％和17.9％.与YP 土壤相比(0～100 cm),MP 土壤的成土碳酸盐占无机碳的比例和成土碳酸盐储量均显著降低而成岩碳酸盐储量显著升高,尤其是41～100 cm 土层,而无机碳储量没有显著变化.结构方程模型表明,土壤成土碳酸盐占无机碳的比例是影响成土碳酸盐储量的最重要因子,其次是有机碳含量和容重,并且土壤有机碳抑制了成土碳酸盐的形成.综上,滨海湿地土壤比杨树人工林土壤具有更大的无机碳储量和固定潜力,通过改变成土碳酸盐占无机碳的比例和有机碳含量能够调控该地区土壤成土碳酸盐的固定.

喀斯特地区土壤中的硝态氮占主导地位,但土壤中的硝态氮含量存在时间和空间上的异质性.因此,种植在喀斯特地区的桑树幼苗可能会遭受低氮胁迫.为了给种植在喀斯特地区的桑树幼苗提供科学的无机氮管理,该研究以桑树幼苗为材料,采用水培试验,以改进的霍格兰(Hoagland)营养液为培养基质,以815N值为22.35‰的硝酸钠提供唯一氮源,设置3个硝态氮浓度梯度(0.5、2.0、8.0 mmol·L-1),测定桑树幼苗的光合特征以及叶、茎和根的干重、碳含量、氮含量和815N值,分析不同供氮水平下桑树幼苗的生理响应,通过整个植株尺度的稳定氮同位素分馏值评估桑树幼苗的氮需求与氮供应的关系,通过植株的氮积累量与碳积累量研究碳氮耦合关系.结果表明:(1)当硝态氮浓度在0.5、2.0 mmol·L-1时,增加硝态氮的浓度能显著提高桑树幼苗的叶绿素含量和净光合速率,进而显著促进生物量的积累.然而,当硝态氮浓度超过2.0 mmol·L-1时,更多的硝态氮供应(8.0 mmol·L-1)并没有带来叶绿素含量、净光合速率和生物量的显著增加.(2)增加硝态氮的供应量能促进桑树幼苗的氮同化,桑树幼苗的氮积累量随着硝态氮供应量的增加而逐渐增加,然而,桑树幼苗的碳积累量在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1和8.0 mmol·L-1时无明显变化.(3)桑树幼苗的硝态氮同化产物的稳定氮同位素分馏值在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时达到最小.综上所述,硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时的无机氮供应量接近桑树幼苗的无机氮需求量,外部氮供应量与植株氮需求量接近平衡意味着植物体内的碳氮代谢能够有效协调,进而实现了碳氮同化产物的同步增长.

以江西万安水库为研究对象,于2014年9月至2015年6月进行4次季节性采样,对该区域9处采样点的溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13CDIC)进行分析.结果表明:夏、秋季DIC含量较春、冬低;δ13CDIC也较冬、春季偏负.DIC含量从上游到下游呈下降趋势,碳同位素值则趋于偏正.光合作用与有机质分解是影响库区表层水体δ13CDIC值变化的主要因素.垂直剖面上,表、底层水温等参数差异不显著,上下水体混合较为均匀.DIC含量基本上随深度的增加而增大,δ13CDIC值趋于偏负.利用质量平衡计算得出:入库水体中DIC约57％来自于土壤CO2,而坝下水体中DIC约49％来自土壤CO2,万安水库拦截对河流地球化学过程信息有一定的改造作用.

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展,高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.

采用室内模拟培养和13C同位素标记技术相结合的研究方法,探讨了在葡萄糖与无机氮肥共施的条件下,土壤有机碳矿化及其激发效应对外源磷添加的响应,以揭示土壤有机碳矿化的碳磷耦合调控机制.结果表明:外源磷的输入加快了CO2的释放,但抑制了CH4的释放;在整个土壤淹水培养期间,磷添加抑制了土壤碳矿化释放CH4总量的53.1％,其中外源葡萄糖-13C矿化成13CH4的总量降低了70.5％;磷添加促使通过微生物转化的葡萄糖-13C向易利用态碳库的分配比例增加了3.6％,显著提高土壤有机碳快库矿化速率,缩短土壤碳矿化周期.土壤培养前期,外源有机质的添加表现为短暂的负激发效应;随着葡萄糖不断矿化分解,CO2累积激发效应(PECO2)总体上呈现先增加后下降的趋势,而CH4累积激发效应(PECH4)稳步增加最终保持基本稳定状态;培养结束时(100 d),在磷添加条件下,PECO2增强32.3％,PECH4显著降低93.4％.冗余分析和Pearson分析表明,电导率、氧化还原电位和溶解有机碳对稻田土壤碳矿化的影响最为显著;速效磷与13CH4、PECH4呈极显著负相关.在外源有机质添加条件下,磷的添加能够抑制CH4排放及其激发效应,促进土壤有机质的矿化和养分释放,提高土壤原有有机碳的可利用性,促进稻田土壤有机碳循环.

中国北方古元古代孔达岩系内含有丰富的石墨矿,其地质年龄主要集中在20-23亿年之间;片麻岩系中石墨的碳同位素值主要分布在-22.8‰到-21.5‰之间,被认为来源于古代有机质沉积后的变质作用;而少量石墨的碳同位素数据在-10‰到-5‰之间,接近热液来源的碳同位素,被认为与无机来源有关.苏鲁高压变质带中的石墨矿勘查过程中,发现了出露赋存在新太古代-古元古代东海岩群班庄组中的双湖石墨矿.此前中国科研人员对新太古代-古元古代石墨矿的研究,主要集中在华北板块.本次研究对华北板块与华南板块之间的苏鲁造山带的东海岩群班庄组中的碳酸盐岩以及石墨,分别进行了无机碳同位素与有机碳的地球化学研究.结果 发现东海岩群班庄组石墨的有机碳同位素大致分布在-22‰到-32‰之间,吻合此前古元古代的有机碳同位素数据,表明该套石墨沉积为生物成因.

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.

土壤碳氮存留与可利用性对恢复生态系统的稳定性和可持续性产生重要影响,研究其细根控制过程对深入理解植被恢复的作用及其针对性应用具有重要意义.依托中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站10年植被恢复平台,通过分析8种植被恢复模式植物(细根生物量、δ13C、δ15N)、土壤(有机碳、总氮、δ13C、δ15N、团聚体、砂粒、交换性钙、可溶性有机碳和氮、铵态氮、无机氮、微生物生物量碳和氮)理化性质的变化和关系,阐明细根对土壤碳氮存留与可利用性的影响.研究结果表明:细根对土壤碳氮存留的影响可能主要基于对土壤团聚体结构的改善,加强了对土壤原有机碳、氮的保护和存留,而细根有机质输入的影响是较弱的;细根可能通过影响微生物调控土壤可利用性碳和氮;因高的细根生物量和固氮植物,封育林和刈割草地模式具有较高的土壤碳氮存留效应.综上所述,喀斯特植被恢复过程中细根对土壤碳氮存留与可利用性产生积极的影响.因此,石漠化生态工程治理可以考虑根系发达与固氮植物共同引种.

泥炭沼泽湿地仅占地球陆地面积的3％,而碳储量却占全球的30％,是陆地生态系统重要的碳库.溶解性有机质(DOM)是泥炭地碳循环重要组成部分,也是泥炭地生物地球化学过程的重要参与者.本研究利用新型电化学方法、稳定同位素技术对2个泥炭样地(矿养型泥炭沼泽,LB;雨养型泥炭沼泽,OS)地表水、地下水、土壤孔隙水中DOM及无机离子的氧化还原能力变化特征进行分析.结果表明:LB样地的无机元素丰富且浓度较高,无机主导的厌氧呼吸过程起主要作用;不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中的氧化还原能力差异主要受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面铁和硫酸盐大多以还原价态赋存,无机电子受体会影响DOM的氧化还原活性基团发生氧化还原反应的水平和深度.OS样地的有机质极其丰富,有机电子受体参与氧化还原过程贡献显著,不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中氧化还原能力差异同样受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面的氧化还原能力还受不同深度泥炭基质化学组成差异的影响.利用电子接受能力(EAC)和氧化指数(OI)值可表示沿梯度变化的氧化还原条件,进而可有效指示水生系统中有机质氧化还原状态.

该研究以甘蓝型油菜组培苗为材料,使用硝酸钠来提供唯一氮源和盐胁迫条件,测定甘蓝型油菜组培苗的生物量、叶绿素含量和叶片稳定碳同位素值,通过稳定碳同位素值评估甘蓝型油菜组培苗的自养能力,并基于自养能力研究甘蓝型油菜组培苗的无机氮供应与盐耐受能力的关系.结果表明:(1)供应40 mmol·L-1硝态氮能消除轻度盐胁迫的不利影响,供应80 mmol·L-1硝态氮能有效缓减中度盐胁迫的不利影响,但在重度盐胁迫条件下,即使供应过量的无机氮,甘蓝型油菜组培苗的生长仍然受到显著的抑制.(2)甘蓝型油菜组培苗的叶绿素含量随盐胁迫程度的增加而逐渐降低.(3)甘蓝型油菜组培苗的自养能力在轻度盐胁迫时达到最大,但盐胁迫程度的加剧会显著降低甘蓝型油菜组培苗的自养能力.由此可知,当植物的无机氮需求得到满足后,自养能力的强弱将决定植物的盐耐受能力,而过量的无机氮供应不能提高重度盐胁迫条件下植物的自养能力.