藓结皮是荒漠生物土壤结皮的重要类型,在荒漠生态系统碳固定与碳排放过程中具有重要作用.研究长期氮添加对藓结皮光合生理活性和土壤有机碳(SOC)组分的影响,有助于理解藓结皮光合生理活性特征与荒漠生态系统土壤碳固存之间的关系及其调控因子.为此,研究依托古尔班通古特沙漠野外长期(13a)氮添加实验,以齿肋赤藓形成的藓结皮为研究对象,选取0(N0)、1.0(N1)、3.0 g N m-2 a-1(N3)三种氮处理,阐明长期氮添加对藓结皮光合生理活性和SOC组分的影响.结果表明:(1)相比对照,长期氮添加对结皮层颗粒有机碳(POC)与矿物结合态有机碳(MAOC)含量无显著影响,但显著减少了 0-5 cm 土层POC和MAOC含量的积累;(2)N1处理显著提高了叶绿素和非结构性碳水化合物(NSC)含量,而N3处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及NSC的含量分别显著降低了 50.94％、42.49％、46.71％和50.85％;(3)可溶性糖的含量在N1处理下显著增加,N3处理则显著抑制了其积累,脯氨酸的含量随氮浓度呈显著下降的趋势,长期氮添加对可溶性蛋白含量无显著影响;(4)相关性分析表明,长期氮添加、光合生理活性与POC和MAOC含量无显著相关性,酸碱度、微生物量碳氮、电导率、硝态氮和铵态氮皆显著影响POC和MAOC的含量积累.研究揭示了长期氮添加对藓结皮的光合生理活性和SOC组分的影响,且光合生理活性的响应无法有效反映SOC组分变化,为理解荒漠生态系统中氮沉降对生物土壤结皮的影响提供数据支持.

在双碳目标和新型城镇化背景下,保证经济平稳增长的同时减少碳排放是实现城市高质量发展的重要任务之一,更是长沙、株洲、湘潭等国家低碳试点城市重点建设目标之一.因此以长株潭城市群中用地变化和碳排放最为剧烈的中心城区作为研究区域,在现状分析的基础上运用Markov-PLUS耦合模型和碳排放响应模型,模拟了自然状态发展情景、耕地保护发展情景、生态保护发展情景和绿色低碳发展情景下建设用地扩张及碳排放响应情况.结果表明:①2000-2020长株潭城市群建设用地面积呈现阶段性的波动增长趋势,耕地和林地是其主要来源,扩张强度在2010-2015年最大,主要集中在城市群中心区域;碳排放量呈现倒"V"型曲线,可以划分为碳排放量快速上升阶段(2000-2005年)和碳排放量下降阶段(2005-2020年),以2010年为节点,下降幅度先增加后减缓;二者之间存在较为密切的正相关关系,整体表现为建设用地面积增加(减少)碳排放随之增加(减少)的较强扩张与较高排放模式.②Markov-PLUS模拟结果显示,长株潭城市群建设用地在自然状态发展情景下扩张面积最大(235.9503km2),在生态保护发展情景下扩张面积最小(200.6354km2);绿色低碳发展情景下建设用地扩张所占用的生态碳汇面积相对较少(169.78km2),占未利用地相比其他情景较多(1.20km2),扩张分布较为合理,带来的生态环境压力和碳排放压力较小,既有利于生态环境保护也有利于社会经济发展.③碳排放响应结果显示,在不同情景下长株潭城市群各区县的碳排放对建设用地扩张均表现出一定的敏感性,综合建设用地扩张与碳排放响应结果,绿色低碳发展情景是长株潭城市群未来的较优发展模式.

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品,其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品,可降低碳排放,有助于实现"双碳"目标,因此受到越来越多的关注.然而,木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤,其中,预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能,是制约生物转化效率的瓶颈之一.大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主,被广泛应用于多种化合物的生产,研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性,对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义.本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构,对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述;随后,总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性,以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点;最后,综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略,包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等,为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考.

在氮沉降增加的背景下,土壤可利用性氮(N)素增加是多数陆地生态系统正经历的重要生态学过程.氮沉降增加对土壤呼吸会产生扰动,进而影响到森林土壤碳循环.以江西省泰和县石溪杉木林为研究对象,开展N沉降模拟试验,采用碱液吸收法分析4种不同N沉降处理在不同温度(5、15、25、35℃)下对土壤碳排放量的影响.N沉降对土壤呼吸具有抑制作用,随着温度的升高,各处理对土壤呼吸碳排放呈显著性增加趋势(P＜0.05).不同温度条件下添加磷(P)处理对CO2累积排放量与添加高N处理变化规律类似.在5℃条件下,N会抑制土壤碳矿化,且随N浓度升高抑制作用越强,P处理能促进土壤碳排放;15℃和35℃条件下,N和P处理对土壤碳排放量均有抑制作用.在较高温度(25℃和35℃)培养下,土壤全碳对CO2累积排放量均有显著性影响.在25℃条件下,土壤DOC含量对土壤碳排放量的影响显著(P＜0.05),其他温度无影响.在5℃时,不同处理下土壤含水量对土壤碳排放量影响显著.对N沉降与土壤Q10值进行方差分析表明不同处理对Q10值无显著性差异.通过单库模式方程Cm=Co(1-exp-kt)对土壤潜在碳排放进行模拟得出5、15℃和35℃对土壤潜在排放量有显著影响.

采用红外气体分析法(IRGA)于2014年1-12月原位测定了北京市4个典型树种(国槐Sophora japonica,旱柳Salixmatsudana,华北落叶松Larix principis-rupprechtii和侧柏Platycladus orientalis)在不同高度上的木质组织CO2通量速率(ECO2),旨在比较不同树种间ECO2及其温度敏感性(Q10)的时间变化规律和铅锤分异特征.研究结果显示:(1)4个树种的ECO2均表现为单峰型季节变化规律,生长月份内的ECO2显著高于非生长月份,温度和枝干的径向生长是影响ECO2季节变化的主要因素;(2)ECO2对温度的敏感性在夏季月份明显降低,且出现明显的垂直分异:Q10随测量高度的增加而增加,呈现出非连续的阶梯分布;(3)在日间尺度上,阔叶树种ECO2对温度的感性系数Q10出现昼夜不对称现象,晚上Q10明显升高.准确量化ECO2的时间变化规律和铅锤分异特征,细化不同时间尺度下ECO2对温度的响应特征,成为准确估算木质组织碳排放的前提条件.

土壤氮素的可利用性是控制土壤微生物呼吸的重要因素之一,大量研究已经表明增加土壤活性氮的含量可以降低微生物呼吸,但是土壤氮输入对土壤微生物呼吸温度敏感性的影响还不清楚.以青藏高原高寒草甸为研究对象,通过野外施氮试验和室内控制试验相结合的方式,在5℃、15℃和25℃条件下对3种施氮水平的土壤(对照,0g N m-2a-1;低氮,5g N m-2 a-1;高氮,15g N m-2 a-1)进行培养,探讨土壤微生物呼吸及其温度敏感性对不同氮添加水平的响应情况.结果表明:(1)3个温度培养下的土壤微生物呼吸速率和累积碳释放量均随施氮量的增加而显著降低(P＜0.05);(2)氮添加对5℃和15℃培养条件下的微生物呼吸温度敏感性没有显著影响,但显著地增加了15℃和25℃培养条件下的微生物呼吸温度敏感性(P＜0.05);(3)线性相关分析表明,土壤累积碳释放量与土壤有机碳的难降解性显著负相关(P＜0.05),而15℃和25℃培养条件下的微生物呼吸温度敏感性与土壤有机碳的难降解性显著正相关(P＜0.05).结果表明,在全球气候变暖的背景下,土壤氮输入将增加预测青藏高原高寒草甸地区土壤碳排放的不确定性.

利用2015年1月云南中部发生的极端降雪事件,对该事件前后哀牢山亚热带常绿阔叶林内外土壤温度和土壤含水量进行比较,探讨土壤温湿度对极端降雪事件的响应.结果表明:极端降雪事件导致森林林冠大面积受损,森林郁闭度减小,不仅使得林内土壤温度升高,而且改变了林内外土壤温度差值的年变化和日变化特征.极端降雪事件前,林内外不同深度温差年变化为单峰曲线,林内不同深度土壤最高温度相对于林外均发生滞后;发生极端降雪事件当年,林内10 cm土壤温度日较差增大,林内外不同深度温度差年变化为双峰曲线,林内表层土壤最高温度发生时间和林外不存在滞后,20 cm以下深层土壤仍然存在滞后;发生极端降雪事件后1年,林内外不同深度温度差值年变化回归为单峰曲线,林内除10 cm土壤外,更深层土壤最高温度回归到雪灾前相对于林外滞后的格局.极端降雪事件后林内不同深度土壤含水量均有所增加,其对林内表层土壤含水量的影响雨季大于干季.极端降雪事件导致的森林土壤温湿度的改变,很可能会增加土壤碳排放速率,最终削弱森林的碳汇能力.

为研究气候变化背景下降水格局对森林土壤碳排放机制的影响,在南亚热带马尾松人工林中模拟穿透雨减少50％,采用室内恒温培养法研究减水处理对土壤和不同粒级团聚体有机碳矿化的影响.结果表明:1～2mm团聚体有机碳累积矿化量高于其他粒级团聚体.干湿季减雨样地表层土壤含水量分别是对照样地的82.1％和82.7％,而其0.106 ～ 0.25 mm土壤团聚体质量分数分别比对照增加1.8％和4.2％.与对照相比,穿透雨减少显著降低了干季土壤和微团聚体易矿化碳库的矿化速率(k1),增加了土壤和＜1 mm团聚体难分解碳库的分解速率(k2),但对土壤有机碳累积矿化量无显著影响.相关分析表明,土壤和微团聚体k1呈显著正相关,土壤和0.25～1 mm团聚体k2呈显著正相关.受团聚体结构、水分条件和土壤有机碳含量的影响,穿透雨减少对干季土壤易矿化和难分解有机碳的矿化分别起抑制和促进作用.

在气候变化背景下,干旱频率和强度的增加将对森林生态系统的碳循环过程产生重要影响,掌握土壤呼吸及其敏感性对干旱的响应规律有助于评价土壤在碳收支过程中的源汇角色.本研究用顶棚法野外模拟毛竹林干旱下凋落物不变(LU)、添加(LA)、移除(LR)处理对土壤呼吸动态及其温度敏感性的影响和滞留效应.结果表明:对照(自然降雨)和干旱条件下凋落物不变处理年均土壤呼吸速率分别为3.15和2.34 μmol·m-2·s-1.凋落物移除处理较凋落物添加处理对土壤呼吸的影响大,对照和干旱条件下凋落物移除处理较不变处理分别下降21.0％和20.9％,仅干旱条件下凋落物添加处理较不变处理增加5.3％;说明干旱条件下凋落物添加和移除处理对土壤呼吸的影响均较不变处理明显.干旱条件下土壤呼吸的温度敏感性较对照降低8.4％,凋落物添加处理和凋落物移除处理温度敏感性分别下降15.4％和7.6％.对照和干旱条件下18个月土壤碳累积排放量分别为7.35和5.40 kg CO2·m-2,对照和干旱条件下凋落物添加处理较不变处理分别增加1.8％和10.7％,凋落物移除处理分别下降19.9％和18.0％.凋落物添加处理或移除处理对毛竹林土壤呼吸速率的影响呈非线性,因土壤水分的减少直接影响根系生长和微生物活性致使滞留效应明显,干旱条件下凋落物量对土壤碳排放的影响更明显,凋落物量的变化是气候变化背景下土壤碳排放不可忽视的影响因素.

土壤有机质分解是陆地生态系统碳循环的重要环节,它不仅受植被类型的影响,对环境温度也十分敏感.以江西省泰和县石溪退化红壤区马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superb)和枫香(Liquidambar formosana)3种森林类型为研究对象,将其土壤分别置于4种不同温度(5、15、25℃和35℃)条件下培养,采用碱液吸收法进行为期35 d的土壤碳矿化研究.在同一温度条件下,不同林型土壤CO2累计碳排放量大小顺序为:枫香＞马尾松＞木荷.在4种不同温度条件下枫香林地土壤CO2累计排放量最大,其次是马尾松林、木荷林,且不同森林类型土壤CO2累计排放量随温度升高而增加(P＜0.05).在15℃、25℃和35℃条件下,不同林地土壤潜在碳排放量间无显著性差异.在15℃和25℃条件下,土壤碳排放量随土壤全碳含量呈现先增后减的变化趋势(P＜0.05),全碳的极值点分别约为1.83％和1.89％.不同植被类型和培养温度对土壤碳矿化量有显著影响,说明植被类型和温度能够对土壤呼吸产生重要影响,且不同温度对土壤呼吸作用更显著(P＜0.000),但两因素间并无显著交互效应.在25℃时,不同林型土壤碳排放量随土壤含水量先增后减,表明土壤含水量并不是影响土壤碳排放量的调控因子.采用单库模式方程Cm=Co(1-exp-kt)对土壤潜在碳排放进行模拟,得出不同温度不同林型土壤最大碳排放量随温度升高而增加.不同林型不同温度条件下土壤Q10值范围为1.797-1.971,变化幅度较小,且不同林型土壤Q10值并未表现出显著性差异,这一结论为研究林型和温度对土壤碳矿化的影响提供参考.