落叶松林是北方森林的重要碳汇,同时也是我国大兴安岭地区的优势群落类型,研究其物种组成和空间结构对地上生物量和土壤养分的影响有助于为我国北方森林碳汇提升和科学管理提供理论依据.选取多布库尔国家级自然保护区落叶松林长期固定样地为研究对象,根据植被调查数据计算林分空间结构特征指数、物种多样性指数和木本植物生物量,测定0-20 cm、20-40 cm 2层土壤有机碳、全氮和全磷含量,并通过相关分析、冗余分析与方差分解分析相结合,揭示植物物种多样性、林分空间结构对木本植物生物量及土壤养分的影响.研究结果表明:(1)林层差异化指数与树木生物量显著正相关,角尺度和胸径分异指数均与生物量显著负相关(P＜0.05),树木多样性指数与生物量相关性不显著.(2)混交度与0-20 cm 土壤有机碳含量显著正相关,与20-40 cm 土层相关性不显著;植物物种丰富度、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数与0-20 cm 土层有机碳含量显著正相关,Pielou均匀度指数与0-20 cm 土层有机碳含量显著负相关,但与20-40 cm 土层相关性不显著.(3)木本植物生物量受林分空间结构特征影响;而土壤养分主要受物种多样性影响,其解释率是林分空间结构特征的5.8倍.(4)冗余分析表明物种丰富度越高,越有利于土壤碳氮磷含量的积累.综上所述,调整林分空间结构的综合经营措施来提高森林生物量,而注重物种多样性的保护可以提高土壤养分整体水平.

森林具有类型多样、结构复杂以及随环境变化等特征,1 m深森林土壤储存的碳约占全球森林生态系统总碳储量的45％,约占全球土壤碳库的52％.目前对森林土壤固碳潜力和关键过程机制的认识还十分有限.因此,森林土壤储碳与增汇的估算仍存在很大不确定性.研究梳理了森林土壤有机碳(SOC)储量、密度、含量、增量、固定和碳汇等术语定义;综述了 SOC稳定性的机制,包括化学结构稳定性、团聚体物理保护、金属氧化物和粘土矿物吸附,生物与环境主导有机碳稳定固持,以及最新研究相继提出的森林SOC组分多样性及功能复杂性维持碳稳定的学术观点.研究还分析了森林SOC储量和增量不同测定方法的主要原理、优点和不足.根据已有文献数据分析,全球森林1 m深SOC储量变化范围为383-787 Pg C(Pg=1015g),年变化范围为每年降低349 Tg C(Tg=1012g)到每年增加498 Tg C.中国森林1 m深SOC储量评估范围为16.0-34.2 Pg C,年变化范围为每年降低64.5 Tg C到增加217.3 Tg C.说明目前对森林SOC储量和增量的估算还存在很大不确定性.最新研究表明全球森林碳容量和固碳潜力巨大,但不同研究对SOC是否存在上限仍具不同观点,气候变化对森林SOC储量及其持续固碳潜力的影响也存在较大的不确定性.未来建议通过学科交叉深入探索森林群落结构与土壤固碳过程之间的联系,从碳组分多样性和功能复杂性的新视角理解森林SOC的形成与稳定机制;将SOC监测纳入国家森林资源清查体系、建立国家尺度的SOC长期监测网络、设立我国森林SOC增汇大科学计划;提出保持SOC稳定固持的天然林保护修复及经营提升途径;建立培育高固碳树种,优化林分结构,合理采伐以及轮伐期延长等人工林土壤固碳增汇经营技术体系.

植物碳库是草地土壤碳库的重要来源,在草地碳循环和气候调节方面均具有重要作用.小型地下草食哺乳动物作为草地生态系统中的主要生物干扰因子之一,通过其广泛的觅食活动对植物碳库产生显著影响.选取青藏高原特有的小型地下草食哺乳动物高原鼢鼠(Eospalax baileyi)主要栖息地类型:高寒草甸、高寒草原和高寒草甸草原为研究对象,通过原位配对取样,分析牧食洞道干扰对植物碳库以及组分的影响,并筛选出牧食洞道干扰前后影响植物碳库的关键因子.研究结果表明,牧食洞道干扰显著降低了植物地上和地下碳库,降低程度从大到小依次为高寒草原、高寒草甸草原和高寒草甸.高寒草地生态系统地下和地上植物碳库比值均降低,表明地下植物碳库受到的影响相对更大.土壤含水量、微生物量碳、有机碳等因素是影响植物碳库变化的关键因子.研究强调在评估高寒草地生态系统碳库时需考虑小型地下草食哺乳动物的影响,为未来高寒草地植物碳库的管理和恢复提供了科学依据和实践方法.

监测漓江流域喀斯特森林碳氮磷湿沉降通量,有助于准确评估环境改变对该区域森林生态系统碳氮磷库的影响,为喀斯特森林养分资源管理提供科学参考.本研究以广西桂林漓江流域下游喀斯特森林为研究对象,从2022年3月至2024年2月根据降水情况收集雨水,测定雨水可溶性有机碳(DOC)、可溶性氮(DN)、可溶性有机氮(DON)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)以及可溶性磷(DP)浓度,结合降水量估算碳氮磷湿沉降通量,分析其季节变化规律及相关性.结果表明:2022年全年降水量(1860.0 mm)显著高于2023年(1469.3 mm);2022和2023年雨水DOC平均浓度分别为3.03和5.76 mg·L-1,DN分别为2.34和3.52 mg·L-1,DP 分别为 0.05 和 0.07 mg·L-I,DN、NH4+-N、NO3--N 和 DP 浓度波动均较大;2022 和 2023 年碳湿沉降总量分别为43.0和41.3 kg·hm-2,氮湿沉降总量分别为33.89和39.98 kg·hm-2,磷湿沉降总量分别为0.43和0.85 kg·hm-2,碳和氮湿沉降总量两个年份之间没有显著差异,磷湿沉降总量差异显著;不同季节碳氮磷湿沉降通量总体上呈现出春季和夏季大于秋季和冬季的趋势;碳与氮湿沉降通量呈显著正相关,而碳与磷湿沉降通量之间以及氮与磷湿沉降通量之间均无显著相关关系.综上,漓江流域喀斯特森林碳和氮湿沉降通量相对较高且较稳定,而磷湿沉降通量相对较低且波动较大,较高的氮沉降有利于改善漓江流域喀斯特森林土壤氮库的匮乏,其中有机氮组分对氮湿沉降的贡献不容忽视.

激发效应是指外源碳输入引起的土壤有机碳分解速率的短期变化,是全球陆地生态系统碳循环的重要过程,对全球土壤碳储量及其动态变化具有重要影响.凋落叶和细根作为森林土壤碳输入的主要途径,调控土壤有机碳分解的激发效应,而大气氮沉降引起的土壤氮有效性的增加也是影响激发效应的重要因素.然而,凋落叶和细根的输入引起的激发效应的差异及它们对土壤氮有效性增加的响应机理尚不清楚.该研究将13C标记的杉木(Cunninghamia lanceolate)叶覆盖在杉木人工林土壤表面,细根则混合在土壤中,以尽可能模拟它们在野外林地中的存在状态,同时添加氮以增加土壤氮有效性,通过室内模拟培养35天,测定土壤释放CO2的量及其13C丰度值,并在培养结束时测定土壤养分和微生物群落拮构.主要结果:1)杉木叶促进了土壤有机碳分解,即产生了正激发效应(1.69 mg C·kg-1,d-1),而杉木细根则产生了负激发效应(-1.26 mg C·kg-1,d-1);2)土壤氮有效性增加使杉木叶引起的正激发效应的强度降低了38.7％,但使杉木细根引起的负激发效应的强度增加了 16.6％;3)添加杉木叶降低土壤真菌细菌比(22.9％),添加杉木细根增加了真菌生物量(30.8％);同时土壤氮有效性增加提高了真菌细菌比和真菌生物量.该研究发现了凋落叶和细根对激发效应的影响存在差别,且土壤氮有效性增加降低了激发效应强度,研究结果为氮沉降背景下森林土壤有机碳库的预测与管理提供理论支持.

土壤有机碳是陆地生态系统重要的碳(C)库.对森林、草原和农田生态系统的大量研究发现,植物多样性能够增加土壤有机碳的含量,并且越来越多的研究开始关注其对有机碳组分及稳定性的影响,但对相关机制还缺乏系统的综述.为此,该文系统总结了植物多样性对土壤有机碳含量、组分及稳定性的影响及其机制研究进展,以期为通过植物多样性种植增加土壤碳氮(N)固持,缓解全球气候变化提供科学依据.增加植物多样性,首先可增加土壤中植物凋落物生物量,改善混合凋落物的质量(如更低的C:N),促进土壤有机碳的周转和积累;其次,可以通过凋落物的输入增加植物来源的碳积累或者通过促进微生物周转增加微生物来源的碳积累;同时,该过程还可提高土壤颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)含量;另外,植物多样性的增加可以通过增强团聚体保护、改变土壤矿物离子浓度和改变微生物群落拮构增加土壤有机碳的稳定性.该文对今后的研究进行了展望:(1)如何将植物多样性与不同管理措施结合增加土壤有机碳含量;(2)如何通过更多的不同生态系统植物多样性长期定位实验来探究其对土壤有机碳含量及组分的影响;(3)如何通过新的实验方法和手段(如同位素标记等)剖析植物多样性对土壤有机碳组分及其稳定性的影响;(4)探索植物多样性对不同深度土壤碳含量、组分及其稳定性的影响机制.

全球变暖对高海拔地区土壤冻融循环作用的影响日益加剧,而凋落物碳作为森林土壤有机碳的主要来源,其对土壤各有机碳组分的贡献及如何响应冻融循环作用尚不清晰.该研究通过室内模拟冻融循环实验和稳定同位素示踪技术,利用13C标记云杉(Picea asperata)凋落物(根、枝、叶),探究了冻融作用下亚高山森林凋落物源碳对土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、腐殖质碳(HC)、颗粒有机碳(POC)和矿质结合有机碳(MAOC)的贡献.培养30天后,凋落物碳对土壤POC和MBC的贡献率分别为13.1％和9.0％,显著高于其他有机碳组分;不同类型凋落物对土壤各有机碳组分的贡献差异显著,其中根对POC、MAOC和HC的贡献率显著低于枝和叶.冻融作用显著提高了土壤DOC和MBC中凋落物源碳的贡献率,而降低了土壤POC、MAOC和HC中凋落物碳贡献率.相关性分析结果显示,土壤碳获取相关酶活性与凋落物源碳对土壤有机碳贡献率呈显著正相关关系.表明在亚高山森林凋落物分解初期,冻融作用的发生有利于凋落物源碳在土壤DOC和MBC等活性有机碳组分中的积累,但抑制了其在MAOC和HC等土壤稳定有机碳中的固存.研究结果有助于深入理解森林凋落物归还对土壤有机碳固持的贡献,为全球气候变化背景下亚高山森林土壤碳库的经营管理提供科学依据.

农田生态系统受气候变化影响强烈,但全球变暖和降水变化及其交互作用对农田土壤有机碳和酶活性的影响及两者的关系仍缺乏认知.本研究依托开顶式气室(OTC)增温平台和降水控制平台,以陇中黄土高原半干旱春小麦农田为研究对象,研究增温和降水变化及其耦合对土壤有机碳和酶活性的影响.试验共设置6个处理:对照(CK)、减水30％(-P30)、增水30％(+P30)、增温(W)、增温减水30％(W-P30)、增温增水30％(W+P30).结果表明:OTC增温显著提高了土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(KMnO4-C)、溶解性有机碳(DOC)和颗粒态有机碳(POC)含量,而矿物结合态有机碳(MAOC)含量变化不显著.自然温度条件下,增减雨处理均未显著改变土壤有机碳组分含量;而在增温条件下,增加降水量显著提高了 DOC和POC含量;增温与降水交互作用显著影响了 SOC、DOC和KMnO4-C含量.增温和增加降水及两者交互增加了碳库管理指数(CMI)、碳库指数(CPI)、土壤纤维二糖水解酶、脲酶、蔗糖酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性和作物生物量.土壤温度、土壤水分与土壤有机碳组分和酶活性均呈正相关(除土壤温度和蔗糖酶活性呈负相关外).随机森林模型分析表明,土壤理化性质、酶活性、温度和含水量解释了 SOC、MBC、POC、KMnO4-C和DOC含量变化的52.4％～71.1％,其中相关重要性较高的5个因子分别为土壤脲酶活性、土壤温度、土壤水分、土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性和有效磷.然而,各因子对MAOC含量变化的解释度较低(21.5％).综上,增温和降水变化会显著影响陇中黄土高原旱地麦田土壤性质、酶活性和作物生物量,从而影响土壤有机碳库.

凋落叶和根系输入是土壤有机碳(SOC)的重要植物来源,探讨凋落叶和根系去除对SOC及其组分的影响有利于深入理解森林生态系统SOC的积累机制.该研究依托中国科学院湖南会同森林生态系统国家野外科学观测研究站长达12年的凋落物去除实验(对照、凋落叶去除、根系去除、凋落叶和根系同时去除),比较了亚热带杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林凋落叶和根系对SOC及其组分和各组分对总有机碳碳库相对贡献的影响及季节动态.结果表明:凋落叶和根系去除均会降低SOC含量,且不同凋落物去除对碳组分的相对影响各不相同.具体表现为:凋落叶去除对SOC、土壤矿质结合态有机碳(MAOC)和重组分有机碳(HFOC)含量的负效应显著大于根系去除,而根系去除对土壤颗粒有机碳(POC)含量的负效应显著大于凋落叶去除,凋落叶和根系同时去除对轻组分有机碳(LFOC)含量的负效应大于其他处理.相关性分析和冗余分析表明:碳组分含量与土壤全氮含量、碳氮比均呈正相关关系.此外,季节对POC和LFOC含量以及不同碳组分对总有机碳碳库的贡献有显著影响.夏季土壤碳组分含量与全磷含量和碳磷比的相关性明显高于冬季.该研究为长期凋落物去除对亚热带杉木林SOC及其组分的影响提供了证据,有助于探究SOC的积累机制对凋落物去除的响应.

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.