氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变.受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分.与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO2排放.但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO2排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制.这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO2排放相关途径提供参考.同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望.

气候变暖已经引起全球降水格局改变.土壤呼吸作为陆地生态系统向大气释放CO2最大的碳库,对降水变化的响应将进一步影响碳循环,从而对全球气候变化产生反馈.尽管以往已有大量关于土壤呼吸与降水变化关系的相关研究,但存在较大争议.因此,亟待进一步深入探究土壤呼吸对降水改变的响应.基于此,研究Meta分析方法,整合了来自Web of Science 英文数据库和中国知网文献数据库(CNKI)的 284 篇已发表的论文和 367 组数据,进而分析全球中低纬度地区土壤呼吸对降水改变的响应.研究结果表明,土壤呼吸对降水改变的响应呈现出非对称特征,降水量增加能够提高 16.7%的土壤呼吸,而降水量减少则会抑制 17.88%的土壤呼吸.研究还发现,不同生态系统和气候区域的土壤呼吸对降水改变的响应存在较大差别.其中,降水量增加能够提高草地生态系统 22%的土壤呼吸,比森林生态系统土壤呼吸高出 12%;而降水量减少则会削弱草地生态系统28%的土壤呼吸,这要比森林生态系统土壤呼吸还高 16%.与湿润地区相比,降水量的增加对干旱地区土壤呼吸的促进作用更加明显.而降水量的减少对干旱地区和湿润地区土壤呼吸的影响均无显著差异.此外,本研究也证实了土壤呼吸对不同降水强度和年限的响应也存在差异.在不同降水强度上,无论增加降水还是减少降水,重度增减雨的土壤呼吸均改变最大,即:重度增减雨(＞75%)＞中度增减雨(25%—75%)＞轻度增减雨(＜25%);在不同降水年限上,长期增雨对土壤呼吸的促进作用尤为突出,但长期减雨对土壤呼吸影响无显著差异.研究结果可为未来气候情景下陆地生态系统土壤呼吸变化的准确预测以及模型模拟和改进提供重要的科学依据和理论基础.

地层孢粉数据是古植被和古气候重建等古环境研究的重要基础.孢粉数据库推动古环境研究从点到区域和全球尺度,从定性到定量,从而实现在大空间尺度和长时间序列上探索植被、气候和人类干扰的相互关系,以更好地理解地球系统的演变.该数据集整合了全国第四纪末期(5万年以来)共372个地层花粉序列,涵盖790个花粉类群,样点分布于中国30个省级行政区与领海.数据集包含地层花粉采样点的地名、经纬度坐标和海拔高度、数据来源、样品类型、沉积物长度、样品数量、测年方法及测年数量、时间跨度和参考文献,以及每个采样点的花粉含量百分比.数据主要来源于20世纪80年代至今.采样点集中分布在温带和亚热带森林、温带草原和荒漠以及青藏高原高寒植被区域;在深海到青藏高原不同海拔高度都有分布,但集中在海拔2 000 m之下.按照数据来源区分,原始数据样点178个,占47.8％;数值化数据194个,占52.2％.按照样品类型分类,多数样点为湖泊样品(151个)、冲积物/洪积物样品(99个)与泥炭样品(67个),占总样点数的85.2％.年代测定的主要方法为放射性碳同位素手段(占样品总数的93.8％),大部分记录有2-10个测年数据.采样点的平均花粉类群数量是19个,以4-30个花粉类群的采样点最多.代表性花粉类群(松属(Pinus)、栎属(Quercus)、蒿属(Artemisia)、禾本科)含量的时空分布格局表明,从末次盛冰期到全新世,这些花粉科属的分布范围扩大,含量也增加,但分布区域具有分异.半个多世纪以来,孢粉学工作者建立中国大部分地区的地层花粉记录,为探究古环境演变及其气候变化、人类活动驱动机制奠定了重要的基础.

高寒森林土壤是最脆弱的陆地碳库之一,随着全球气候的变暖,冻融格局受到影响,这将导致土壤微生物群落结构发生变化进而影响土壤微生态过程.以西藏色季拉山不同海拔土壤为研究对象,基于16S rRNA测序技术探究微生物群落结构及多样性对季节性冻融的响应.结果表明:门水平上,冻融现象并未改变土壤细菌和真菌群落的优势菌群,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)和酸杆菌门(Acidobacteria)为细菌群落的优势菌门,担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)为真菌群落的优势菌门;属水平上,冻融前后微生物群落结构和组成差异较大,且细菌群落受冻融影响更剧烈,真菌群落受海拔影响更剧烈;OTU水平上,冻融使各海拔细菌群落和海拔 3500 m、4300 m处真菌群落的α-多样性有较大提升,主要受黏粒和粉粒含量的影响;冻融使微生物群落组成在不同海拔间差异增大,且冻融前后的关键驱动因子不同,冻融前主要受碳氮比、速效钾、碳酸盐、土壤含水率、黏粒和粉粒含量的影响,冻融后主要受pH和有效磷的影响;相比于细菌,真菌群落结构的影响因素在海拔间的差异更大.本研究为深入理解气候暖化背景下不同海拔高寒森林土壤微生物对冻融的响应提供重要依据.

由化石燃料燃烧和土地利用变化引起的全球气候变暖是地球上最严重的人为干扰之一,对陆地生态系统结构和功能产生重要的影响.土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统最大的碳库,其微小变化都会影响全球碳平衡和气候变化.近 30 年来,国内外学者在不同森林生态系统相继开展了野外模拟增温对SOC分解的影响及其调控机制研究.基于在全球建立的 26 个野外模拟气候变暖实验平台,系统分析增温对森林生态系统SOC分解的影响格局和潜在机制,发现增温通常促进森林SOC的分解,对气候变暖产生正反馈作用.然而,因增温方式和持续时间、土壤微生物群落结构和功能的多样性、SOC结构和组成的复杂性、植物-土壤-微生物之间相互作用以及森林类型等不同而存在差异,导致人们对森林SOC分解响应气候变暖的程度及时空格局变化缺乏统一的认识,且各类生物和非生物因子的相对贡献尚不清楚.基于已有研究,从土壤微生物群落结构和功能、有机碳组分以及植物-土壤-微生物互作 3 个方面构建了气候变暖影响SOC分解的概念框架,并进一步阐述了今后的重点研究方向,以期深入理解森林生态系统碳-气候反馈效应,为制定森林生态系统管理措施和实现"碳中和"提供科学依据.1)加强模拟增温对不同森林生态系统(特别是热带亚热带森林生态系统)SOC分解的长期观测研究,查明SOC分解的时空动态特征;2)加强土壤微生物功能群与SOC分解之间关系的研究,揭示SOC分解对增温响应的微生物学机制;3)形成统一的SOC组分研究方法,揭示不同碳组分对增温的响应特征和机制;4)加强森林生态系统植物-土壤-微生物间相互作用对模拟增温的响应及其对SOC分解调控的研究;5)加强模拟增温与其他全球变化因子(例如降水格局变化、土地利用变化、大气氮沉降)对SOC分解的交互作用,为更好评估未来全球变化背景下森林土壤碳动态及碳汇功能的维持提供理论基础.

中国北方农牧交错带温性盐碱化草地土壤有机碳库对全球气候变暖的响应趋势存在较大不确定性.作为温性盐碱性草地的典型分布区,山西右玉农牧交错带是探索相关研究的理想生境.基于山西农业大学野外观测研究站开顶式气室模拟增温实验平台,通过采集生长旺季土壤样品,探索温性盐碱化草地不同土层有机碳、氮组分对模拟增温的响应与适应机制.结果表明:(1)不同增温处理对土壤有机碳(C)、总氮(N)、颗粒性有机碳(POM-C)和氮(POM-N)、矿物结合态有机碳(MAOM-C)和氮(MAOM-N)、可溶性有机碳(DOC)和氮(DON),以及微生物量碳(MBC)和氮(MBN)等组分无显著影响,但显著降低了 MAOM-C/MBC的比值;(2)除土壤可溶性有机碳和微生物量碳外,土壤碳、氮各组分均随土层深度加深而呈现递减趋势,土壤碳、氮各组分之间的比值,除MAOM-N/N和MBC/C外,均随土层深度的增加而呈现显著上升趋势;(3)增温对POM-N/MBN和MAOM-N/MBN的影响与土层深度存在明显的交互效应;(4)不同土层氮组分比值对增温的响应与禾草丰度、杂类草丰度、凋落物量、土壤pH值及土壤含水量等因素有关.其中,凋落物量和土壤pH值主要影响POM-N/MBN和MAOM-N/MBN,禾草丰度与杂类草丰度则调控POM-N/N的变化,土壤pH值和土壤含水量与MAOM-N/N密切相关.综上所述,温性盐碱化草地土壤有机碳、氮组分对短期内气候变暖存在较强的适应性;同时,相较于土壤碳组分,不同土层氮组分比值对增温处理表现出更强的差异性响应.这些结果有助于理解温性盐碱化草地土壤碳库对未来气候变暖的响应与适应格局,为全球气候变暖背景下我国北方脆弱草地生态系统的保育和恢复提供重要的基础性数据.

耕作与水蚀是黑土区坡耕地碳库退化的主导因素,为进一步探究土壤有机碳(SOC)及其组分对不同侵蚀驱动力(耕作、水力)的响应格局,基于该区耕作侵蚀与水蚀模型,在定量表达耕作侵蚀-沉积量与水蚀量的基础上,利用地统计学的方法,分析了东北黑土区典型漫岗地形坡面尺度SOC及其3种组分的空间分布特征.结果表明:耕作侵蚀与沉积速率分别表现为坡上＞坡下＞坡中＞坡脚和坡脚＞坡下＞坡中＞坡上;水蚀速率表现为坡下＞坡脚＞坡中＞坡上;坡下陡坡位置耕作侵蚀与水蚀协同引起严重的土壤流失.虽然耕作侵蚀速率(0.02～ 7.02t·hm-2·a-1)远小于水蚀速率(5.96～101.17 t·hm-2·a-1),但耕作侵蚀在全坡面范围均可对SOC产生不同程度的影响,而水蚀则主要在坡下径流汇集区显著影响SOC的累积-损耗.受水蚀与耕作侵蚀-沉积作用影响,SOC、颗粒有机碳、水溶性有机碳在侵蚀点含量低于沉积点,而微生物生物量碳变化趋势相反;耕作侵蚀通过影响颗粒有机碳参与SOC的积累-损耗过程.

基于地面调查数据、气象数据和遥感数据分析了40年来天山北麓新人工绿洲迅速扩张对区域植被和土壤的碳库格局、碳库迁移及碳储量的影响,结果如下:1976-2016年,研究区农田面积占比从3.25％增加到40％以上,沼泽消失,水库干涸,灌丛大幅减少,土壤盐碱化过程停止,裸盐碱地面积40年里减少近70％,新生草地在裸盐碱地上形成;2016年6月植被有效碳储量约为0.122Tg,比1976年下降了15.7％,成为一个弱的碳源;土壤碳库在干旱地区陆地生态系统碳库中占绝对主导地位,1976年研究区(0-60cm)的土壤有机碳储量为7.814Tg,其中耕地仅占4.2％,1996年土壤有机碳储量比1976年减少12.4％,呈明显碳源特征,到2016年,耕地土壤有机碳储量占比超过50％,总碳储量与1996年相比微降1.2％,土壤碳库重新趋于稳定.其中,裸盐碱地土壤碳库在向耕地、灌丛地、草地土壤碳库的迁移过程中贡献了1.265Tg的碳储量增量,草地土壤碳库在向耕地、灌丛地碳库的迁移过程中贡献了0.894Tg的碳储量增量;若维持现有耕地规模不再进行新的垦荒活动,40a垦荒造成的土壤碳库损失可以逐渐恢复并重新形成碳汇效应.

全球气候变化带来降水格局的改变.土壤呼吸是土壤碳库向大气释放CO2的重要途径,其对降水变化的响应对陆地生态系统碳循环和全球气候变化进程有着重要的意义.该研究收集了来自全球各地土壤呼吸对降水变化响应的控制试验结果进行分析,以揭示降水格局变化对土壤呼吸影响的普遍规律和控制机制.结果显示:增加降水促进土壤呼吸2％-135％,减少降水抑制土壤呼吸19％-24％,当降水改变量标准化到所有处理的平均值(当年当地降水量的41％)时,增加降水促进的土壤呼吸量(49％)显著大于减少降雨抑制的土壤呼吸量(21％).土壤湿度是降水变化下驱动土壤呼吸改变的主要因子,其一方面直接影响土壤呼吸,另一方面通过影响土壤微生物碳库、地上/地下净初级生产力来影响土壤呼吸,总解释度高达98％.同时土壤呼吸对降水变化的响应程度随着环境温度和降水量发生变化.土壤呼吸对降水增加的敏感性随环境温度的升高没有显著变化,但对降水减少的敏感性随着环境温度的升高逐渐增强.随着环境降水量的逐渐增加,土壤呼吸对降水增加和减少的敏感性均呈现下降趋势.说明在未来全球降水格局的改变下,土壤呼吸对降水变化的响应有很大的区域差异,受当地气候条件的影响.

保护区是维持生物多样性和生态系统功能的最有效方式,但其保护成效有待提升,土地利用变化是重要影响因素之一.本研究以神农架国家级自然保护区为对象,基于神农架地区近20年的调查研究和数据积累,通过异速生长模型、生物量方程、抽样加权等方法,对比分析了土地利用方式转变格局下神农架国家级自然保护区森林生态系统地上、地下、凋落物、粗木质残体、土壤有机碳5个碳库动态,分析论证了20年间(1990-2010)神农架保护区对森林生态系统碳库的保护成效.研究发现,林地占神农架保护区总面积的92.76％,其中针叶林(51.85％)、落叶阔叶林(35.1 1％)及常绿阔叶林(4.47％)3种森林类型合计占林地面积的98.56％.20年间神农架保护区林地面积增加了0.11％,灌木林地和耕地面积分别减少了8.85％和6.06％.神农架保护区2010年碳储量为24.24 Tg C(22.57-26.62 Tg C),土壤有机碳和地上碳合计占全部碳储量的90.68％.常绿阔叶林、落叶阔叶林和针叶林3种森林类型碳储量占神农架保护区碳储量的95％.20年间神农架保护区5个碳库碳储量均有所增加,共固碳25.04 kt C(21.83-29.57 kt C),固碳率为1.21 kt C/年(1.09-1.48 kt C/年),其中地上生物量碳库和土壤有机碳库分别增加14.50kt C (11.81-18.31 kt C)和6.84 kt C.保护区内总碳库碳密度高于保护区外22.37 t C/ha.研究结果表明,神农架国家级自然保护区在保护森林固碳能力方面取得了一定的成效.