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全球变化与生态系统课题组在土地利用变化对甲烷氧化、酶活性及土壤碳氮动态等方面研究取得系列进展
作者:全欣 发布时间:2020-12-10 



土地利用变化不仅对生态系统的要素、结构和功能产生深远影响,也会对全球气候变化产生重大影响。全球变化与生态系统课题组长期关注多种全球变化驱动因子,对生态系统各个过程的作用。近期取得以下研究进展:

一、运用数据整合分析探究全球尺度下土壤甲烷氧化潜力对植被退化和恢复的响应机制

旱地土壤生态系统能够氧化吸收大气中的甲烷,占大气甲烷汇的10%左右。然而这一重要的甲烷汇对人类活动的响应十分敏感,尤其是人类活动导致的土地利用变化。目前,全球尺度下,植被退化和恢复对土壤甲烷氧化潜力的影响还缺乏深刻认知。科研人员通过收集到已发表的83篇植被退化和恢复对甲烷氧化影响的研究论文进行数据整合分析(meta-analysis),从全球角度分析了土壤甲烷氧化潜力对植被退化和恢复的响应。结果发现,土壤甲烷氧化对植被退化和恢复的响应是非对称的(1)。主要表现在两个方面:第一,植被退化导致的土壤甲烷氧化降低幅度大于植被恢复使土壤甲烷氧化潜力提升的幅度;第二,土壤甲烷氧化潜力在短期的植被退化背景下显著降低,并且植被退化对甲烷氧化潜力的负效应不随着退化年限的增加而改变;然而,土壤甲烷氧化潜力随着植被恢复时间的增加而增加,并且短期的植被恢复(< 30 years)不足以提升甲烷氧化潜力。同时,该整合研究还发现植被退化和恢复主要通过影响土壤微环境(例如土壤空隙含水量、容重以及pH)进而作用于土壤甲烷氧化。土壤化学性质(例如有机碳含量、总氮等)的改变对土壤甲烷氧化作用微弱。该整合研究,不仅能够为可持续的土地管理提供一定参考,还有助于减少土壤甲烷氧化潜力对全球土地利用变化响应的不确定性。相关研究成果以Asymmetric response of soil methane uptake rate to land degradation and restoration: Data synthesis为题发表在生态学领域权威期刊Global Change Biology Glob Change Biol. 202026:6581–6593; IF8.5551区)上。课题组长程晓莉研究员为论文唯一通讯作者。

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1 土壤甲烷氧化对植被退化和恢复的非对称响应

 

二,揭示植被恢复背景下土壤酶活性的空间变异机制

土壤中的各种胞外酶能够催化土壤有机质的分解,对生态系统碳、氮、磷等养分循环过程起着重要的调控作用,其活性特征是评价土壤健康状况和微生物群落功能的有效指标。受环境异质性及其对外界环境敏感性的影响,土壤酶的活性在较小空间尺度上仍表现出高度的空间变异,然而其影响因素目前还不清楚。课题组以丹江口库区植被恢复下的不同生态系统(灌丛和林地)为研究对象,分析了各生态系统内部土壤酶活性特征,并在两种不同的空间尺度下(100 m2 1 m2)探究其空间变异产生的生物与非生物因素(图2。结果表明:在样地尺度(100 m2)上,凋落物及根系生物量是决定林地土壤酶活性变异的主导因子,而土壤pH和微生物群落组成是决定灌丛土壤酶活性变异的主导因子。而微尺度(1 m2)上,植物斑块(Tree patch)和非植物斑块(Inter-patch)两种微环境下的主导因子显著不同。研究结果有利于进一步揭示微生物及土壤养分循环对植被恢复的响应过程和机理。相关研究成果以“How do biotic and abiotic factors regulate soil enzyme activities at plot and microplot scales under afforestation?”为题发表在生态学权威期刊Ecosystems Ecosystems, 2020, 23: 1408–1422; IF4.2071区)上。课题组长程晓莉研究员为论文唯一通讯作者

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2植被恢复背景下土壤酶活性的空间分布格局

 

三、揭示南方次生草地土壤碳氮稳定同位素变化的影响机制

中国南方次生草地是由于人类毁林开荒后形成的一种典型的生态系统类型,此类生态系统在有机碳氮的固持与周转中发挥着重要作用。然而,对大尺度条件下次生草地生态系统碳氮动态的评估以及影响因子探究还存在诸多挑战。课题组研究人员以跨度600 km的南方次生草地为研究对象,探究了南方次生草地土壤碳氮稳定同位素的影响因子(图3)。研究发现,植被和土壤碳同位素随着年均降雨量的增加而降低,但是随着年均温的增加而增加。此类规律的变化主要是由于C4C3植被功能群改变所引起的。然而,降雨量的增加和温度的降低能够使土壤氮同位素富集,氮同位素的富集主要是由于土壤pH的降低和土壤底物质量提高所引起的。区域大尺度下,土壤碳同位素的变化是由不同功能群植物输入的改变决定,氮同位素的变化由氮转化过程中分馏效应引起。本研究有利于从机制上理解生态系统碳氮动态对人类活动和气候变化的相应。相关研究成果以“Contrasting soil C and N dynamics inferred from δ13Cand δ15N values along a climatic gradient in southern China”为题发表在植物学和土壤学领域权威期刊Plant and Soil Plant Soil, 2020, 452:217–231; IF3.2991区)上Soil labile and recalcitrant carbon and nitrogen dynamics in relation to functional vegetation groups along precipitation gradients in secondary grasslands of South China 为题发表在环境科学领域权威期刊Environmental Science and Pollution ResearchEnvironmental Science and Pollution Research, 202027: 10528-10540IF =3.056, 2)课题组长程晓莉研究员为论文唯一通讯作者

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3 南方次生草地土壤碳氮稳定同位素的影响因子

四、揭示三峡大坝淹水对植被功能群和土壤不同碳库周转的影响机制

三峡大坝的建设改变了河岸带原有的植被类型和水文平衡,进而改变了土壤的碳库和土壤酶活性。课题组研究人员从三峡消落区上游到下游选择6个样点,并在每个样点设置4个海拔梯度研究淹水对植被功能群转化和土壤不同碳库周转的影响。结果发现:淹水显著的改变了植被群落结构,在整个流域尺度上淹水显著增加了C4植被所占比例,土壤有机碳库和惰性碳库主要是来源C3植被输入,淹水增加了C4植被在易变碳中输入比例。对不同碳库含量来说,淹水对有机碳库影响较小,但淹水增加了惰性碳库的含量和比例,微生物可利用碳源的减少导致土壤C水解酶活性降低。相关研究成果以Shift in functional plant groups under flooding impacted ecosystem C and N dynamics across riparian zones in the Three Gorges of China 为题发表在环境科学领域权威期刊Science of the Total Environment Science of the Total Environment, 2020724:138302IF=6.5511)Linkages between soil organic carbon fractions and carbon hydrolyzing enzyme activities across riparian zones in the three Gorges of China 为题发表在综合学科领域权威期刊Scientific Reports”(Scientific Reports, 202010:8433.IF =3.9981)课题组长程晓莉研究员为论文通讯作者。

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