中国作为传统的农业大国,高消耗、高投入、高需求的农业发展模式推动着中国农业非CO2温室气体排放总量持续增长.农业源非CO2气体以极具增温潜势的CH4和N2O为主,控制农业源非CO2温室气体排放是我国实现农业绿色发展和"双碳"目标的重要环节.我国农业系统非CO2温室气体核算尚处于不断探索完善的过程之中,在估算方法、模型参数等方面还未形成一套完整和公认的体系.研究参考IPCC分类法建立了适用于中国农业系统的,包括种植业、畜牧业和农业废弃物的农业非CO2温室气体排放核算体系.以2020年为基准对中国农业温室气体排放情况进行了核算.结果显示,我国农业系统非CO2温室气体排放总量为62801.68万t CO2-e,CH4是农业系统排放贡献最大的温室气体.我国农业系统温室气体排放类型具有明显的空间分异特征;西北、华北、西南以畜牧业温室气体为主导,华东、华南地区以种植业为主导,东北、华中地区较为特殊,主导类型相对复杂;农业废弃物排放主要分布在东北、华东地区.研究所构建的温室气体核算体系可充分体现我国农业温室气体排放现状,体现各省域农业温室气体排放结构,有利于各区域制定有针对性的农业规划政策,可为降低我国农业温室气体核算研究中的不确定性、为碳中和实现过程中明确农业系统的温室气体贡献提供方法支持与数据基础.

为了研究氮沉降对内蒙古额尔古纳草甸草原主要温室气体(CO2、CH4和N2O)排放通量的影响,该研究通过添加NH4NO3模拟氮沉降,并设置6个氮添加水平(0、2、5、10、20、50 g·m-2·a-1),同时考虑到草地利用方式的影响,设置刈割和不刈割2个处理水平.分别于2020年和2021年的生长季(5-9月),采用静态箱-气相色谱法测定了3种温室气体的排放通量.主要结果有:1)生长季内3种温室气体的排放通量对氮添加的响应呈明显的非线性,但响应格局在3种温室气体之间存在明显的差异.2)当氮添加量达到5-10g·m-2·a-1时,CO2的通量达到峰值,表现出显著的饱和性特征;CH4的吸收在低氮添加(0-5 g·m-2·a-1)时受到促进,且这种促进作用随着氮添加量的增加而增强,但氮添加量达到5-10 g·m-2·a-1时,对CH4吸收的促进作用逐渐减弱,且高氮添加(50 g m-2·a-1)显著抑制CH4的吸收;N2O的排放通量对氮添加的响应总体也随氮添加量的增加而显著增加,但响应模式与幅度存在年际差异.3)刈割仅在2021年对CH4的吸收具有显著的促进作用.4)综合两年的结果,CO2排放通量与降水量和硝态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.CH4吸收通量与降水量和铵态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.N2O排放通量与土壤温度和铵态氮含量显著正相关,与硝态氮含量显著负相关.上述研究结果表明,大气氮沉降增加对温室气体排放的影响具有普遍的非线性特征,但不同温室气体的通量格局存在一定的差异.该研究结果对控制氮肥用量、选择合适的草地利用方式、评估草地生态系统变暖潜势具有重要意义.

湿地生态系统是吸收全球大气二氧化碳(CO2)的汇,同时土壤厌氧环境造成其是大气甲烷(CH4)的源.尽管有证据表明,湿地生态系统CH4排放部分抵消其对大气CO2的净吸收,但目前未见全球尺度湿地CH4排放对其净生态系统CO2交换(NEE)抵消效应的研究.本研究分析了全球内陆湿地(泥炭湿地和非泥炭湿地)以及滨海湿地(海草床、盐沼和红树林)中同时测定湿地NEE和CH4排放通量的数据.结果表明:各类型湿地生态系统均为大气CO2的汇,NEE值排序为红树林(-2011.0 g CO2·m-2·a-1)＜盐沼(-1636.6 gCO2·m-2·a-1)＜非泥炭地(-870.8 gCO2·m-2·a-1)＜泥炭地(-510.7 g CO2·m-2·a-1)＜海草床(-61.6 gCO2·m-2·a-1).基于100年尺度CH4全球变暖潜势将CH4排放通量转换成CO2当量通量(CO2-eq flux)发现,CH4排放分别抵消海草床、盐沼、红树林、非泥炭地和泥炭地生态系统净CO2吸收的19.4％、14.0％、36.1％、64.9％和60.1％,而在未来20年尺度上,它们分别抵消CO2吸收的57.3％、41.4％、107.0％、192.0％和177.3％,部分红树林、泥炭地和非泥炭地是净CO2当量源.100年尺度各类湿地生态系统净温室气体平衡仍为负值,说明即使考虑CH4排放,在100年尺度各类湿地生态系统仍为碳汇.明晰湿地生态系统CH4排放主要调控机制并提出合理的减排对策,对于维系湿地生态系统碳汇功能,减缓气候变暖至关重要.

全球气候变化已成为世界广泛关注的热点.以气候变暖、大气CO2浓度升高等为主的各种因子对森林生态系统的影响已有大量研究和报道.树木凋落物作为森林生态系统中主要的物质循环载体,其对气候变化的响应近年来也有不少研究,但对影响的结果和机制仍存有不少争议.另外,目前非常缺乏气候变化对树木凋落物分解影响研究最新进展的综合性报道,即便有一些相关进展报道也比较零散,局限于很小的某一领域.因此,本文结合我们多年来在树木凋落物研究基础上,针对气候变化中最常见的几个问题如气候变暖、干旱、大气CO2和臭氧浓度升高以及氮沉降等5个方面对树木凋落物质量及其分解的影响,就目前国内外有关研究的最新进展做一综合归纳;同时,也对未来有关研究做了简要的展望,以期为完善我国气候变化背景下森林凋落物研究以及丰富森林生态系统物质循环的有关生态学理论提供借鉴.

非生长季土壤温室气体排放在碳氮循环中具有重要作用,而采伐干扰对非生长季森林土壤温室气体排放具有何种影响并不明确.采用静态暗箱-气相色谱法,同步观测温带帽儿山50年生红松人工林在不同透光抚育方式下(次生林冠下栽植红松10年时设立为对照;半透光抚育:伐除上层林木50％;全透光抚育:伐除上层林木100％)非生长季土壤3种温室气体(CO2 、CH4和N2O)排放通量及其相关环境因子(土壤温度、含水量及碳氮含量等),研究采伐干扰对非生长季森林土壤温室气体排放的影响及主控因子.结果表明:透光抚育会降低非生长季土壤CO2、CH4和N2O的排放通量,全透光和半透光抚育显著降低了温带红松林非生长季土壤CO2排放量21.0％和22.8％,并降低CH4吸收量16.0％和16.4％,但差异不显著,全透光抚育显著降低N2O排放量23.5％,而半透光抚育降低11.2％且差异不显著.温带红松林非生长季土壤CO2 CH4和N2O的年贡献率分别为11.7％ ～ 14.2％、13.1％ ～ 17.0％和63.9％ ～72.6％,透光抚育降低了非生长季土壤CO2(1.4％ ～2.5％)和CH4(0.7％～3.9％)年贡献率,但提高了N2O年贡献率(2.4％～8.7％).透光抚育增加了CO2排放与土壤温度、含水量、硝态氮及铵态氮的相关性,降低其与有机碳的相关性,增加了CH4排放与土壤含水量、酸碱度、有机碳和铵态氮的相关性,降低其与硝态氮的相关性,增加了N2O排放与土壤温度相关性,降低其与硝态氮和铵态氮的相关性,改变了其与土壤酸碱度的正负相关关系.因此,透光抚育经营方式能够显著影响温带森林非生长季土壤温室气体排放,其中全透光抚育降低非生长季土壤N2O排放能力要强于半透光抚育.

环境保护和能源供应是人类关心的两大问题.能源消耗释放出的温室气体对环境造成了严重影响.利用CO2固定途径可将CO2转化成燃料或化学品.天然固碳生物通常存在生长缓慢、固碳效率低等问题.通过在模式微生物中增强或重构CO2固定途径,实现CO2的再循环,可提高燃料或化学品的产量,减少温室气体排放.文中详细介绍了通过代谢工程手段改造CO2固定途径改善化学品生产以及糖合成,阐述了相关代谢途径及其中的关键酶在CO2固定中的作用,介绍了电生化合成系统的应用,显示出CO2固定的巨大潜力,并展望了未来CO2固定的研究方向.

以流动沙地为对照,采用时空替代法分析库布齐沙漠东部固定沙地上不同发育阶段生物结皮藻类结皮和地衣结皮土壤温室气体通量特征及其与环境因子之间的关系,研究生物结皮发育对荒漠土壤温室气体通量的影响.结果表明:荒漠土壤CO2排放通量大小为地衣结皮(128.5 mg·m-2·h-1)＞藻结皮(70.2 mg·m-2·h-1)＞流动沙地(48.2 mg·m-2·h-1),CH4吸收通量大小为地衣结皮(30.4μg·m-2·h-1)＞藻结皮(21.2 μg·m-2·h-1)＞流动沙地(18.2 μg·m-2·h-1),N2O排放通量大小为地衣结皮(6.6 μg·m-2·h-1)＞藻结皮(5.4μg·m-2·h-1)＞流动沙地(2.5 μg·m-2·h-1).CO2排放具有明显的季节变化,生长季显著大于非生长季;CH4和N2O季节变化差异不显著,前者生长季吸收大于非生长季,后者非生长季排放大于生长季.土壤有机碳和全氮含量、土壤微生物数量均是影响温室气体通量的重要因素,环境水热因子是影响土壤CO2排放的关键因子,但CH4和N2O通量对水热因子的变化不敏感.随着植被恢复和生物结皮发育,荒漠土壤温室气体累积通量的不断增大导致其百年尺度的全球增温潜势亦显著提高,依次为地衣结皮(1135.7 g CO2-e·m-2·a-1)＞藻结皮(626.5g CO2-e·m-2·a-1)＞流动沙地(422.7 g CO2-e·m-2·a-1).

为探明不同氮肥条件下高纬度农田土壤的温室气体排放特性,采用静态箱-气相色谱法研究了常规施氮(CN)、施用缓释肥(SLN)、尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂(NIUI)、不施氮肥(NN)对东北春玉米农田土壤温室气体排放的影响.结果表明:CN、SLN和NIUI处理产量分别为9618、9376和9645 kg· hm-2.与CN处理相比,SLN促进了玉米生长季土壤N2O的排放,降低了非生长季土壤N2O的排放;NIUI处理N2O累积排放量比CN降低了39.0％;各处理土壤CO2周年累积排放通量无显著差异;东北春玉米田是大气中CH4的弱汇,NIUI处理较CN促进了玉米生长季土壤对CH4的吸收.综上,尿素添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂可以在实现玉米高产的同时有效减少土壤温室气体排放.

土壤有机碳矿化是调节温室气体排放、土壤有机质形成以及土壤生物和植物营养供应的重要过程,植物残体分解释放CO2对土壤有机碳矿化有着重要影响.通过对科尔沁沙地沙丘草地4种优势植物叶凋落物的混合培养试验,测定了凋落物培养过程中CO2释放速率及其累积释放量,比较了混合凋落物CO2释放量实测值与预测值的差异,分析了凋落物化学成分和物种多样性(包括物种丰富度和物种组成)与土壤有机碳矿化的相关关系,以期解释添加混合凋落物对土壤有机碳矿化的影响.结果表明,混合凋落物物种丰富度对土壤有机碳矿化的影响不显著,而凋落物一些化学性质与土壤有机碳矿化紧密相关;所有混合组合处理中,80％的凋落物组合处理对土壤有机碳矿化产生显著(P＜0.05)的非加和效应;氮含量较高的豆科植物达乌里胡枝子凋落物与禾本科植物凋落物混合后土壤有机碳矿化表现极显著(P＜0.001)的协同非加和效应,而禾本科植物凋落物交互混合后土壤有机碳矿化产生显著拮抗非加和效应,这可能是凋落物化学成分相似或凋落物叶片的空间异质性引起的.

中高纬度地区非生长季温室气体排放对生态系统碳、氮循环具有重要影响,但采伐干扰如何影响森林沼泽非生长季土壤温室气体排放尚不明确.本研究采用静态箱-气相色谱法,观测小兴安岭4种森林沼泽(毛赤杨沼泽、白桦沼泽、落叶松苔草沼泽、落叶松藓类沼泽)不同采伐方式下(对照、择伐45％、皆伐,试验处理已10年)非生长季土壤CO2 、CH4、和N2O通量及其相关环境因子(温度、湿度及碳氮含量等),分析采伐干扰对温带森林沼泽非生长季土壤温室气体排放的影响规律及主控因子.结果表明:采伐干扰10年后,4种森林沼泽土壤CO2 、CH4和N2O非生长季平均通量分别在53.08～81.31 mg·m-2·h-1、0.09～3.07 mg·m-2·h-1和4.07～8.83 μg·m-2·h-1,其中,皆伐显著提高毛赤杨沼泽和落叶松藓类沼泽非生长季土壤CO2 、CH4和N2O排放量,择伐显著提高白桦沼泽、落叶松藓类沼泽及降低毛赤杨沼泽的CO2排放量,且显著降低4种森林沼泽CH4排放量及落叶松苔草沼泽的N20排放量;天然森林沼泽非生长季土壤CO2排放受土壤温度、有机碳含量及C/N调控,CH4受土壤温度、有机碳含量调控,N2O受气温、土壤pH调控,采伐增加了CO2排放与气温、土壤含水量及积雪深度的相关性,增加了CH4排放与气温、土壤含水量、C/N的相关性,增加了N2O排放与土壤全氮和C/N的相关性;温带天然森林沼泽非生长季土壤CO2 、CH4和N2O的年贡献率分别为33.2％～46.5％、6.3％ ～9.1％和61.5％ ～68.3％,皆伐提高了白桦沼泽和落叶松藓类沼泽CO2年贡献率和除落叶松藓类沼泽外其他样地的N2O年贡献率,择伐提高了落叶松苔草沼泽、落叶松藓类沼泽CO2、CH4和N2O年贡献率,但降低了白桦沼泽3种气体年贡献率.温带天然森林沼泽非生长季土壤N2O和CO2的年贡献率相对较大,皆伐使两者年贡献率进一步提高,择伐却较大幅度提高了其CH4的年贡献率.